tivé reakce jako intenzivní zdroj neutron pro ADTT

T íštivé reakce jako intenzivní zdroj neutron pro ADTT A.Kugler • základní charakteristiky jaderných reakcí r zné projektily, mechanismus, složené jádro, …

• specifika t íštivých reakcí vnitrojaderná kaskáda, p edrovnovážná emise, exciton model, vypa ování a d lení složeného jádra, koncové produkty… • reakce na tenkém ter i výt žky neutron , jejich energie a úhlové rozložení, …

• reakce v tlustém ter i mezijaderná kaskáda, dob h projektilu, zjednodušný model výpo tu rozložení výt žk neutron okolo ter e …

• literatura A.Kugler NPI Rez, Czech Republic

Základní charakteristiky jaderných reakcí Energie v t žiš ové soustav - ECM Redukovaná hmotnost - µ ~ A1A2/(A1+A2) Polom r ter ového jádra - R vlnová délka =h/√(2µ ECM ) << R Parametr srážky – b Úhlový moment - L ~ p b ~ b / Diferenciální ú inný pr ez v geometrickém limitu (black body) (b) = 2 b db (L)= 2 (2L+1), Obecn transmisní koeficienty TL ≤ 1 =

2

(2L+1) TL

Hodnota totálního ú inného pr ezu reakcí s jádrem bude p ibližn rovna pr ezu jádra – tedy σ ~ 10-28 m2 = 1 barn (p edpoklad blízkosti ú inného pr ezu geometrickému).

Hluboce nepružné reakce P i hluboce nepružných reakcích dochází k záchytu projektilu, vyrovnání teplot obou fragment a vyrovnání N/Z pom ru. Pro Vysoké hodnoty úhlového momentu dvoujaderného systému vede k nestabilit a celý systém se po pooto ení rozpadá na dva „projectile-like“ a „target-like“ fragmenty s kinetickou energií danou kulombickým odpuzováním, proces p ipomíná d lení. Reakce vede k vytvo ení vzbuzených rotujících fragment , které se zbavují energie vypa ováním ástic (neutron , alfa) a úhlového momentu emisí E2 gamma kaskády podél Yrast linie. Charakteristická je souvislost mezi úhlem pooto ení a stupn m termalizace – disipace kinetické energie projektilu – pojem viskozity v kapkovém modelu, resp. zm nou N/Z (velmi rychlé) atd.

Hluboce nepružné reakce, experiment I

Hluboce nepružné reakce, experiment II

#

$%%%%%%% %%%%%%%%%%%%& ' )* +, '

# +

! "# ! #( $$-

)

F ze Reakce f ze vede k vytvo ení vysoce vzbuzeného rotujícího složeného jádra, které se zbavuje energie vypa ováním ástic (neutron , alfa) a úhlového momentu emisí E2 gamma kaskády podél Yrast linie. Pro vysoké hodnoty úhlového momentu nestabilita v i rotaci (kapkový model) vede k d lení složeného jádra (fusion-fission). Obdobn i vysoká hodnota excita ní energie m že vést k d lení. Pro celkový reak ní ú inný pr ez platí = 2 (2L+1) = 2 (Lcrit+1)2 = RF2 (1- V(RF) / ECM ) Fusion interaction barrier V(RF ) ∼ Z1Z2 / RF MeV, RF = A1 1/3 + A2 1/3 fm

D lení t žkých ter ových jader Fusion-fission

DI-fission Všechny typy reakcí vedou k d lení bu složeného jádra (fusion-fission) nebo ter ového fragmentu, pro celkový reak ní ú inný pr ez platí p ibližný vztah =

RGR2 (1- V(RGR) / ECM )=

V(RGR )= Z1Z2 / RGR MeV, RGR = 1.44 (A1 1/3 + A2 1/3 ) fm

2 (L

GR+1)

2

Spektra neutron z t íštivé reakce Rovnovážná složka

Experiment (tenký ter ), a srovnání s výpo ty pomocí Bertini INC (LAHET) a nov jší Cugnon INC (MCNPX).

Isotropic emission

A.Kugler NPI Rez, Czech Republic

.

/

/

0

1 02 3

Deexcitace vysoce vzbuzeného složené jádro s malým úhlovým momentem vede k izotropní emisi množství neutron . P ípadn d lení vede op t k vytvo ení vysoce vzbuzených fragment emise neutron . Celkový po et neutron ∼ E* (MeV) / 10

4 5# 4

20-30 neutrons

Spektra neutron z t íštivé reakce P edrovnovážná složka

Experiment (tenký ter ), a srovnání s výpo ty pomocí Bertini INC (LAHET) a nov jší Cugnon INC (MCNPX).

