Studium tříštivých reakcí, produkce a transportu neutronův terčích vhodných pro produkci neutronů k transmutacím

Filip Křížek

Vedoucí diplomové práce: RNDr. Vladimír Wagner, CSc.

Co se ukrývá ve vyhořelém jaderném palivu ?

Štěpný fragment

T1/2

[roky]Hmotnost

[kg]

Transuran T1/2

[roky]Hmotnost

[kg]79Se 6,5 104 0,17 238Pu 88 4,5285Kr 10,7 0,39 239Pu 2,4 104 16690Sr 28,8 13,4 240Pu 6,6 103 76,793Zr 1,5 106 23 241Pu 14,4 25,499Tc 2,1 105 25 242Pu 3,8 105 15,5

107Pd 6,5 106 7,3 237Np 2,1 106 14,5126Sn 1 105 0,96 241Am 432 16,6

129I 1,6 107 5,8 242mAm 141 0,022135Cs 3 106 9,4 243Am 7,4 103 2,99137Cs 30 32 243Cm 28,5 0,011

Roční produkce štěpných fragmentů a transuranů v lehkovodním reaktoru s výkonem 3 GW.

Pozor: Silná neutronová polezkracují život!

Urychlovačem řízené transmutační technologie (ADTT)

•Urychlovačem řízená transmutace odpadu.•Urychlovačem řízená produkce energie.

•Urychlovačem řízená přeměna plutonia. •Urychlovačem řízená produkce tritia.

Projekt elektrárny založené na principu ADTT

Experiment na urychlovači Nuklotron v SÚJV Dubna

•Experiment proběhl v roce 2001.•Ozařoval se tlustý olověný terč, který byl obklopen blanketem z uranových prutů. Celková hmotnost této sestavy přesáhla 200 kg.•Energie svazkových protonů byla 1,5 GeV.•Ozařování trvalo cca 12 hod. •Integrální protonový tok za celé ozařování byl

Tomu odpovídá proud cca 40 pA.•Cíle experimentu: - studium neutronového pole v sestavě, - průběh transmutace radioaktivních vzorků, - produkce tepla v sestavě.

Olověný terč s blanketem z přírodního uranu

Celkový náhled na experimentální sestavu

Metoda aktivačních detektorů

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200

E [MeV]

účin

ný p

růře

z [m

barn

]

209Bi(n,5n)205Bi

Fredholmova rovnice

V aktivačním detektoru sledujeme reakce typu (n,), (n,2n), (n,3n), ...

Umístění aktivačních detektorů v sestavě

•Sendviče obsahovaly fólie Al, Au, Co a Bi.

•Rozměr fólií byl 2 cm × 2 cm.

aktivační reakce

Etresh

[MeV]aktivační reakce

Etresh

[MeV]27Al(n,)24Na 5,5 197Au(n,7n)191Au 45,759Co(n,)60Co - 197Au(n,9n)189Au 62,6

59Co(n,2n)58Co 10,6 209Bi(n,4n)206Bi 22,659Co(n,3n)57Co 19,4 209Bi(n,5n)205Bi 29,659Co(n,4n)56Co 30,9 209Bi(n,6n)204Bi 38,159Co(n,5n)55Co 41,2 209Bi(n,7n)203Bi 45,2197Au(n,)198Au - 209Bi(n,8n)202Bi 54,0

197Au(n,2n)196Au 8,1 209Bi(n,9n)201Bi 61,4197Au(n,4n)194Au 23,5 209Bi(n,10n)200Bi 70,8197Au(n,5n)193Au 30,2 209Bi(n,11n)199Bi 78,4197Au(n,6n)192Au 38,9 209Bi(n,12n)198Bi 87,9

Sledované aktivační reakce

Vyhodnocování gama spekter programem DEIMOS

HPGe gama spektrometrfirmy Ortec

Grafické prostředíprogramu DEIMOS

Výtěžek (Nyield) je počet vyprodukovaných jader daného izotopu v aktivačím detektoru za celé ozařování vztažený na gram hmotnosti fólie a jeden svazkový proton.

Výpočet výtěžku

Ndet(E) - plocha píku přechodu s energií E určená DEIMOSemI(E) - absolutní intenzita přechodup(E) - píková efektivita detektoru COI - opravný faktor na efekty kaskádních koincidencítreal / tlive - oprava na mrtvou dobu detektorum I(p+) - součin hmotnosti fólie a celkového protonového toku - rozpadová konstanta sledovaného izotoput0 - čas od konce ozařovaní do začátku měřenítirr - délka ozařování

Výtěžky izotopů kobaltu v závislosti na vzdálenosti od čela terče

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

-10 10 30 50 70

Poloha podél terče [cm]

Výt

ěžek

(Nyield) 60Co

58Co

57Co

56Co

55Co

Výtěžky izotopů kobaltu v závislosti na radiálním směru

1,E-07

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

0 5 10 15

Vzdálenost od osy terče [cm]

Výt

ěžek

(Nyield)

60Co58Co57Co56Co

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70

Etresh [MeV]

Nyield

(0 c

m)

/Nyield

(50

cm)

NaCoAuBi

Tvrdnutí spektra neutronů

1,0E-08

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 1 10 100 1000 10000

E [MeV]

ne

utr

on

ov

ý t

ok

[M

eV

-1 p

roto

n-1

]

0 cm12,5 cm50 cm

Výsledek simulace neutronového toku v různých místech sestavy programem MCNPX

0

2

4

6

8

10

-10 10 30 50 70poloha podél terče [cm]

Nyi

eld (

194 A

u) [

*106 ] Experiment

Simulace

Porovnání experimentu se simulacemi provedenými MCNPX

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15

vzdálenost od osy terče [cm]

Nyi

eld

(194 A

u) [

*106 ] Experiment

Simulace

Porovnání experimentu se simulacemi programu MCNPX

Možné zdroje systematických chyb

0,024

0,025

0,026

0,027

0,028

0,029

0,03

0 2 4 6 8 10 12

číslo měření

píko

vá e

fekt

ivit

aBez obalu S obalem

•Simulace neurčitosti v definici geometrie měření.

•Kalibrace je provedena bodovými zářiči. Měřené vzorky jsou nebodové.

Závěr

•Experimentálně jsme studovali produkci neutronů v sestavě tvořené tlustým olověným terčem a blanketem z uranových prutů.

•Ke studiu energetického spektra neutronů v různých místech sestavy bylo použito metody aktivačních detektorů.

•Začali jsme provádět simulace chování sestavy pomocí programu MCNPX. Simulace dobře vystihují trendy závislostí výtěžků na radiálním a podélném směru. Oproti experimentu ale předpovídají rychlejší pokles produkce izotopů v radiálním směru.

•V roce 2003 jsem se v SÚJV Dubna zúčastnil přípravy a průběhu experimentu na stejné sestavě. Energie protonů byla 1 GeV. Další experiment s 2,5 GeV protony je plánován na rok 2004.