Study of the 240Pu(n,f) and 237Np(n,f) reaction cross sections at the new experimental area (EAR2) of the CERN n_TOF facility
Authors: Σταματόπουλος Αθανάσιος 
Published: September 2021

Τα τελευταία χρόνια περίπου το 10% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας προέρχεται από πυρηνικούς αντιδραστήρες μέσω αντιδράσεων σχάσης. Η χρήση όμως της πυρηνικής ενέργειας, παράτα πολλαπλά οφέλη, ακολουθείται από την συσσώρευση καταλοίπων, που είναι γνωστά ως πυρηνικά απόβλητα. Τα εν λόγω απόβλητα είναι ραδιενεργά με μεγάλους χρόνους ζωής, συνεπώς η διαχείρισή τους αποτελεί ένα μείζον ζήτημα για την σύγχρονη κοινωνία. Μια αποδοτική επίλυση, αποτελεί η ανακύκλωση των πυρηνικών αποβλήτων σε νέου τύπου αντιδραστήρες, οι οποίοι θα χρησιμοποιούν αυτό που έως τώρα θεωρούταν κατάλοιπο, ως πυρηνικό καύσιμο. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται αφενός η μετατροπή των μακρόζωων καταλοίπων σε βραχύβια και αφετέρου δίδεται η δυνατότητα να παραχθεί ενέργεια λόγω του επιπρόσθετου διαθέσιμου πυρηνικού καυσίμου. Η λειτουργία των εν λόγω νέου τύπου αντιδραστήρων (4ης γενιάς και Σύστημα Οδηγούμενο από Επιταχυντή-ADS) θα επιτυγχάνεται με την χρήση φάσματος ταχέων νετρονίων, συνεπώς η ακριβής γνώση των ενεργών διατομών σχάσης είναι ύψιστης σημασίας και προτεραιότητας, όπως αντικατοπτρίζεται στην Λίστα Αιτημάτων Υψηλής Προτεραιότητας (High Priority Request List) που έχει θεσπιστεί από την Υπηρεσία Πυρηνικής Ενέργειας (The Nuclear Energy Agency-NEA) και τον Οργανισμό Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (Organisation for Economic Co-operation and Development-OECD).Επιπρόσθετα της διαχείρισης των πυρηνικών αποβλήτων, η λειτουργία των νέου τύπου αντιδραστήρων είναι σημαντική καθώς τα διαθέσιμα κοιτάσματα Ουρανίου, το οποίο αποτελεί το πυρηνικό καύσιμο του σήμερα, αναμένονται είτε να στερέψουν ή να είναι ασύμφορη η εξόρυξή τους μέχρι το έτος 2050, συνεπώς εναλλακτικοί κύκλοι πυρηνικού καυσίμου πρέπει να χρησιμοποιηθούν. Τέλος, τα μελλοντικά εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας οφείλουν να διακρίνονται από μειωμένα περιθώρια ασφαλείας, τόσο κατά την λειτουργία τους όσο και ως προς επιθέσεις τρίτων με σκοπό την αρπαγή των πυρηνικών αποβλήτων για χρήση τους σε εκρηκτικές συσκευές. Οι νέου τύπου αντιδραστήρες, είναι σχεδιασμένοι να λειτουργούν σε υπό κρίσιμες συνθήκες συνεπώς δεν τίθενται ζητήματα υπερκρισιμότητας. Επιπλέον, τα ραδιενεργά κατάλοιπα, δεν θα απομακρύνονται από τον πυρήνα του αντιδραστήρα αφού η καύση τους θα πραγματοποιείται εντός του κατά την δημιουργία τους, συνεπώς θα είναι αδύνατη η αρπαγή τους. Το σχετικά μακρόζωο 240Pu , με χρόνο ημιζωής 6561 χρόνια, προκύπτει εντός του πυρήνα ενός αντιδραστήρα ως παραπροϊόν διαδοχικών συλλήψεων νετρονίων από 238U. Περίπου 60 kg 240Puπαράγονται ετησίως ανά αντιδραστήρα, ποσότητα που θεωρείται αρκετά σημαντική ώστε να θεωρηθείς εναλλακτική πηγή πυρηνικού καυσίμου, γεγονός που δικαιολογεί την ύπαρξή του στην Λίστα Αιτημάτων Υψηλής Προτεραιότητας, στην οποία ζητείται η ενεργός διατομή της σχάσης σε ένα εύρος ενεργειών από 500 eV - 6 MeV, με ακρίβεια από 3 − 13%.Το 237Np , λόγω του μεγάλου του χρόνου ημιζωής (2.1 εκατομμύρια χρόνια), χρησιμοποιείται ως στόχος αναφοράς σε πειράματα σχεδιασμού των νέου τύπου αντιδραστήρων, συνεπώς η όσο το δυνατόν ακριβέστερη γνώση της ενεργού διατομής του, για ενέργειες νετρονίων 200 keV - 20MeVαποτελεί ύψιστη προτεραιότητα για την μελέτη της λειτουργίας των εν λόγω αντιδραστήρων, γεγονός που αντικατοπτρίζεται στην Λίστα Αιτημάτων Υψηλής Προτεραιότητας όπου ζητείται η γνώση της ενεργού διατομής σχάσης με αβεβαιότητα μικρότερη από 3%.