Anisotropic emission


P edrovnovážné etapy t íštivých reakcí Internuclear cascade, Exciton model

T íštivé reakce vytvá í po • vnitrojaderné kaskád a p edrovnovážné emisi odnášející ást energie primárního protonu • zbývá vysoce vzbuzené složené jádro s malým úhlovým momentem a E* < EP • vypa ení množství neutron , p ípadn d lení a vypa ení neutron s vysoce vzbuzených fragment • energie primárního protonu není celá použita na excitaci složeného jádra, pro po et neutron platí empirický vztah N=AT*(0.803+0.0336*ln(EP))

Yields of isotopes produced from spallation reactions experiment versus different codes


Yields of isotopes produced from spallation reactions detailed experiment data


Dob h proton v tlustém ter i •Energie svazku klesá EP, díky ioniza ním ztrátám dE/dx (Bethe-Bloch formule) Fit grafu v “Table of Isotopes-7th edition” dává pro Wolfram R~exp(3.43+1.1*ln(EP )) [cm] , => lze ur it závislost EP [GeV] ~ x [cm] • P esn jší je Monte-Carlo simulace 1,2000

1,0000

0,8000

0,6000

0,4000

EP

0,2000

0,0000 0,000

3,379

6,720

10,020

13,273

16,472

19,607

22,664

25,619

position cm

R


28,424

30,861

Intenzita protonového svazku v tlustém ter i •Pruchod ástic materiálem: interagující ástice zmizí ze svazku: NP (x) = N0 * exp(nj σ x ) = N0 * exp(-x/ ), st ední volná dráha = 1 / (nj σ) , po et jader v ter i na jednotku plochy nj , ú inný pr ez reakce = R2 ~ 10-24 cm2 = 1 barn ~200 [g/cm2] => 200 / 19.3 => ~ 10.4 [cm] pro Wolfram


Výt žek neutron z Wolframového tlustého ter e, model •Energie svazku klesá EP, díky ioniza ním ztrátám dob h proton ve Wolframu je

1,2000

1,0000

0,8000

R~exp(3.43+1.1*ln(EP )) [cm] , lze ur it závislost EP [GeV] ~ x [cm]

0,6000

0,4000

•Pr chod ástic materiálem: interagující ástice zmizí ze svazku: NP (x) = N0 * exp(-x/ ), ~ 10.4 [cm] pro Wolfram •ú inný pr

ez pro produkci neutron v t íštivé reakci,

N (EP)=AT*(0.803+0.0336*ln(EP)) Výt žek neutron v interak ním bod N(x) = N (EP) * NP (x) * nj


EP

0,2000

0,0000 0,000

3,379

6,720

10,020

13,273

16,472

19,607

22,664

25,619

position cm

R

28,424

30,861

Výt žek neutron z tlustého ter e, zjednodušený model

Celkový po et neutron / energie proton Ne utrons pe r Ge V Ter z Wolframu Po et neutron produkovaných v interak ním bod 15 sumárn na povrchu ter se zapo tením p ísp vk Ne utro ns pe r cm protony 1GeV, Ter z Wolframu 10

10

5 1 0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

0.8 GeV

50,000 0 1

0,1 -5

0,01

-10

0,001


2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12

13 14

15 16

17 18

19 20

Ur ení toku neutron aktiva ní metodou

P íklad spektra zá ení gama ozá ené fólie hliníku, prahová reakce 27Al(n, )24Na

Experimentální a nasimulovaná produkce radioaktivních jader podél olov ného ter e (svazek Ep=885 MeV)

Výt žek neutron z tlustého ter e, experiment


Literatura 1.

P.E.Hodgson, E.Gadioli and E.Gadioli Erba, Introductory Nuclear Physics, Oxford University Presss, 1997, ISBN 0 19 851989

2.

V.V.Volkov, Yadernye reakcii glubokoneuprugich peredacz, Energoizdat,1982 (in russian)

3.

A.Kugler, V.Wagner, C.Filip, Experimental study of neutron fields produced in proton reactions with heavy targets, 3rd INTERNATIONAL CONFERENCE ON ACELERATOR DRIVEN TRANSMUTATION TECHNOLOGIES AND APLICATIONS. (ADTTA99)

4.

J.Cugnon et al. Nucl.Phys.A625(1997) 729

5.

Jose Benlliure Basic nuclear data at high and intermediate energy for accelerator-driven systems, NuPECC workshop on Impact, Applications and Interactions of Nuclear Science, Dourdan, France November 2001

6.

M. Bernas et al., "FISSION RESIDUES PRODUCED IN THE SPALLATION REACTION 238U + p at 1 A GeV”, Nucl. Phys. A 725 (2003) 213-253

7.

J. Taieb et al., “EVAPORATION RESIDUES PRODUCED IN THE SPALLATION REACTION 238U + p at 1 A GeV”, Nucl. Phys. A 724 (2003) 413-430

tivé reakce jako intenzivní zdroj neutron pro ADTT

Recommend Documents