Wie interagieren Neutronen mit Reaktormaterialien?

Viele Anwendungen beruhen auf globalen theoretischen Modellen darüber, wie Neutronen mit Kernen über einen weiten Bereich von einfallenden Neutronenenergien interagieren. Diese Anwendungen reichen von der Energieerzeugung über den Heimatschutz bis hin zu medizinischen Behandlungen. Wissenschaftler entwickeln diese Modelle, indem sie Berechnungen mit experimentellen Daten vergleichen. Die hervorragende Übereinstimmung zwischen Daten und Theorie zeigt, dass die Wechselwirkung zwischen dem Neutron und dem Material gut verstanden ist. Dieser Prozess hilft Wissenschaftlern, Vertrauen in ihr Verständnis der Kernkraft zu gewinnen, und hilft Ingenieuren, sicherere und effizientere Reaktoren und Scanner zu entwickeln.

Kohlenstoff und Silizium sind nur zwei dieser wichtigen Materialien, die am Accelerator Laboratory der University of Kentucky von einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Studenten der University of Kentucky, der United States Naval Academy, der Mississippi State University und der University of Dallas untersucht wurden. Die Energie- und Winkelabhängigkeit der Neutronenstreuung an diesen Materialien zeigt Bereiche auf, in denen Wissenschaftler theoretische Modelle verbessern können, insbesondere für angeregte Zustände in jedem Kern, was wiederum verbesserte Modelle für das Neutronenverhalten für viele verschiedene Anwendungen liefert.

Kernspaltungs- und Fusionsreaktoren verwenden die Elemente Kohlenstoff und Silizium als Abschirmungs- und Strukturmaterialien. Nuklearingenieure verwenden diese Elemente auch in Brennstoffen und in Neutronenmoderatoren, die die Geschwindigkeit von Neutronen steuern, um Kettenreaktionen aufrechtzuerhalten. Siliziumkarbid zum Beispiel kann als Ummantelung von Brennstoffen und als Beschichtung von Pellets verwendet werden, die vor Unfällen wie dem im Kraftwerk Fukushima Daiichi schützen. Neutronen sind die Treiber der nuklearen Energieerzeugungsprozesse. Daher ist es sehr wichtig zu verstehen, wie Neutronen von allen Reaktormaterialien gestreut werden. In dieser Forschung untersuchten Wissenschaftler die Wechselwirkung von Neutronen mit Silizium und Kohlenstoff.

Neutronen streuen von Kernen auf ähnliche Weise wie Bälle in einem Billardspiel, außer dass die Streuung von der Quantenmechanik sowie von der Erhaltung von Energie und Impuls bestimmt wird. Forscher benötigen detaillierte Kenntnisse darüber, wie diese ungeladenen Teilchen genau mit Materialien interagieren, da diese nuklearen Daten in Modellierungs- und Simulationssoftware eingebettet sind. Diese Daten bestimmen auch, wie gut ein System funktioniert. Das Forschungsteam maß die Energie- und Winkelabhängigkeit der Neutronenstreuung an Silizium und Kohlenstoff. Die Ergebnisse, veröffentlicht als zwei Artikel in Kernphysik Aliefern Antworten, die Wissenschaftler nur durch Experimente aufdecken können.