Результаты физического эксперимента Чи-Ну в Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США предоставляют ранее не публиковавшиеся важные данные для повышения эффективности применения ядерной безопасности, понимания безопасности по критичности и проектирования энергетических реакторов на быстрых нейтронах. Проект «Чи-Ну», 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.

Хайме Гомес (слева) и Киган Келли организовали эксперимент Чи-Ну, откалибровав расстояние до детектора и установив газовые трубы для мишени для счета деления (в центре). Источник: Национальная лаборатория Лос-Аламоса.

Киган Келли, физик Лос-Аламосской национальной лаборатории, сказал: «Ядерное деление и связанные с ним ядерные цепные реакции были открыты более 80 лет назад, и экспериментаторы до сих пор работают над созданием полной картины процесса деления основных актинидов. На протяжении всего проекта мы наблюдали отчетливые особенности процесса деления, которые во многих случаях никогда не наблюдались ни в одном предыдущем эксперименте».

Последнее исследование изотопа урана-238, проведенное лос-Аламосской командой в Чи-Ню, было недавно опубликовано в журнале Physical Review C. В ходе эксперимента был измерен мгновенный спектр нейтронов деления урана-238: энергия нейтронов, вызывающих деление – тех, которые попали в ядро ​​и раскололи его на части – и потенциально широкое энергетическое распределение (спектр) высвободившихся таким образом нейтронов. В центре внимания эксперимента Чи-Ну - деление, вызванное «быстрыми нейтронами», при котором падающие нейтроны имеют энергию до миллионов электрон-вольт и измерения для которых обычно скудны.

Физик Киган Келли установил для эксперимента Чи-Ну мишень для счета деления, которая содержит около 100 миллиграммов родственных актинидов. В состав прибора входят 54 жидкостных сцинтилляционных детектора нейтронов и 22 детектора из литиевого стекла для измерения нейтронов в различных энергетических диапазонах. Источник: Национальная лаборатория Лос-Аламоса.

Важные данные для работ, связанных с делением

Наряду с аналогичными измерениями, выполненными на уране-235 и плутонии-239, результаты эксперимента Чи-Ну в настоящее время во многих случаях являются основным источником экспериментальных данных, определяющих современные оценки спектров нестационарных нейтронов деления. Эти данные служат основой для ядерных моделей, расчетов Монте-Карло, расчетов производительности реакторов и т. д.

Актиниды и их возможные цепные реакции важны для ядерного оружия и энергетических реакторов. (Актиниды относятся к 15 элементам с атомными номерами от 89 до 103. Все они радиоактивны.) При делении или расщеплении ядра высвобождается несколько нейтронов, что может вызвать деление соседних ядер, что приводит к цепной реакции. Вероятность последующих реакций в цепной реакции зависит от энергии нейтрона деления.

Экспериментальный процесс LANSCE

Эксперимент Чи-Ну, проводимый в Центре исследования нейтронов в Лос-Аламосе (LANSCE), основан на прецизионных приборах, которые проверяют несколько энергетических диапазонов. Пучок протонов LANSCE попадает на вольфрамовую мишень, и образовавшиеся нейтроны летят по траектории полета к устройству Чи-Ну. Когда эти нейтроны сталкиваются с изотопом урана-238, происходит событие деления, при котором ядро ​​урана-238 распадается и регистрируется. В зависимости от энергетического диапазона эксперимента нейтроны, испускаемые в результате деления, затем измеряются с помощью массива жидкостных сцинтилляторов или детекторов из литиевого стекла, оба из которых регистрируют вспышку света, которую нейтроны вызывают внутри детектора.

будущие приложения

Исследователи продолжают обрисовывать полную картину изотопов актинидов. В рамках смежной работы, финансируемой Программой ядерной критичности и безопасности, группа экспериментов Чи-Ну в настоящее время собирает и анализирует данные о плутонии-240 и уране-233.

Теперь, когда работа Управления экспериментальной науки по измерениям завершена, команда надеется применить навыки и методы, полученные в результате измерений нейтронов деления, для измерений ряда других изотопов. Они также движутся к измерению нейтронов, испускаемых в результате реакции рассеяния нейтронов. В этих реакциях нейтроны проходят через материал, выделяя при этом энергию. Наряду с измерением энергетических и угловых спектров испускаемых нейтронов и гамма-лучей также измеряется вероятность протекания реакции, часто называемая сечением рассеяния нейтронов.