Antonn Krsa Vedouc diplomov prce RNDr Vladimr Wagner

Antonín Krása Vedoucí diplomové práce : RNDr. Vladimír Wagner, CSc. Experimentální studium transmutace štěpných produktů • ADTT - Accelerator Driven Transmutation Technologies ATW - Accelerator Transmutation of Waste ADS - Accelerator Driven Systems • transmutace, spalační reakce • metoda aktivační analýzy • simulace (LAHET+MCNP)

Co je transmutace ? • obecně jakákoli přeměna, při které dochází ke změně ve složení atomového jádra • jiný počet neutronů v jádře = jiné fyzikální vlastnosti (poločas rozpadu, aktivita, energie záření atd. ) • jiný počet protonů v jádře = jiné chemické vlastnosti (odlišné chemické vazby, jiná reakční rychlost atd. ) • 1951 získali Sir John D. Cockroft a Ernest T. S. Walton Nobelovu cenu za transmutaci atomových jader

Jak vytvořit prostředí vhodné pro transmutaci jaderného odpadu? • vysoká intenzita neutronů, řádově 1016 n. cm-2. s-1 Jak získat takto silné toky? • použitím výkonného urychlovače - svazkem protonů o vysoké energii by ozařoval tlustý terč z vhodného materiálu tříštivé (spalační) reakce - v nich se produkuje velké množství částic a velký podíl tvoří právě neutrony

Programy simulující produkci neutronů a jejich transport • založeny na matematické metodě Monte Carlo • využívají různé fyzikální modely tříštivých reakcí a knihoven účinných průřezů reakcí neutronů s jádry • LAHET {Los Alamos High Energy Transport} - průběh spalační reakce, transport neutronů nad 20 Me. V MCNP {Monte Carlo Code for Neutron and Photon Transport} • nejnovější: MCNPX {Monte Carlo N-Particle Transport Code} - spojuje přednosti LAHETu a MCNP

Experiment • změřit průběh a intenzitu neutronového pole kolem tlustého olověného terče pomocí aktivačních detektorů • výsledky experimentu porovnat s výsledky simulací zjištění, které z existujících programů popisují reálnou situaci lépe a které jejich části je potřeba vylepšit • studium vlivu: – změn a zjednodušení v geometrii terče u provedených simulací – nepřesností v určení trajektorie, tvaru a intenzity svazku – směšování protonového a neutronového pole • různé geometrie a energie svazku (ÚJF Řež & SÚJV Dubna)

Spalační terč Moderátor Granulovaný polyetylén s příměsí bóru 100 100 cm Tepelná izolace Pěnový polystyrén 17. 6 17. 1 52. 6 cm Protonový svazek Pb terč d = 9. 8 cm, l = 50 cm 885 Me. V

Metoda aktivačních detektorů • tenké vícevrstevné folie (2 cm 50 μm) • Au – 197 Au (n, 2 n) 196 Au Ethres = 8, 5 Me. V – 197 Au (n, 4 n) 194 Au Ethres = 24, 5 Me. V – 197 Au (n, g) 198 Au • Al – 27 Al(n, α)24 Na Ethres = 5, 5 Me. V • Cu – reakce vysokoenergetických nukleonů – 63 Cu(n, γ)64 Cu • výhody: jednoduchost, umístění • nevýhody: neměří se přímo neutronové spektrum, složitější interpretace

Umístění aktivačních detektorů fólie 17, 6 cm terč polystyren 9, 6 cm 17, 1 cm

Produkce 198 Au, 196 Au, 194 Au a 24 Na ve foliích podél terče

Obsah rtuti ve zlatých fóliích • podezření: příměs Hg, která by mohla ovlivnit naměřené výsledky experiment: ozáření Au fólie neutronovým svazkem (v reaktoru LVR 15) a následné proměření γ-spekter detektorem (stejná metodika) • 197 Au (n, g) 198 Au 202 Hg (n, g) 203 Hg 109 Ag (n, g) 110 Ag 58 Fe (n, g) 59 Fe 191 Ir (n, g) 192 Ir • T 1/2 (203 Hg) = 46, 6 d T 1/2 (198 Au)= 2, 7 d 279, 194 ke. V • výsledek: izotop 203 Hg 192 Ir 198 Au 110 Ag 59 Fe 411, 8 ke. V relativní zastoupení 5. 10 -6 9. 10 -8 1 2. 10 -4 4. 10 -5 statistická chyba 2. 10 -6 3. 10 -8 0 1. 10 -4 2. 10 -5

Geometrie svazku • reakce vysokoenergetických protonů v Cu a Au (produkce 48 V, 52 Mn, 58 Co, 44 m. Sc, 47 Sc) • zjednodušující předpoklady: – centrální fólie plně zasažena – homogenní protonový svazek – kruhový průřez protonového svazku terč 3 cm fólie svazek • střed svazku posunut o 0, 8 cm napravo a 0, 8 cm dolů od osy terče (při pohledu ve směru pohybu svazku), poloměr svazku 3, 5 cm

Vliv geometrie svazku fólie terč svazek Vzdálenost fólií: 5 cm top 9, 3 cm top

Podíl protonů na produkci radioaktivních jader 27 Al(n, α)24 Na 27 Al(p, x)24 Na 197 Au(n, 2 n)196 Au Vzdálenost fólií: 5 cm top (např. (p, 3 np)) 197 Au(p, x)194 Au (např. (p, np), (p, d)) 197 Au(p, x)196 Au (např. (p, p 3 n), (p, t)) 9, 3 cm top

Vliv polystyrénu • polystyren funguje mírně jako absorbátor • např. 24 Na v Al fóliích:

Vliv polystyrénu a polyetylénu na prahové reakce • úplné simulace: berou v úvahu všechny části experimentálního uspořádání • jednoduché simulace: berou v úvahu pouze spalační terč

Porovnání simulací s výsledky experimentu prahové reakce neutronový záchyt

Závěr • studována produkce neutronů v reakcích relativistických protonů na tlustém olověném terči • průběh a intenzita neutronového pole měřena metodou aktivační analýzy • zjištěn významný vliv geometrie svazku • zjištěn významný vliv protonů na výtěžky aktivačních reakcí ~ 10 % • zjištěn malý vliv polystyrénu • zjištěn malý vliv tepelné izolace i moderátoru na produkci vysokoenergetických neutronů - v simulacích stačí započítat jen terč! • dobrá shoda experimentu se simulacemi prahových reakcí (větší rozdíly pouze ke konci terče) • větší odchylka v případě bezprahových reakcí bude třeba popsat realističtěji průběh účinných průřezů a provést simulace kódem MCNPX • důležité: důkladná analýza všech možných zdrojů systematických chyb, porovnání s experimenty při jiných energiích protonů

Forma zápisu statistické chyby _______ *) definitoricky 1, chyba (1%) započítána do chyb u ostatních izotopů, jejichž zastoupení je vztaženo k zastoupení 198 Au

Efektivní účinný průřez • rychlost reakce N - počet terčíkových jader - neutronový tok - účinný průřez • rychlost reakce • konvenční tok počet neutronů n s rychlostí v

Efektivní účinný průřez • absorpce snížení počtu neutronů • popsáno v LAHETu: • popis poměru pomocí eff: