esk vysok uen technick v Praze Fakulta jadern

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská Katedra jaderných reaktorů Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov Milan Štefánik Školiteľ: Školiteľ-špecialista: Ing. Karel Katovský, Ph. D. Ing. Mitja Majerle, Ph. D.

Obsah prezentácie § Súčasný stav študovanej problematiky § Neutrónové zdroje s deutériovými a berýliovými terčmi § Fúzny program IFMIF § Ciele dizertačnej práce § Experimentálne zariadenie § § Terčové stanice neutrónového zdroja NG-2 na ÚJF AV ČR Výsledky dizertácie § Neutrónové pole zdroja p + D 2 O § Pozadie haly cyklotrónu U-120 M § Neutrónové pole zdroja p + Be § Záver § Využitie výsledkov 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 2

Súčasný stav študovanej problematiky § Stav neutrónových dát v energetickej oblasti nad 20 Me. V § § § Medzinárodný fúzny program IFMIF § § § Zdrojové reakcie p + D 2 O a p + Be na hrubých terčoch Nedostatok dát o neutrónových výťažkoch Rozdiely v tvaroch spektier meraných rôznymi autormi Dáta nad 20 Me. V nutné pre fúziu – QM a spojité spektrá Vplyv neutrónových polí na konštrukčné materiály budúcich fúznych reaktorov Nadväznosť na projekty ITER a DEMO Urýchľovačom riadené neutrónové zdroje NG-2 na ÚJF AV ČR § § Simulácia spektier a aplikácia neutrónového poľa zariadenia IFMIF na izochrónnom cyklotróne U‑ 120 M ÚJF AV ČR Spresnenie spektrálnych charakteristík existujúceho zdroja (p + D 2 O) a vývoj neutrónového poľa nového generátora (p + Be) 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 3

Súčasný stav – zdroje s D-terčom § § Celkovo dohľadané štyri záznamy (mimo ÚJF AV ČR) Merania zo 60. a 70. rokoch minulého storočia Intenzívne zväzky rýchlych neutrónov hlavne pre terapeutické ožarovacie aplikácie Parametre reakcie p + D: Q = -2, 22 Me. V, Eprah = 3, 34 Me. V Obr. 1: Spektrum neutrónov reakcie D(p, n)2 p pre Ep = 45, 5 Me. V (J. D. Margaziotis, Los Angeles) 16. 9. 2021 Obr. 2: Spektrum neutrónov reakcie D(p, n)2 p pre Ep = 50 Me. V (A. S. Clough) Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 4

Súčasný stav – zdroje s Be-terčom § § Neutrónové zdroje postavené väčšinou na zdrojových reakciách d + Be a p + Be Rozpory v tvaroch spektier Koncepcia hrubých terčov s bielym spektrom rýchlych neutrónov Parametre reakcie p + Be: Q = -1, 85 Me. V, Eprah = 2, 06 Me. V Obr. 3: Spektrum neutrónov reakcie p(30)+Be (S. W. Johnsen, Kalifornia) 16. 9. 2021 Obr. 4: Neutrónové spektrá reakcie p+Be (M. A. Lohn, Chalk River) Obr. 5: Neutrónové spektrá reakcie p+Be (H. J. Brede, Braunschweig) Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 5

Súčasný stav – zariadenie IFMIF § § IFMIF - International Fusion Material Irradiation Facility Zdroj s reakciou d(40) + Li a neutrónovým spektrom do 55 Me. V Skompletizovať novú databázu jadrových dát Test komponentov konštrukčných materiálov pre elektráreň DEMO Zväzok deuterónov Zväzok neutrónov Tekuté lítium Komory so vzorkami Obr. 7: Schéma usporiadania terča a ožarovacích komôr zariadenia IFMIF Obr. 6: Schéma Medzinárodného zariadenia pre ožarovanie fúznych materiálov IFMIF 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 6

Osnova § Súčasný stav študovanej problematiky § Neutrónové zdroje s deutériovými a berýliovými terčmi § Fúzny program IFMIF a FAFNIR § Ciele dizertačnej práce § Experimentálne zariadenie § § Terčové stanice neutrónového zdroja NG-2 na ÚJF AV ČR Výsledky dizertácie § Neutrónové pole zdroja p + D 2 O § Pozadie haly cyklotrónu U-120 M § Neutrónové pole zdroja p + Be § Záver § Využitie výsledkov 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 7

Ciele dizertačnej práce 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 8

Osnova § Súčasný stav študovanej problematiky § Neutrónové zdroje s deutériovými a berýliovými terčmi § Fúzny program IFMIF a FAFNIR § Ciele dizertačnej práce § Experimentálne zariadenie § § Terčové stanice neutrónového zdroja NG-2 na ÚJF AV ČR Výsledky dizertácie § Neutrónové pole zdroja p + D 2 O § Pozadie haly cyklotrónu U-120 M § Neutrónové pole zdroja p + Be § Záver § Využitie výsledkov 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 9

Experimentálne zariadenie § Výskumné ústavy v Řeži pri Prahe § Ústav jadrovej fyziky AV ČR, v. v. i. 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 10

Experimentálne zariadenie – zdroj NG 2 § § Terčové stanice pri cyklotróne U-120 M ÚJF AV ČR Vyvinuté a prevádzkované na OJR ÚJF AV ČR Zväzky protónov: Ep = 20 – 37 Me. V a Ip = 15 μA Zameraný na IFMIF, meranie a validáciu jadrových dát Obr. 10: Neutrónový zdroj s premenlivou energiou a spojitým spektrom z reakcie p+Be Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 11 Obr. 8: Neutrónový zdroj so spojitým spektrom zo zdrojovej reakcie p+D 2 O 16. 9. 2021 Obr. 9: Kvázi-monoenergetický zdroj s reakciou p+7 Li(C)

Osnova § Súčasný stav študovanej problematiky § Neutrónové zdroje s deutériovými a berýliovými terčmi § Fúzny program IFMIF a FAFNIR § Ciele dizertačnej práce § Experimentálne zariadenie § § Terčové stanice neutrónového zdroja NG-2 na ÚJF AV ČR Výsledky dizertácie § Neutrónové pole zdroja p + D 2 O § Pozadie haly cyklotrónu U-120 M § Neutrónové pole zdroja p + Be § Záver § Využitie výsledkov 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 12

Výsledky – pole zdroja p(37) + D 2 O § Neutrónový zdroj NG-2 bol vyvinutý pre programy ADTT a IFMIF § § Spektrum určované aktivačnou metódou a kódom SAND-II § § D 2 O terčová stanica a izochrónny cyklotrón U-120 M Aktivačné materiály: Al, Au, In, Nb, Ti, Fe, Ni, Y, Lu a Co Spektrum pôvodne publikované v roku 2008 § Neskôr zistený nefyzikálny priebeh v oblasti spektra pod 5 Me. V – potreba spresniť Obr. 11: Spektrum reakcie p + D 2 O zdroja NG-2 publikované v roku 2008 16. 9. 2021 Obr. 12: Bočný rez hlavou D 2 O-terčovej stanice v MCNPX modeli Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 13

Výsledky – pole zdroja p(37) + D 2 O § § Postupne vybudovaný nový MCNPX model ožarovacej sústavy Opätovná rekonštrukcia neutrónového poľa v 2 pozíciách od terča § § § 3 mm a 156 mm v prázdnej geometrii 25 reakcií s energetickými prahmi do 24 Me. V Overenie vysokoenergetickej a spresnenie nízkoenergetickej časti spektra Obr. 14: Neutrónové pole v lineárnej škále Obr. 13: Neutrónové pole generátora NG-2 so zdrojovou reakciou p(37) + D 2 O 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 14

Výsledky – pole zdroja p(37) + D 2 O § § Nástroj SAND-II, knižnice EAF, MCNPX apriórne spektrum Rozsah neutrónového spektra zdroja p(37) + D 2 O do 34 Me. V Stredná energia spektra 14 Me. V Presnosť rekonštrukcie sledovaná cez pomery C/E Obr. 15: Porovnanie pôvodného a nového spektra 16. 9. 2021 Obr. 16: Pomery C/E pre zrekonštruované spektrá reakcie p(37) + D 2 O Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 15

Výsledky – pole zdroja p(37) + D 2 O Obr. 17: Pomery spektier a reakčných rýchlostí pre dve ožarovacie pozície 16. 9. 2021 Obr. 18: Pomery spektier a reakčných rýchlostí pre dve ožarovacie pozície v log. škále Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 16

