presentación de powerpoint - rincón educativorinconeducativo.org/contenidoextra... · (japón) a....
Post on 04-Oct-2020
10 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Medidas de datos nucleares de interés para Tecnología Nuclear y
Astrofísica en n_TOF (CERN) y RIKEN (Japón)
A. Casanovas (UPC), F. Calviño (UPC), A.Tarifeño-Saldivia (UPC)
y el grupo ANT de la UPC
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Introducción• Quiénes somos
• Qué investigamos
– Reacciones nucleares que involucran neutrones
• Para qué
– Tecnología de reactores nucleares
– Astrofísica y nucleosíntesis (i.e. la producción de los elementos)
• Cómo lo hacemos
– Medidas de secciones eficaces en el experimento n_TOF del CERN
– Medidas con haces de iones exóticos con el experimento BRIKEN en RIKEN (Japón)
2
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
El grupo ANT
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 20183
Advanced Nuclear Technologies Research Group
Nuestro grupo tiene una larga experiencia en:
Instrumentación
Técnicas experimentales
Colaboraciones internacionales
Adrià Casanovas
Albert Riego
Ariel Tarifeño
Lluís Batet
Paco Calviño
Paula Salvador. NPL, United Kingdom)
Roger Caballero. TRIUMF, Canada
Vitaly Gorlychev, CEA, France
ANT
Carme Pretel
Guillem Cortes
Belen Gomez
De la tabla de los elementos…
4
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
…a la tabla de los nucleidos
5
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Z(número atómico)
Aluminio
Oxígeno
N (Número de neutrones)
Reacciones nucleares neutrón-núcleo• Fisión
• Captura
6
La emisión de más neutrones(2.4 neutrones por fisión de
media para el U-235) permite la posibilidad de una reacción
en cadena
Captura
Núcleo excitado(exceso de energía) Emisión de rayos
gamma
neutrón
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Introducción: reacciones nucleares con neutrones
• Desintegración beta con emisión de neutrones retardados
7
Desinte-gración
βelectrón
antineutrino
protón Núcleo excitado(exceso de energía) neutrónneutrón
Rayo gamma
Vida media “larga”: segundos-minutos
0,65% del total de neutrones emitidos en
la fisión el U-235
– Dispersión elástica e inelástica
– Y muchas otras, como producción de partículas cargadas (protones, partículas alfa…)
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
¿Qué investigamos?
8
Desinte-gración
βelectrón
antineutrino
protón Núcleo excitado(exceso de energía)
neutrónneutrón
Vidas medias de núcleos exóticos, 𝝀𝜷
Captura
Núcleo excitado(exceso de energía) Emisión de rayos
gamma
neutrón
• Desintegración beta con emisión de neutrones retardados
• Captura
Sección eficaz, 𝝈: medida de la
Probabilidad de captura
Probabilidad de emisión de neutrones
retardados, 𝑷𝒏
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
¿Para qué?
9
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
10
Tecnología nuclear
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
La importancia de los datos nucleares
• El control de la fisión, y por lo tanto de la producción de energía de un reactor nuclear se basa en el control su flujo de neutrones
• Para ello es necesario tener información precisa sobre:
– La probabilidad de interacción (fisión, captura) de un neutrón con los materiales del entorno
– La probabilidad de emisión de neutrones retardados
• Modelar los reactores de fisión actuales y su comportamiento
– Optimizar ciclos de combustible → mejorar rendimiento
– Producción de residuos (productos de fisión y actínidos menores)
• Diseñar los futuros reactores nucleares
11
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Secciones eficaces para tecnología
12
Figura Nucleosintesi (frecce che si muovono)
Foto FIC
239Pu: 125 Kg/yr
237Np: 16 Kg/yr
241Am:11.6 Kg/yr243Am: 4.8 Kg/yr
244, 245Cm1.5 Kg/yr
LLFP
LLFP76.2 Kg/yr
Quantities refer to yearly production in 1 GWe LW reactor
Como en las estrellas, los reactores nucleares producen energía a partir dereacciones nucleares (de momento, solo por fisión) y generan nuevos elementos:Combustible (breeding) o Residuos.
