Die Ergebnisse des Chi-Nu-Physikexperiments im Los Alamos National Laboratory haben wesentliche, noch nie zuvor beobachtete Daten zur Verbesserung nuklearer Sicherheitsanwendungen, zum Verständnis der Kritikalitätssicherheit und zum Entwurf von Reaktoren für schnelle Neutronenenergie geliefert. Das Chi-Nu-Projekt, ein jahrelanges Experiment zur Messung des Energiespektrums von Neutronen, die bei der neutroneninduzierten Spaltung emittiert werden, hat kürzlich die detaillierteste und umfangreichste Unsicherheitsanalyse der drei wichtigsten Aktinidenelemente – Uran-238, Uran-235 und Plutonium – abgeschlossen. 239.
„Kernspaltung und damit verbundene nukleare Kettenreaktionen wurden erst vor etwas mehr als 80 Jahren entdeckt, und Experimentatoren arbeiten immer noch daran, ein vollständiges Bild der Spaltprozesse für die wichtigsten Aktiniden zu liefern“, sagte Keegan Kelly, Physiker am Los Alamos National Laboratory. „Im Verlauf dieses Projekts haben wir deutliche Signaturen von Spaltprozessen beobachtet, die in vielen Fällen in keinem früheren Experiment beobachtet wurden.“
Die letzte Chi-Nu-Studie des Los Alamos-Teams zum Isotop Uran-238 wurde kürzlich durchgeführt veröffentlicht In Körperliche Überprüfung C. Bei dem Experiment wurde das Neutronenspektrum der sofortigen Spaltung von Uran-238 gemessen: die Energie des Neutrons, das die Spaltung auslöst – das Neutron, das auf einen Kern prallt und ihn spaltet – und die potenziell weitreichende Energieverteilung (das Spektrum) der dadurch freigesetzten Neutronen . Chi-Nu konzentriert sich auf die durch „schnelle Neutronen induzierte“ Spaltung mit einfallenden Neutronenenergien im Millionen-Elektronenvolt-Bereich, für die es typischerweise nur sehr wenige Messungen gab.
Wesentliche Daten für spaltungsbezogene Arbeiten
Zusammen mit ähnlichen Messungen an Uran-235 und Plutonium-239 sind die Ergebnisse der Chi-Nu-Experimente heute in vielen Fällen die wichtigste Quelle experimenteller Daten, die moderne Bemühungen zur Bewertung des Spektrums von Neutronen mit sofortiger Spaltung leiten. Die Daten fließen in nukleare Modelle, Monte-Carlo-Berechnungen, Berechnungen der Reaktorleistung und mehr ein.
Aktinidelemente und die Kettenreaktionen, die sie durchlaufen können, sind wichtig für Kernwaffen und Energiereaktoren. (Aktiniden sind die 15 Elemente, alle radioaktiv, mit einer Ordnungszahl von 89 bis 103.) Wenn ein Kern gespalten wird oder sich spaltet, werden mehrere Neutronen freigesetzt, die möglicherweise eine Spaltung benachbarter Kerne auslösen und so die Kettenreaktion auslösen. Die Wahrscheinlichkeit nachfolgender Reaktionen in der Kette hängt von der Energie der Spaltneutronen ab.
Das Chi-Nu-Experiment wurde in der Weapons Neutron Research Facility des Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE) durchgeführt und basierte auf einem hochentwickelten Gerät, das mehrere Energiebereiche testete. Der LANSCE-Protonenstrahl trifft auf ein Wolframziel und erzeugt Neutronen, die sich entlang einer Flugbahn zum Chi-Nu-Apparat bewegen. Wenn diese Neutronen auf das Uran-238-Isotop treffen, kann es zu einer Spaltung oder Spaltung des Uran-238-Kerns kommen, die aufgezeichnet wird.
Die durch das Spaltungsereignis emittierten Neutronen werden dann je nach Energiebereich des Experiments entweder im Flüssigszintillator oder in Lithiumglas-Detektorarrays gemessen, wobei beide Detektoren Lichtblitze aufzeichnen, die von den Neutronen in den Detektoren induziert werden.
Zukünftige Anwendungen von Chi-Nu-Fähigkeiten
Forscher skizzieren weiterhin das Gesamtbild der Aktinidenisotope. In angrenzenden Arbeiten sammelt und analysiert das Chi-Nu-Experimentalteam derzeit Daten zu Plutonium-240 und Uran-233.
Und da die Messungen des Office of Experimental Sciences nun abgeschlossen sind, möchte das Team die Fähigkeiten und Methoden, die es mit Spaltneutronenmessungen erworben hat, auf eine Reihe anderer Isotope anwenden. Sie verlagern ihre Bemühungen auch auf die Messung von Neutronen, die bei Neutronenstreureaktionen emittiert werden.
Bei diesen Reaktionen transportieren Neutronen ein Material und deponieren dabei Energie. Die emittierten Neutronen- und Gammastrahlenenergien und Winkelspektren werden zusammen mit der Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Reaktion gemessen, die typischerweise als Neutronenstreuungsquerschnitt bezeichnet wird.
Mehr Informationen:
KJ Kelly et al., Messung des U238(n,f)-Neutronenspektrums mit sofortiger Spaltung von 10 keV bis 10 MeV, induziert durch Neutronen mit 1,5–20 MeV Energie, Körperliche Überprüfung C (2023). DOI: 10.1103/PhysRevC.108.024603