Výsledky – pozadie cyklotrónovej haly Obr. 19: Schéma geometrického usporiadania experimentu pre meranie pozadia cyklotrónovej haly 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 17

Výsledky – pozadie cyklotrónovej haly Obr. 20: Rozdelenie fluencie neutrónov z pozadia haly Obr. 22: Pomery C/E pre pozíciu č. 1 a č. 3 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 18

Výsledky – pole zdroja p(35) + Be Obr. 23: Be-terčová stanica s držiakom vzoriek 16. 9. 2021 Obr. 24: Schéma modelu ožarovacej sústavy s Be-terčom Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 19

Výsledky – pole zdroja p(35) + Be Obr. 25: Nové neutrónové pole zdroja p(35)+Be 16. 9. 2021 Obr. 26: Detail nízkoenergetickej časti spektra NG-2 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 20

Výsledky – pole zdroja p(35) + Be § § § Rekonštrukcia a MCNPX predikcia v dobrej zhode pre pozíciu 156 mm Presnosť sledovaná cez pomery C/E – blízke hodnote 1 Pomery reakčných rýchlostí a pomery spektier v dvoch pozíciách pre overenie správnosti rekonštrukcie Obr. 27: Pomery teoretických a experimentálne stanovených reakčných rýchlostí 16. 9. 2021 Obr. 28: Pomery reakčných rýchlostí a pomery spektier z dvoch ožarovacích pozícií Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 21

Výsledky – pole zdroja p(35) + Be § Nové prevádzkové skúsenosti z experimentu § § § Vplyv intenzívneho zväzku protónov na teleso terča Vznik útvaru pripomínajúceho natavený povrch Erózia a vznik nánosov na strane aktívne chladenej liehom Obr. 29: Vplyv 35 Me. V protónov na zadnú stranu Be-terča 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 22

Osnova § Súčasný stav študovanej problematiky § Neutrónové zdroje s deutériovými a berýliovými terčmi § Fúzny program IFMIF a FAFNIR § Ciele dizertačnej práce § Experimentálne zariadenie § § Terčové stanice neutrónového zdroja NG-2 na ÚJF AV ČR Výsledky dizertácie § Neutrónové pole zdroja p + D 2 O § Pozadie haly cyklotrónu U-120 M § Neutrónové pole zdroja p + Be § Záver § Využitie výsledkov 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 23

Záver § Spektrometria neutrónového poľa zdroja p(37) + D 2 O § Spresnenie nízkoenergetickej časti (pod 5 Me. V) a potvrdenie vysokoenergetickej časti spektra § Verifikované neutrónové spektrá pre dve pozície – 3 mm a 156 mm § Význam výsledkov: § Využitie zdroja NG-2 v programoch integrálnej validácie účinných prierezov § Experimentálna simulácia hlavnej energetickej časti spektra IFMIF § Testy radiačnej odolnosti elektroniky (napr. radiačný monitorovací systém pre ATLAS CERN) § Štúdium málo známej zdrojovej reakcie p + D 2 O § Neutrónové pozadie cyklotrónovej haly § Spektrum neutrónov pochádzajúcich od biologického tienenia mimo os priameho zväzku popísané analytickou funkciou 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 24

Záver § Spektrometria neutrónového poľa zdroja p(35) + Be § Vyvinuté nové neutrónové pole § Znalosť neutrónových spektier pre dve pozície – 15 mm a 156 mm § Získal sa nový intenzívny zdroj rýchlych neutrónov § Nové prevádzkové skúsenosti pre budované pracovisko TR-24 § Možnosť náhrady zdroja p + D 2 O zdrojom p + Be § Význam výsledkov (podobne ako v prípade p + D 2 O): § Meranie a spresňovanie polí generátora NG-2 je aktuálnou témou vzhľadom na zapojenie zdroja do programov integrálnej validácie neutrónových dát pre jadrové a termojadrové technológie § Výstupy: 9 publikácií s IF - z toho 4 ako hlavný autor 8 ďalších publikácií v SCOPUS/Wo. S - z toho 4 ako hlavný autor 17 prezentácií na konferenciách a workshopoch 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 25

