Využití tříštivých reakcí Využití tříštivých reakcí k produkci neutronů pro k produkci neutronů pro

transmutaci radionuklidů transmutaci radionuklidů – experiment deuterony – experiment deuterony

2,52 GeV –2,52 GeV –

6. 12. 2006 Řež

Ondřej Ondřej SvobodaSvoboda

2

Obsah prezentaceObsah prezentace

• ÚvodÚvod• Spalační reakceSpalační reakce• Experimenty – společný úvodExperimenty – společný úvod• Deuterony 2,52 GeVDeuterony 2,52 GeV• ZávěrZávěr

3

Úvod – projekt „Energy plus Úvod – projekt „Energy plus Transmutation“Transmutation“

• Projekt „E+T“ se zabývá využitím Projekt „E+T“ se zabývá využitím urychlovačů k transmutacím a k urychlovačů k transmutacím a k produkci energie.produkci energie.

• Doposud byla v rámci projektu provedena Doposud byla v rámci projektu provedena celá řada experimentů v oblastech:celá řada experimentů v oblastech:

- - terčových materiálů a vhodné geometrieterčových materiálů a vhodné geometrie

- zdroje nabitých částic s ohledem na jejich - zdroje nabitých částic s ohledem na jejich vydatnost a vydatnost a dosahované energie dosahované energie

- transmutační schopnosti systémů (jodové - transmutační schopnosti systémů (jodové vzorky)vzorky)

- složitější sestavy s uranovým blanketem- složitější sestavy s uranovým blanketem

4

Současný stav výzkumu Současný stav výzkumu ve světěve světě

V současné době je naplánována celá řada experimentů V současné době je naplánována celá řada experimentů se spalačními terči a rozsáhlým blanketem…se spalačními terči a rozsáhlým blanketem…

Ansaldo

Myrrha

Framatom

5

Přehled dalších plánovaných Přehled dalších plánovaných

experimentůexperimentů

Převzato z konference konané v Jaipur, Indie, leden 2006

Projekt, země Zaměření Energie ve svazku Účel Stav

TRASCOINFN Italy

transmutace30 MW

(1 GeV; 30 mA)ADS

tepelný výkon 1500 MWve vývoji

BARCIndie

transmutace, Th cyklus

30 MW (1 GeV; 30 mA)

ADS ve vývoji

CONCERTEvropa

víceúčelový5 MW

(1,3 GeV; 3,8 mA)demonstrační ADS projekt

Moscow Meson FactoryINR, Rusko

víceúčelovýdo 3 MW

(0,5 - 1 GeV; 0,1 - 3 mA)demonstrační ADS

tepelný výkon 4 - 6 MWnávrh

J-PARCJapan

víceúčelový750 kW

(600 MeV, 1 mA)lehkovodní reaktor ADStepelný výkon 800 MW

ve vývoji

Linac for ADSIHEP, China

víceúčelovýdo 450 kW

(50 - 150 MeV, 3 mA)XADS ve vývoji

KOMACTest Facility

HIPER KTF, Koreavíceúčelový

v první fázi 40 kW (20 MeV, 2 mA)

ADStepelný výkon 5 MW

ve výstavbě

ENNG - XADS ITEP, Russia

víceúčelový18 - 200 kW

(36 - 100 MeV, 0,5 - 2 mA)těžkovodní reaktor XADS

tepelný výkon 100 kWve výstavbě

Kart - XADS KURRI, Japan

víceúčelový20 - 150 kW

(20 - 150 MeV, 1 mikroA)XADS ve výstavbě

6

Tříštivé (spalační) Tříštivé (spalační) reakcereakce• Pro většinu transmutačních reakcí potřebujeme Pro většinu transmutačních reakcí potřebujeme

silná neutronová pole =silná neutronová pole =>> hledání vhodného zdroje hledání vhodného zdroje• Vysokoenergetické nabité částice produkují při Vysokoenergetické nabité částice produkují při

srážkách s jádry těžkých prvků mnoho neutronů srážkách s jádry těžkých prvků mnoho neutronů (tříštivé reakce)(tříštivé reakce)

7

““Energy plus Transmutation”Energy plus Transmutation”

8

Hlavní cíle experimentuHlavní cíle experimentu• Studium spalačních reakcí a hustot Studium spalačních reakcí a hustot

neutronových toků ve velkých systémech neutronových toků ve velkých systémech terče a blanketuterče a blanketu

• Srovnání experimentálních výsledků se Srovnání experimentálních výsledků se simulacemi a vyvození závěrů z hlediska simulacemi a vyvození závěrů z hlediska použitých modelů a knihovenpoužitých modelů a knihoven