Reactores Nucleares: el
origen (artificial) de los
elementos transuránicos
s, l
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
13
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
El papel de los neutrones retardados
• Los reactores nucleares trabajan en “modo” crítico. Es decir un neutrón genera una fisión (reacción en cadena)
• Cualquier cambio genera una variación exponencial
• La criticidad no puede estar basada en los neutrones inmediatos (tiempos de respuesta demasiado pequeños) producidos por la fisión
• Los reactores se diseñan para que la criticidad se logre solamente después de añadir la pequeñísima contribución de los neutrones retardados
Group Half-Life (s) Decay Constant (s−1) Energy (keV)Yield, Neutrons per FissionFraction
1 55.72 0.0124 250 0.00052 0.0002152 22.72 0.0305 560 0.00546 0.0014243 6.22 0.111 405 0.00310 0.0012744 2.30 0.301 450 0.00624 0.0025685 0.614 1.14 - 0.00182 0.0007486 0.230 3.01 - 0.00066 0.000273
Pn
14
Astrofísica y nucleosíntesis
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
• Cuestión fundamental en astrofísica: origen de los elementos y de las abundancias observadas
Fusión en estrellasHe a Fe
Procesos de captura de neutronesZ>Fe
Primordial(Big Bang)
Datos nucleares para la astrofísica: nucleosíntesis
15
proceso s: escala temporal ~102-104 y; nn≈107-1011 (slow)
Proceso r: escala temporal ~μs; nn>1020
(rapid)
Rayos cósmicos
Procesos de captura de neutrones
Proceso de captura de protones
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Datos nucleares para astrofísica: proceso s
16
Rb
Ga
Ge
Zn
Co
Se
Br
As
Y
Sr
Kr
(n,g)
(b-)
(b+)
Fe
To 209Bi
...
Ni
La mitad de las abundancias de los
elementos pesados (desde el
hierro, Z=23, al bismuto, Z=83) se
producen por sucesivas reacciones
de captura y desintegración beta…
…en estrellas con 2-3
veces la masa del sol al
final de su vida (gigantes
rojas) y estrellas masivas
(8-10 masas solares)
Las secciones eficaces de captura determinan el patrón
final de abundancias
~30000 años
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Datos nucleares para la astrofísica
Predicciones del patrón de
abundancias
17
Datos de reacciones nucleares
Modelos computaciones
de evolución estelar
Observaciones y mediciones del
patrón de abundancias
• Abundancias solares
(fotosfera)
• Meteoritos
• Observacionesastronómicas
• Secciones eficaces
• Tasas de desintegración
=?
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
¿Cómo lo medimos?
18
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Medida de una sección eficaz
19
Captura
Núcleo excitado(exceso de energía)
Emisión de rayos gamma
Una fuente de neutrones de
alta intensidad
Un sistema de detección de la
reacción
• Experimento del CERN en funcionamiento desde 2001
• Colaboración internacional compuesta por 124 Investigadores de 49 instituciones de todo el mundo
• Además de reacciones de captura (n,γ), se miden reacciones de fisión (n,f) y de producción de partículas cargadas (n,p) y (n,α)
Una muestra
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
El experimento n_TOF del CERN
20
PS 20GeVLinac
50 MeV
Booster
1.4 GeV
n_TOF
EAR1
Proton beam
17GeV/c
7x1012 ppp
Pb Spallation target
Neutron beam at 10º
n_TOF EAR2
(vertical)
• n_TOF produce haces pulsados de neutrones, cuya energía se mide mediante la técnica del tiempo de vuelo
• Técnica del tiempo de vuelo:
𝐸𝑛 ≅72.29 𝐿2
𝑡1 − 𝑡02
𝑡0
𝑡1
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
~30x
EAR1(2001)
EAR2(2014)
Detectores de rayos gamma
Muestras
γ
γ
γ
4 cm boratedwater moderator
Target de espalación1 tonelada de plomo
Protones(LINAC + Booster +
PS)
20 GeV/c7 ns
20 m
185 m
El experimento n_TOF del CERN
Neutrones
Neu
tro
nes
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Medidas de la UPC en n_TOF
• 2015: Tl203(n,γ) y Tl204(n,γ):
– conjuntamente con el IFIC (CSIC-U. Valencia) y la U. de Sevilla
– Tl-204 radiactivo, medida muy compleja
