Завершение эксперимента Чи-Ну укрепляет ядерную безопасность и энергетические реакторы
Проект Chi-Nu, это многолетний эксперимент по измерению энергетического спектра нейтронов, испускаемых в результате деления, вызванного нейтронами, недавно завершил наиболее подробный и обширный анализ неопределенностей трех основных актинидных элементов — урана-238, урана-235 и плутония 239. Эксперимент основывался на сложной аппаратуре, проверяющей несколько энергетических диапазонов. Пучок протонов LANSCE попадает на вольфрамовую мишень, генерируя нейтроны, которые направляются по траектории полета к аппарату Чи-Ну. Когда эти нейтроны сталкиваются с изотопом урана-238, может произойти событие деления или расщепление ядра урана-238, которое регистрируется.
Физик Киган Келли устанавливает мишень для подсчета деления, содержащую примерно 100 миллиграммов актинида, представляющего интерес для эксперимента Чи-Ну. В состав установки входят 54 жидкостных сцинтилляционных детектора нейтронов и 22 детектора из литиевого стекла для измерения нейтронов в различных энергетических диапазонах.
Фото: Национальная лаборатория Лос-Аламоса.
Результаты физического эксперимента Чи-Ну в Национальной лаборатории Лос-Аламоса предоставили важные, никогда ранее не наблюдавшиеся данные для улучшения приложений ядерной безопасности, понимания безопасности критичности и проектирования энергетических реакторов на быстрых нейтронах. Проект Chi-Nu, многолетний эксперимент по измерению энергетического спектра нейтронов, испускаемых в результате деления, вызванного нейтронами, недавно завершил наиболее подробный и обширный анализ неопределенностей трех основных актинидных элементов — урана-238, урана-235 и плутония 239.
«Ядерное деление и связанные с ним ядерные цепные реакции были открыты чуть более 80 лет назад, а экспериментаторы до сих пор работают над созданием полной картины процессов деления основных актинидов», — сказал Киган Келли, физик из Национальной лаборатории Лос-Аламоса. «На протяжении всего проекта мы наблюдали четкие признаки процессов деления, которые во многих случаях никогда не наблюдались ни в одном предыдущем эксперименте».
Последнее исследование Чи-Ну, проведенное командой из Лос-Аламоса, посвященное изотопу урана-238, было недавно опубликовано в журнале Physical Review C. В ходе эксперимента был измерен спектр мгновенных нейтронов деления урана-238: энергия нейтрона, вызывающего деление (нейтрона, который врезается в ядро и расщепляет его), а также потенциально широкое энергетическое распределение (спектр) в результате высвобождаемых нейтронов. Чи-Ну фокусируется на делении, вызванном «быстрыми нейтронами», с энергией падающих нейтронов в миллионах электронвольт, где обычно проводится очень мало измерений.
Важные данные для работ, связанных с делением ядер
Вместе с аналогичными измерениями урана-235 и плутония-239 результаты экспериментов Чи-Ню в настоящее время во многих случаях являются доминирующим источником экспериментальных данных, определяющих современные усилия по оценке спектра нейтронов мгновенного деления. Эти данные используются в ядерных моделях, расчетах Монте-Карло, расчетах производительности реакторов и т. д.
Актинидные элементы и цепные реакции, в которых они могут проходить, важны для ядерного оружия и энергетических реакторов. (Актиниды — это 15 элементов, все радиоактивные, с атомным номером от 89 до 103.) Когда ядро подвергается делению или расщеплению, высвобождается несколько нейтронов, потенциально вызывая деление соседних ядер, создавая цепную реакцию. Вероятность последующих реакций в цепочке зависит от энергии нейтронов деления.
Эксперимент Чи-Ну, проведенный в Центре исследования нейтронов оружия Лос-Аламосского нейтронного научного центра (LANSCE), основывался на сложной аппаратуре, проверяющей несколько энергетических диапазонов. Пучок протонов LANSCE попадает на вольфрамовую мишень, генерируя нейтроны, которые направляются по траектории полета к аппарату Чи-Ну. Когда эти нейтроны сталкиваются с изотопом урана-238, может произойти событие деления или расщепление ядра урана-238, которое регистрируется.
Нейтроны, испускаемые в результате деления, затем измеряются либо в жидкостном сцинтилляторе, либо в матрице детекторов из литиевого стекла, в зависимости от энергетического диапазона эксперимента, причем оба детектора регистрируют вспышки света, индуцированные внутри детекторов нейтронами.
Хайме Гомес (слева) и Киган Келли работают над постановкой эксперимента Чи-Ну, калибровкой расстояний до детекторов и установкой газопроводов для мишени для счета деления (в центре).
Фото: Национальная лаборатория Лос-Аламоса.
Будущее применение навыков Чи-Ну
Исследователи продолжают составлять полную картину изотопов актинидов. В рамках смежной работы экспериментальная группа Чи-Ну в настоящее время собирает и анализирует данные о плутонии-240 и уране-233.
И теперь, когда измерения, проведенные Управлением экспериментальных наук, завершены, команда надеется применить навыки и методологии, которые они приобрели при измерениях нейтронов деления, к ряду других изотопов. Они также переключают усилия на измерение нейтронов, испускаемых в результате реакций рассеяния нейтронов.
В этих реакциях нейтроны проходят через материал, выделяя при этом энергию. Энергия и угловые спектры испускаемых нейтронов и гамма-лучей измеряются вместе с вероятностью возникновения реакции, обычно называемой сечением рассеяния нейтронов.
