Transcript Využití tříštivých reakcí k produkci neutronů pro transmutaci radionuklidů – experiment s deuterony 2,52 GeV

Využití tříštivých reakcí
k produkci neutronů pro transmutaci
radionuklidů
– experiment deuterony 2,52 GeV –
Ondřej Svoboda
6. 12. 2006 Řež
Obsah prezentace
•
•
•
•
•
Úvod
Spalační reakce
Experimenty – společný úvod
Deuterony 2,52 GeV
Závěr
2
Úvod – projekt „Energy plus Transmutation“
•
•
Projekt „E+T“ se zabývá využitím urychlovačů k
transmutacím a k produkci energie.
Doposud byla v rámci projektu provedena celá řada
experimentů v oblastech:
- terčových
materiálů a vhodné geometrie
- zdroje nabitých částic s ohledem na jejich vydatnost a
dosahované energie
- transmutační schopnosti systémů (jodové vzorky)
- složitější sestavy s uranovým blanketem
3
Současný stav výzkumu ve světě
V současné době je naplánována celá řada experimentů se
spalačními terči a rozsáhlým blanketem…
Ansaldo
Framatom
Myrrha
4
Přehled dalších plánovaných experimentů
Projekt, země
Zaměření
Energie ve svazku
Účel
Stav
TRASCO
INFN Italy
transmutace
30 MW
(1 GeV; 30 mA)
ADS
tepelný výkon 1500 MW
ve vývoji
BARC
Indie
transmutace,
Th cyklus
30 MW
(1 GeV; 30 mA)
ADS
ve vývoji
CONCERT
Evropa
víceúčelový
5 MW
(1,3 GeV; 3,8 mA)
demonstrační ADS
projekt
Moscow Meson Factory
INR, Rusko
víceúčelový
do 3 MW
(0,5 - 1 GeV; 0,1 - 3 mA)
demonstrační ADS
tepelný výkon 4 - 6 MW
návrh
J-PARC
Japan
víceúčelový
750 kW
(600 MeV, 1 mA)
lehkovodní reaktor ADS
tepelný výkon 800 MW
ve vývoji
Linac for ADS
IHEP, China
víceúčelový
do 450 kW
(50 - 150 MeV, 3 mA)
XADS
ve vývoji
KOMAC
Test Facility
HIPER KTF, Korea
víceúčelový
v první fázi 40 kW
(20 MeV, 2 mA)
ADS
tepelný výkon 5 MW
ve výstavbě
ENNG - XADS
ITEP, Russia
víceúčelový
18 - 200 kW
(36 - 100 MeV, 0,5 - 2 mA)
těžkovodní reaktor
XADS
tepelný výkon 100 kW
ve výstavbě
Kart - XADS
KURRI, Japan
víceúčelový
20 - 150 kW
(20 - 150 MeV, 1 mikroA)
XADS
ve výstavbě
Převzato z konference konané v Jaipur, Indie, leden 2006
5
Tříštivé (spalační) reakce
•
•
Pro většinu transmutačních reakcí potřebujeme silná
neutronová pole => hledání vhodného zdroje
Vysokoenergetické nabité částice produkují při srážkách s
jádry těžkých prvků mnoho neutronů (tříštivé reakce)
6
“Energy plus Transmutation”
7
Hlavní cíle experimentu
•
•
•
•
Studium spalačních reakcí a hustot neutronových
toků ve velkých systémech terče a blanketu
Srovnání experimentálních výsledků se simulacemi
a vyvození závěrů z hlediska použitých modelů a
knihoven
Ověření účinných průřezů pro vysokoenergetické
neutrony
Výzkum neutronové bilance a schopností
multiplikace použitého blanketu
8
Terč
•
•
•
•
•
Terč - tlustá olověná tyč (délka 48 cm,
průměr 8,4 cm), rozdělená do 4 částí
Aktivační detektory - umístěny mezi
jednotlivými částmi terče, dále pak
před, za i nad blanketem
Terč byl obklopen přírodním uranem
ve formě válců (206,4 kg)
Celá sestava kryta v boxu, stěny
vyplněny polyethylenem (biologické
stínění)
Stěny boxu vyloženy kadmiem pro
odstínění tepelných neutronů
9
Profil svazku
•
Před ozařováním Polaroidové filmy
•
Během ozařování – Cu
fólie (přímo před terčem)
10
Intenzita svazku
•
Kruhové monitory - Al
•
Čtvercové monitory – Al+Cu
10 x 10 cm2
11
Detekce vznikajících neutronů (1)
•
•
•
Neutrony vznikající ve spalačních reakcích v terči byly
měřeny metodou neutronové aktivační analýzy
Použité aktivační materiály - Au, Al, Bi, Co, Y, In a Ta fólie
Parametry: hmotnost ~ 1 g, tloušťka ~ 0,1 mm (v závislosti
na materiálu fólie), celkem cca 100 kusů
Al
Au
Bi
Co
In
Ta
12
Detekce vznikajících neutronů (2)
Reakce
Prahová
energie [MeV]
Poločas
rozpadu
181Ta
(n,2n) 180Ta
7,6
8,152 h
181Ta
(n,3n) 179Ta
14,3
1,82 y
181Ta
(n,4n) 178Ta
22,2
9,31 min
181Ta
(n,5n) 177Ta
29,1
56,56 h
181Ta
(n,6n) 176Ta
37,5
8,09 h
181Ta
(n,7n) 175Ta
44,4
10,5 h
(n,g) 116mIn
0
54 min
(n,2n) 114mIn
9,1
49,5 d
115In
115In
115In
(n,3n) 113In
16,2
Stabilní
115In
(n,4n) 112In
25,9
14,97 min
115In
(n,5n) 111In
33,7
2,8 d
115In
(n,6n) 110In
43,8
4,9 h
115In
(n,7n) 109In
51,2
4,2 h
13
Vyhodnocení fólií
•
•
•
•
Fólie byly proměřeny na HPGe
detektoru
Vyhodnocení naměřených spekter
jsem provedl pomocí programu
Deimos32, který fituje gama-píky
Gaussovou křivkou
Následovalo přiřazení píků k
příslušným izotopům
Výtěžky jednotlivých izotopů
určeny s ohledem na všechny
korekce (rozpad během ozařování,
koincidence, nerovnoměrné
ozařování, plošné zářiče..)