– Algunos isótopos radiactivos son especialmente importantes para el proceso s– Measurement of the radiative capture cross section of the s-process branching points 204Tl and
171Tm at the n_TOF facility (CERN), EPJ W. of Conf., 178, 03004 (2018)
• 2018: Tl205(n,γ)– Responsables de la medida, realizada con éxito
22
Ambas medidas contribuirán a mejorar la comprensión de la
terminación del proceso s, a fijar las abundancias de Tl y Pb
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Datos nucleares para la astrofísica: el proceso r
23
r-process path
r-process abundances
lb << ln,g
tb >> tn,g
• La otra mitad de las abundancias de elementos pesados se crean en eventos explosivos como colisiones de estrellas de neutrones o supernovas
• De gran importancia para determinar el patrón final de abundancias debido al proceso r son las constantes de desintegración beta y la probabilidad de emisión de neutrones retardados
𝜆𝛽 𝑃𝑛
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Experimentos con haces radiactivos en RIKEN
Para determinar 𝜆𝛽 y 𝑃𝑛 se necesita:
• Producir los isótopos exóticos que se quiere medir
→ La instalación RIKEN-Nishima
• Disponer de un sistema de detección para poder medir las dos magnitudes a la vez
→ BRIKEN (Beta delayed neutrons at RIKEN)
24
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
25
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
El detector BRIKEN
• BRIKEN consiste principalmente en:
– Un sistema de detección de los iones radiactivos y su desintegración (AIDA)
– Un sistema de detección de los neutrones producidos → Diseño UPC
• 140 tubos detectores de neutrones en una matriz de polietileno
– Un software específico para detectar las coincidencias de ambos sucesos y procesar los datos → Desarrollado por el IFIC (CSIC-U. de Valencia)
26
• Colaboración internacional con más de 50 miembros de 14 instituciones
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
RIKEN-Nishima
• Haces radiactivos producidos por reacciones de fragmentación de un haz de U-238 contra un target de berilio
27
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Cómo se miden neutrones retardados
28
Desinte-gración
βelectrón
antineutrino
protón Núcleo excitado(exceso de energía)
neutrónneutrón
Haz radiactivo
Implantación y detección de la desintegración β
140 detectores para una alta eficiencia (~70%)
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
29
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Medidas de 𝑃𝑛 y 𝜆𝛽 precedentes
• R. Caballero-Folch, “Primeras medidas de emisores beta retardados más alla de N=126”, con el detector BELEN-30 en el GSI (Alemania), 2013-14
30
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Conclusiones
• Los datos de reacciones nucleares son fundamentales tanto para la tecnología nuclear como para la investigación más básica, en este caso astrofísica
• En física nuclear experimental, la colaboración con instituciones, tanto del país como internaciones, es imprescindible para lograr los resultados deseados
• Los institutos de investigación públicos españoles, a pesar de las muchas dificultades (de financiación en primer lugar), participan, e incluso lideran con éxito, experimentos en algunos de los centros de investigación en física nuclear punteros en el mundo
31
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
¡Gracias por su atención!
32
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
Sección eficaz (macroscópica)• La sección eficaz nuclear es la cantidad empleada para expresar la
probabilidad de suceso de una reacción nuclear
• La tasa de reacción Y será proporcional a:– El flujo de partículas entrantes
– La densidad de partículas del material
– El volumen (superficie por grosor del material) con el que interacciona el haz
• Así pues, definimos la sección eficaz como la relación entre la tasa de captura y las magnitudes mencionadas
• Tiene dimensiones de área
33
𝒀 ∝ 𝜙 𝑁𝑥 𝑆 Δ𝐿
DL
S
Ss
a
X
𝝈 =𝒀
𝜙 𝑁𝑥 𝑆 Δ𝐿
XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear
Madrid, 21-22 de septiembre de 2018
top related