Zoznam publikácií Publikácie v odborných časopisoch s impakt faktorom 1. M. Štefánik, P. Bém, M. Götz, K. Katovský, M. Majerle, J. Novák, and E. Šimečková: Neutron Spectrum Determination of the p(35 Me. V)-Be Source Reaction by the Dosimetry Foils Method (NUCLEAR DATA SHEETS (2014), ISSN 0090 -3752) Impakt faktor: 3, 353 2. M. Štefánik, P. Bém, M. Götz, K. Katovský, M. Majerle, J. Novák, and E. Šimečková: High-Flux White Neutron Source Based on p(35)-Be Reactions for Activation Experi-ments at NPI (RADIATION PHYSICS AND CHEMISTRY (2014), ISSN 0969 -806 X) Impakt faktor: 1, 189 3. M. Štefánik, K. Katovský, M. Vinš, J. Šoltés, and L. Závorka: Neutron Field for Acti-vation Experiments in Horizontal Channel of Training Reactor VR-1 (RADIATION PHYSICS AND CHEMISTRY (2014), ISSN 0969 -806 X) Impakt faktor: 1, 189 4. M. Majerle, P. Bem, U. Fischer, M. Honusek, J. Novak, S. Simakov, E. Simeckova, M. Stefanik: Fast Neutron Laboratory of the NPI Rez: Quality Assurance of Neutron Fields from p+Li/C Target (NUCLEAR DATA SHEETS (2014), ISSN 0090 -3752) Impakt faktor: 3, 353, rok: 2013 5. D. Ekendahl, V. Bečková, V. Zdychová, B. Bulánek, Z. Prouza, M. Štefánik: Accidental neutron dosimetry with human hair (RADIATION PHYSICS AND CHEMISTRY (2014), ISSN 0969 -806 X) Impakt faktor: 1, 189, rok: 2013 6. M. Avrigeanu, V. Avrigeanu, P. Bém, U. Fischer, M. Honusek, A. J. Koning, J. Mrázek, E. Šimečková, M. Štefánik, L. Závorka: Low-energy deuteron-induced reactions on 93 Nb (PHYSICAL REVIEW C, Roč 88 (2013), 014612, 14 pages, ISSN 0556 -2813) Impakt faktor: 3, 881, rok: 2013 7. M. Štefánik, K. Katovský: Project of New Irradiation System on Horizontal Channel of Training Reactor VR-1 (JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY, Roč. 59, č. 2 (2011), ISSN 0374 -4884) Impakt faktor: 0, 478, rok: 2010 8. E. Šimečková, P. Bém, M. Honusek, M. Štefánik, U. Fischer, S. P. Simakov, R. A. Forrest, A. J. Koning, J. -C. Sublet, M. Avrigeanu, F. L. Roman, V. Avrigeanu: Low and medium deuteron-induced reactions on 63, 65 Cu nuclei (PHYSICAL REVIEW C, Roč. 84 (2011), 014605/1– 014605/12, ISSN 0556 -2813) Impakt faktor: 3, 416, rok: 2010 9. J. Novák, P. Bém, M. Götz, M. Honusek, E. Šimečková, M. Štefánik, U. Fischer and S. P. Simakov: Spectral flux of the p-7 Li(C) quasi-monoenergetic neutron source measured by proton-recoil telescope (JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY, Roč. 59, 2 (2011), s. 1577– 1580, stanovenie ISSN 0374 -4884) Impakt faktor: 0, 478, rok: 2010 16. 9. č. 2021 Experimentálne spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 26