14
Korekce na nerovnoměrné
ozařování
Nuclotron jako víceúčelový experimentální urychlovač bohužel
nepracuje vždy zcela ideálně…
isotop poločas rozpadu (h)
Au
44m
Sc
Na
24
191
Au
Výstup z integrátoru svazku na Nuclotronu
64,68408
0,9964
58,6
14,959
0,9962
0,9849
červen 2004, protony 0,7 GeV
3,18
0,9289
3,0E+10
Intensita svazku
198
Ba
2,5E+10
2,0E+10
1,5E+10
1,0E+10
5,0E+09
0,0E+00
0
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Sekundy od počátku ozařování
15
Urychlovač Nuclotron
•
•
•
•
•
•
Supravodivý urychlovač – až 12,8 GeV na proton, respektive
6 GeV na nukleon (možnost urychlování jader až po uran)
Extrakční doba 10 s
Intenzita svazku 108 až 1011
Supravodivé magnety ze slitiny NbTi – chlazeny na 4,5 K
Obvod 251,5 m, hmotnost chlazených magnetů přes 80 tun
Stále se čeká na rekonstrukci + stavba boosteru
16
Experiment – Deuterony 2,52 GeV
17
Svazek – deuterony 2,52 GeV
18
Monitory svazku - reakce
N jader (izotop )
Nd 
NA
 x
σ
A
•
na Al monitorech svazku – reakce 27Al(d,3p2n)24Na, pouze
jediná experimentální hodnota účinného průřezu:
15,25 ± 1,50 mbarn (2330 MeV)
•
na Cu monitorech svazku – detekovány izotopy 58Co, 56Co,
55Co, 52Mn, 48Cr, 48Sc, 44mSc, 57Ni, 48V, 43K, 61Cu, žádná
experimentální data k účinným průřezům!!!
=> Cu monitory svazku pouze pro relativní porovnání
19
Monitory svazku - výsledky
• celkový tok deuteronů přes
Al monitor – 6,4(7)x1012
• posun svazku: 0,3 cm dolů a
1,5 cm doprava
• profil svazku eliptický blízký
kruhu
20
Podélná distribuce produkovaných izotopů na
Au a Al fóliích – 3 cm od osy terče
1E-03
Výtěžek [1/g*d]
198Au
196Au
194Au
193Au
192Au
24Na
1E-04
1E-05
3 cm from the target axis
1E-06
0
10
20
30
Vzdálenost od počátku terče [cm]
40
50
21
Radiální distribuce produkovaných
izotopů na Au a Al fóliích – první mezera
1E-02
198Au
196Au
194Au
193Au
192Au
24Na
Výtěžek [1/g*d]
1E-03
1E-04
1E-05
1E-06
1E-07
2
4
6
8
Vzdálenost od osy terče [cm]
10
12
22
Radiální distribuce produkovaných
izotopů na In fóliích – první mezera
1E-02
116mIn
115mIn
114mIn
111In
109In
Výtěžek [1/g*d]
1E-03
1E-04
1E-05
1E-06
1E-07
2
4
6
8
10
12
Vzdálenost od osy terče [cm]
23
Závěr
•
•
•
•
Cílem experimentů je:
studium rozložení neutronového pole v sestavě
simulace sestavy pomocí MCNPX
porovnání získaných výsledků
Pro protony získána slušná systematika, nyní se pokusíme
naměřit i pro deuterony
Vyhodnocení experimentu s deuterony 2,52 GeV prakticky
hotovo, nyní simulace v MCNPX
Další experiment je plánován na prosinec 2006 – deuterony 4
GeV
Děkuji za Vaší pozornost…
24