• Ověření účinných průřezů pro Ověření účinných průřezů pro vysokoenergetické neutronyvysokoenergetické neutrony

• Výzkum neutronové bilance a schopností Výzkum neutronové bilance a schopností multiplikace použitého blanketumultiplikace použitého blanketu

9

TerčTerč• Terč - tlustá olověná tyč (délka Terč - tlustá olověná tyč (délka

48 cm, průměr 8,4 cm), 48 cm, průměr 8,4 cm), rozdělená do 4 částírozdělená do 4 částí

• Aktivační detektory - umístěny Aktivační detektory - umístěny mezi jednotlivými částmi terče, mezi jednotlivými částmi terče, dále pak před, za i nad dále pak před, za i nad blanketemblanketem

• Terč byl obklopen přírodním Terč byl obklopen přírodním uranem ve formě válců (206,4 uranem ve formě válců (206,4 kg)kg)

• Celá sestava kryta v boxu, stěny Celá sestava kryta v boxu, stěny vyplněny polyethylenem vyplněny polyethylenem (biologické stínění)(biologické stínění)

• Stěny boxu vyloženy kadmiem Stěny boxu vyloženy kadmiem pro odstínění tepelných pro odstínění tepelných neutronůneutronů

10

Profil Profil svazkusvazku

• Před ozařováním -Před ozařováním - Polaroidové filmyPolaroidové filmy

• Během ozařování –Během ozařování – Cu Cu fólie (přímo fólie (přímo před terčem)před terčem)

11

Intenzita Intenzita svazkusvazku

• Kruhové monitory - Kruhové monitory - AlAl

• Čtvercové monitory – Čtvercové monitory – Al+Cu Al+Cu

10 x 10 cm10 x 10 cm22

12

Detekce vznikajících Detekce vznikajících neutronů (1)neutronů (1)

• Neutrony vznikající ve spalačních reakcích v terči Neutrony vznikající ve spalačních reakcích v terči byly měřeny metodou neutronové aktivační analýzybyly měřeny metodou neutronové aktivační analýzy

• Použité aktivační materiály - Au, Al, Bi, Co, Y, In a Použité aktivační materiály - Au, Al, Bi, Co, Y, In a Ta fólieTa fólie

• Parametry: hmotnost Parametry: hmotnost ~~ 1 g, tlouš 1 g, tloušťťka ka ~~ 0,1 mm (v 0,1 mm (v závislosti na materiálu fólie), celkem cca 100 kuszávislosti na materiálu fólie), celkem cca 100 kusůů

Al Au Bi

Co In

Ta

13

ReakcePrahová

energie [MeV]Poločas rozpadu

181Ta (n,2n) 180Ta 7,6 8,152 h181Ta (n,3n) 179Ta 14,3 1,82 y181Ta (n,4n) 178Ta 22,2 9,31 min181Ta (n,5n) 177Ta 29,1 56,56 h181Ta (n,6n) 176Ta 37,5 8,09 h181Ta (n,7n) 175Ta 44,4 10,5 h

115In (n,) 116mIn 0 54 min115In (n,2n) 114mIn 9,1 49,5 d115In (n,3n) 113In 16,2 Stabilní115In (n,4n) 112In 25,9 14,97 min115In (n,5n) 111In 33,7 2,8 d115In (n,6n) 110In 43,8 4,9 h115In (n,7n) 109In 51,2 4,2 h

Detekce vznikajících Detekce vznikajících neutronů (2)neutronů (2)

14

Vyhodnocení Vyhodnocení fóliífólií

• Fólie byly Fólie byly proměřenyproměřeny na na HPGe detektoruHPGe detektoru

• Vyhodnocení naměřených Vyhodnocení naměřených spekter jsem provedl spekter jsem provedl pomocí programu pomocí programu Deimos32, který fituje Deimos32, který fituje gama-píky Gaussovou gama-píky Gaussovou křivkoukřivkou

• Následovalo přiřazení píků Následovalo přiřazení píků k příslušným izotopůmk příslušným izotopům

• Výtěžky jednotlivých Výtěžky jednotlivých izotopů určeny s ohledem izotopů určeny s ohledem na všechny korekce na všechny korekce (rozpad během ozařování, (rozpad během ozařování, koincidence, koincidence, nerovnoměrné ozařování, nerovnoměrné ozařování, plošné zářiče..)plošné zářiče..)

15

Korekce na nerovnoměrné Korekce na nerovnoměrné ozařováníozařování

Nuclotron jako víceúčelový experimentální Nuclotron jako víceúčelový experimentální urychlovač bohužel nepracuje vždy zcela ideálně…urychlovač bohužel nepracuje vždy zcela ideálně…

isotop poločas rozpadu (h) Ba

198Au 64,68408 0,996444mSc 58,6 0,996224Na 14,959 0,9849191Au 3,18 0,9289

Výstup z integrátoru svazku na Nuclotronu

0,0E+00

5,0E+09

1,0E+10

1,5E+10

2,0E+10

2,5E+10

3,0E+10

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Sekundy od počátku ozařování

Inte

ns

ita

sv

azk

u

červen 2004, protony 0,7 GeV

16

Urychlovač NuclotronUrychlovač Nuclotron• Supravodivý urychlovač – až 12,8 GeV na proton, Supravodivý urychlovač – až 12,8 GeV na proton,

respektive 6 GeV na nukleon (možnost urychlování respektive 6 GeV na nukleon (možnost urychlování jader až po uran)jader až po uran)

• Extrakční doba 10 sExtrakční doba 10 s• Intenzita svazku 10Intenzita svazku 1088 až 10 až 101111

• Supravodivé magnety ze slitiny NbTi – chlazeny na 4,5 KSupravodivé magnety ze slitiny NbTi – chlazeny na 4,5 K• Obvod 251,5 m, hmotnost chlazených magnetů přes 80 Obvod 251,5 m, hmotnost chlazených magnetů přes 80

tuntun• Stále se čeká na rekonstrukci + stavba boosteruStále se čeká na rekonstrukci + stavba boosteru

  

17

Experiment – Deuterony Experiment – Deuterony 2,52 GeV2,52 GeV

18

Svazek – deuterony 2,52 Svazek – deuterony 2,52 GeVGeV

19

Monitory svazku - reakceMonitory svazku - reakce

• na Al monitorech svazku – reakce na Al monitorech svazku – reakce 2727Al(d,3p2n)Al(d,3p2n)2424Na, Na, pouze jediná experimentální hodnota účinného pouze jediná experimentální hodnota účinného průřezu: 15,25 průřezu: 15,25 ±± 1,50 mbarn (2330 MeV) 1,50 mbarn (2330 MeV)

• na Cu monitorech svazku – detekovány izotopy na Cu monitorech svazku – detekovány izotopy 5858Co, Co, 5656Co, Co, 5555Co, Co, 5252Mn, Mn, 4848Cr, Cr, 4848Sc, Sc, 44m44mSc, Sc, 5757Ni, Ni, 4848V, V, 4343K, K, 6161Cu, žádná experimentální data k účinným Cu, žádná experimentální data k účinným průřezům!!!průřezům!!!

=>=> Cu monitory svazku pouze pro relativní Cu monitory svazku pouze pro relativní porovnáníporovnání

σANx

NN

A

jaderd

)izotop(

20

Monitory svazku - Monitory svazku - výsledkyvýsledky

• 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

21

Podélná distribuce produkovaných Podélná distribuce produkovaných izotopů na Au a Al fóliích – 3 cm od izotopů na Au a Al fóliích – 3 cm od

osy terčeosy terče

3 cm from the target axis

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

0 10 20 30 40 50

Vzdálenost od počátku terče [cm]

Vý

těže

k [

1/g

*d]

198Au 196Au 194Au 193Au 192Au 24Na

22

Radiální distribuce Radiální distribuce produkovaných izotopů na Au a produkovaných izotopů na Au a

Al fóliích – první mezeraAl fóliích – první mezera

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

2 4 6 8 10 12Vzdálenost od osy terče [cm]

Vý

těže

k [

1/g

*d]

198Au 196Au 194Au 193Au 192Au 24Na

23

Radiální distribuce Radiální distribuce produkovaných izotopů na In produkovaných izotopů na In

fóliích – první mezerafóliích – první mezera

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

2 4 6 8 10 12

Vzdálenost od osy terče [cm]

Vý

těže

k [

1/g

*d]

116mIn 115mIn 114mIn 111In 109In

24

ZávěrZávěr• Cílem experimentů je:Cílem experimentů je: studium rozložení neutronového pole v studium rozložení neutronového pole v

sestavě sestavě simulace sestavy pomocí simulace sestavy pomocí MCNPXMCNPX

porovnání získaných výsledků porovnání získaných výsledků • Pro protony získána slušná systematika, nyní se Pro protony získána slušná systematika, nyní se

pokusíme naměřit i pro deuteronypokusíme naměřit i pro deuterony• Vyhodnocení experimentu s deuterony 2,52 GeV Vyhodnocení experimentu s deuterony 2,52 GeV

prakticky hotovo, nyní simulace v MCNPXprakticky hotovo, nyní simulace v MCNPX• Další experiment je plánován na prosinec 2006 – Další experiment je plánován na prosinec 2006 –

deuterony 4 GeVdeuterony 4 GeV

Děkuji za Vaší pozornost…