Zoznam publikácií Ďalšie publikácie s SCI indexom v databázach SCOPUS a Wo. S 1. M. Štefánik, P. Bém, M Götz, M. Honusek, K. Katovský, M. Majerle, J. Novák, E. Šimečková, F. Veselý: Accelerator driven p(37)D 2 O fast neutron source at NPI Řež (PROCEEDINGS OF THE 2014 15 TH INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE ON ELECTRIC POWER ENGINEERING, Brno (2014), ISBN: 978 -1 -4799 -3806 -3) 2. G. -F. Dalla Betta, M. Boscardin, S. Carturan, . . . , M. Štefánik, J. Vacík et al. : Hybrid detectors of neutrons based on 3 D silicon sensors with Poly. Siloxane converter (60 TH IEEE NUCLEAR SCIENCE SYMPOSIUM AND MEDICAL IMAGING CONFERENCE (2013), ISSN 10957863, ISBN 978 -147990534 -8) 3. P. Chudoba, S. Kilim, V. Wagner, J. Vrzalova, O. Svoboda, M. Majerle, M. Stefanik, M. Suchopar, A. Kugler, M. Bielewicz, E. Strugalska-Gola, M. Szuta, D. Hervas, T. Herman, B. Geier: Measurement of cross-sections of yttrium (n, xn) threshold reactions by means of gamma spectroscopy (PHYSICS PROCEDIA 59 (2014), ISSN 1875 -3892) 4. M. Štefánik, P. Bém, K. Katovský: The p-D 2 O Generator Neutron Spectrum Determi-nation by Multi-foil Activation Method (TRANSACTIONS OF ANS (2012), ISSN 0003 -018 X) 5. M. Štefánik, P. Bém, M. Honusek, K. Katovský, M. Majerle, J. Novák, and E. Šimečková: Experimental determination of Neutron Room Background at the NPI Cyclotron U-120 M (PROCEEDINGS OF THE 13 TH INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE ELECTRIC POWER ENGINEERING 2012, Vol. 2 (2012), ISBN 978 -80 -214 -4514 -7) 6. M. Štefánik, K. Katovský, M. Miletić, J. Šoltés, M. Vinš, and L. Závorka: Amount of Substance Determination by Neutron Activation Analysis at the CTU Training Reactor VR-1 (PROCEEDINGS OF THE 13 TH INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE ELECTRIC POWER ENGINEERING 2012, Vol. 2 (2012), ISBN 978 -80 -214 -4514 -7) 7. E. Šimečková, P. Bém, M. Götz, M. Honusek, J. Mrázek, J. Novák, M. Štefánik, L. Závorka, M. Avrigeanu, V. Avrigeanu: 65 Cu(d, p)66 Cu excitation function at deuteron energies up to 20 Me. V (EFNUDAT – MEASUREMENTS AND MODELS OF NUCLEAR RE-ACTIONS, EPJ WEB OF CONFERENCES, Volume 8, 07002 (2010) ISSN 2100 -014 X, ISBN 978 -2 -7598 -585 -3) 8. J. Novák, P. Bém, U. Fischer, M. Götz, M. Honusek, S. P. Simakov, E. Šimečková, M. Štefánik: Spectral flux of the p-7 Li(C) Q-M neutron source measured by proton recoil telescope (EFNUDAT – MEASUREMENTS AND MODELS OF NUCLEAR REACTIONS, EPJ WEB OF CONFERENCES, Volume 8, 07002 (2010) ISSN 2100 -014 X, ISBN 978 -2 -7598 -585 -3) 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 27

Zoznam vystúpení na konferenciách Päť najvýznamnejších vystúpení na konferenciách § Neutron Spectrum Determination of the p(35 Me. V)-Be Source Reaction by the Dosimetry Foils Method, INTERNATIONAL NUCLEAR DATA CONFERENCE FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY ND 2013, New York (2013) § High-Power p(35)-Be White Neutron Source for Activation Experiments at NPI, 1 ST INTERNATIONAL CONFERENCE ON DOSIMETRY AND ITS APPLICATIONS, Prague (2013) § Experimental validation of IRDFF cross-sections in quasi-monoenergetic neutron fluxes in 20 – 35 Me. V energy range, FIRST RESEARCH COORDINATION MEETING ON TESTING AND IMPROVING THE INTERNATIONAL REACTOR DOSIMETRY AND FUSION FILE (IRDFF), International Atomic Energy Agency (IAEA), Vienna (2013) § The p-D 2 O Generator Neutron Spectrum Determination by Multi-foil Activation Method, ANNUAL MEENTING OF AMERICAN NUCLEAR SOCIETY, Chicago (2012) § Project of New Irradiation System on Horizontal Channel of Training Reactor VR-1, INTERNATIONAL CONFERENCE ON NUCLEAR DATA FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY ND 2010, Jeju Island, Republic of Korea (2010) 16. 9. 2021 Experimentálne stanovenie spektier urýchľovačom riadených neutrónových generátorov 28

Ďakujem za pozornosť.