Η μελέτη των εν λόγω αντιδράσεων έλαβε χώρα στην νέα πειραματική εγκατάσταση EAR2 του πειράματος n_TOF στο CERN. Οι δύο αυτές αντιδράσεις, αποτελούν τις μοναδικές αντιδράσεις σχάσης που έχουν μελετηθεί στην EAR2 και μάλιστα η 240Pu(n,f) αποτέλεσε το πρώτο πείραμα που πραγματοποιήθηκε στην νέα αυτή κατακόρυφη πειραματική γραμμή, η οποία βρίσκεται εγκατεστημένη 19 m πάνω από έναν κυβικό στόχο Μόλυβδου. Για την ανίχνευση των θραυσμάτων σχάσης, χρησιμοποιήθηκε μια συστοιχία ανιχνευτών αερίου Micromegas, εκμεταλλευόμενη την εξαιρετική χρονική απόκριση και διαφάνεια στα νετρόνια που τους διακρίνει. Η ανάλυση των δεδομένων στην αντίδραση 240Pu(n,f), βασίστηκε σε ρουτίνες ανάλυσης σήματος παλμών και στον υπολογισμό μέσων κυματομορφών, ο οποίος επιτεύχθηκε με την ανάπτυξη των αντίστοιχων προγραμμάτων, τα οποία έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί σε άλλες πραγματοποιθείσες μετρήσεις στο πλαίσιο της συνεργασίας n TOF. Προσομοιώσεις με την μέθοδο Monte-Carloπραγματοποιήθηκαν συνδυάζοντας τους κώδικες GEF και FLUKA για την εκτίμηση της ανιχνευτικής απόδοσης. Η εκτεταμένη και προσεκτική ανάλυση δεδομένων, ακολουθούμενη από λεπτομερή ανάλυση της ευαισθησίας των εκάστοτε διορθώσεων, έδωσαν τελικά μια ενεργή διατομή σε ένα ευρύ φάσμα ενέργειας από 9 meV έως 6 MeV, που εκτείνεται σε 9 τάξεις μεγέθους, καθώς και έναν πρακτικό οδηγό σχετικά με τον τρόπο διεξαγωγής μετρήσεων σχάσης και ανάλυσης δεδομένων στηνEAR2.Το πειραματικά δεδομένα είναι τα μόνα που διακρίνονται από ικανοποιητική ενεργειακή διακριτική ικανότητα στο εύρος από υποθερμικές ενέργειες μέχρι τα 20 eV, δικαιολογώντας τις εντυπωσιακές δυνατότητες εκτέλεσης όμοιων μετρήσεων στην EAR2. Στο ενεργειακό εύρος 20 eV –20 keV μονάχα μια πειραματική μέτρηση ήταν διαθέσιμη στη βιβλιογραφία, συνεπώς η σημασία των δεδομένων σε μελλοντικές αξιολογήσεις είναι ύψιστη. Στο εν λόγω ενεργειακό εύρος, συντονισμοί επιλύθηκαν μέχρι μερικά keV, οι οποίοι χαρακτηρίστηκαν με χρήση του φορμαλισμού R-Matrix που εφαρμόστηκε στον κώδικα SAMMY, παρέχοντας μια παραμετροποίηση της ενεργούς διατομής της αντίδρασης 240Pu(n,f) σε ένα ευρύ φάσμα από 9 meV έως 10.2 keV, ενώ οι τρέχουσες αξιολογήσεις δεν υπερβαίνουν τα 5.7 keV. Η παραμετροποίηση της ενεργούς διατομής σε ένα τόσο ευρύ φάσμα ενεργειών είναι σημαντική διότι δίδεται η δυνατότητα σε ειδικούς επιστήμονες πυρηνικών συστημάτων, να προβούν σε αποτελεσματικότερο σχεδιασμό τους. Στην MeV περιοχή, ο υψηλός ρυθμός καταγραφής των δεδομένων προκάλεσε σημαντικές απώλειες πειραματικών γεγονότων. Η εκτίμηση του ποσοστού απωλειών, πραγματοποιήθηκε μέσω της ανάπτυξης μιας νέας και καινοτόμου μεθοδολογίας η οποία εφαρμόστηκε με επιτυχία στα πειραματικά δεδομένα που συλλέχθηκαν. Αντίστοιχη πορεία ακολουθήθηκε κατά την ανάλυση των δεδομένων στην περίπτωση της αντίδρασης 237Np(n,f). Υψηλής ακρίβειας δεδομένα προέκυψαν κατά την ανάλυση, στο ενεργειακό εύρος 200 keV – 15 MeV, η εξαιρετική ποιότητα των οποίων είναι απόρροια της εμπειρίας που αποκτήθηκε καθώς και των προβλημάτων που αντιμετωπίστηκαν και επιτυχώς επιλύθηκαν κατά την διάρκεια του πειράματος και της ανάλυσης της αντίδρασης 240Pu(n,f).Η συμβολή των εν λόγω μετρήσεων αποδείχθηκε υψίστης σημασίας για την διεθνή συνεργασίαn_TOF καθώς η εμπειρία, η τεχνογνωσία και η κυρίως η κατανόηση λειτουργίας της καινής πειραματικής γραμμής που αποκτήθηκε, αποτέλεσαν ακρογωνιαίο λίθο στον σχεδιασμό νέων πειραμάτων τα οποία αποσκοπούν στην επίλυση του ενεργειακού προβλήματος και της διαχείρισης των πυρηνικών αποβλήτων, όπως ακριβώς επιτυχώς συνέβη με τις αντιδράσεις που μελετήθηκαν στην παρούσα διατριβή.