Исследование структуры нейтронных сечений реакторных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Мезенцева, Жанна Владимировна

• Мезенцева, Жанна Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мезенцева, Жанна Владимировна

1 Введение

2 Отношение сечения радиационного захвата к сечению деления (величина а) для 235U.

2.1 Экспериментальные методы измерения величины а.

2.1.1 Дифференциальные методы измерения а(Е).

2.2 Методика измерения и анализ данных.

2.2.1 Многосекционный сцинтилляционпый детектор "Ромашка".

2.2.2 Множественность.

2.2.3 Техника эксперимента.

2.2.4 Анализ экспериментальных данных и полученные результаты.

2.2.5 Источники погрешности при измерении величины а.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование структуры нейтронных сечений реакторных материалов»

Актуальность диссертационной работы. Развитие различных направлений науки и техники, связанных с использованием радиоактивных излучений, предопределило широкий фронт исследований по изучению как самих излучений, так и характеристик взаимодействия излучений с различными макро-и микро объектами. В процессе этих исследований и практического применения радиоактивных излучений получен большой объем информации, выработаны требования к точностям различных ядерно - физических характеристик на основе потребностей теории и практики. Повышение точности этих характеристик может привести к открытию новых явлений, к уточнению некоторых теоретических положений, а также может обеспечить надежность расчетов в практических приложениях. Особенно высоки требования к точности ядерно - физических констант, которые используются при расчете ядерных энергетических установок, утилизации отходов атомно - энергетического производства и защиты от радиоактивных излучений. В частности, нейтронные сечения топливных и сырьевых материалов должны быть известны в некоторых энергетических диапазонах на уровне долей процента [1, 2, 3|, а для конструкционных материалов на уровне нескольких процентов. Пока требуемые точности остаются недостижимыми для большинства реакторных материалов, а для некоторых изотопов конструкционных материалов данные вообще отсутствуют.

Таким образом, получение новых уточненных ядерно - физических констант остается актуальной задачей, в первую очередь, для проектирования современных и надежных ядерных реакторов. Эти данные важны также для понимания структуры ядер и динамики взаимодействия нейтронов с ядрами. Существующие модели ядра (составное ядро, независимых частиц, капельная модель) достаточно хорошо предсказывают количественные характеристики в области плавно меняющихся энергетических зависимостей сечений, но пе могут удовлетворительно предсказывать, например, характер резонансной структуры сечений, параметры индивидуальных резонансов и так далее. Поэтому процесс накопления более точной информации о новых особенностях резонансной структуры сечений, безусловно, является актуальной задачей и перспективным направлением научных исследований.

Цель настоящей диссертации

1. Разработка новых подходов в анализе данных взаимодействия нейтрона с ядром.

2. Создание более совершенной техники измерения, накопления и анализа экспериментальных данных в области нейтронной ядерной физики.

3. Получение новых экспериментальных данных для реакторных приложений.

Практическая значимость данной работы

1. Проведен тщательный анализ полученных экспериментальных данных для определения величины альфа 235U и сравнение результатов с измерениями других авторов.

2. Разработаны новые подходы к анализу данных, в частности, использование "стандартных" резонансов для выделения захватной и делительной частей в резонансах

235 у

3. Полученные значения величины альфа дополняют банк мировых по взаимодействию нейтронов с ядрами в области энергий резонансных нейтронов.

4. Проведены измерения пропусканий нейтронов через толстые образцы - фильтры с целью уточнения интегральных сечений и их факторов резонансной блокировки.

5. Экспериментальные измерения сечений радиационного захвата 232Th, полученные с точностью 2 - 7 %, могут конкурировать с данными других авторов на мировом уровне.

Научная новизна исследований и методических разработок диссертации

1. Научные исследования и методические разработки впервые были реализованы для получения нейтронных констант основных реакторных материалов.

2. Впервые были получены величины альфа для разрешенных резонансов до 600 эВ.

3. Получены уникальные данные по резонансной блокировке в полных и парциальных сечениях (рассеяния и радиационного захвата) для Nb, Mo, W, Pb и 232Th.

4. Получен большой объем новой информации по нейтронным групповым сечениям.

Основные результаты, представленные к защите.

1. Получены абсолютные значения величины альфа 235U для разрешенных резонансе» с использованием методики спектрометрии множественности.

2. Разработан и применен метод "стандартных" резонансов для выделения каналов радиационного захвата и деления в резонапсах 235U.

3. Использованы "толстые" образцов - фильтры для измерения полных пропусканий и функций самоиндикации в полном сечении и в сечении рассеяния для Nb, Mo, W и Pb.

4. Проведено моделирование пропусканий и функций самоипдикации с целью изучения резонансной структуры полных сечений и сечений рассеяния Nb, Mo, W и Pb.

5. Использовано подгрупповое представления для получения факторов блокировки в полпом сечении и в сечении рассеяния для Nb, Mo, W и Pb. Эти факторы блокировки используются для расчета критической сборки ядерных реакторов.

6. Исследована структура полных сечений и сечений радиационного захвата в энергетических группах и низкоэпергетических резонансах 232Th. В результате получены полные интегральные сечения и сечения радиационного захвата в группах и для отдельных резонансов с точностью 2 - 7 %.

7. Проведен расчет факторов блокировки в полном сечении и в сечении радиационного захвата 232 Th.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Мезенцева, Жанна Владимировна

5 Выводы

С целью получения новой информации о взаимодействии нейтронов с ядрами основных реакторных материалов создана разнообразная экспериментальная техника и проведены измерения с использованием различных методик на пучках реактора ИБР-30 ЛНФ ОИЯИ. Описанная выше экспериментальная техника и методики были созданы в течение последних 30 лет и интенсивно использовались, в первую очередь, для исследования резонансной структуры полных и парциальных нейтронных сечений и эффекта резонансной блокировки в них. По результатам технических и методических разработок выпущено более 20 научных публикаций. При непосредственном участии автора:

1. Методом спектрометрии множественности получены новые значения отношения сечения радиационного захвата к сечению деления для 235U в диапазоне энергий от 20 эВ до 600 эВ впервые для 72 разрешенных резонансов. Приводятся расчетные значения величин альфа по последним оцененным данным библиотек ENDF/B-7 и JENDL-3.2. Приведен сравнительный анализ данных настоящей работы с расчетными значениями величины альфа и измерениями, полученными в других экспериментальных работах.

2. Для выделения делительной и захватной компонент в распределениях отдельных резонансов и последующего получения величины альфа впервые был реализован метод2 "стандартных" спектров распределения кратностей для каналов захвата и деления. При этом использовался тот факт, что формы спектров множественности для "делительных" и "захватных" резонансов существенно различаются.

3. Измерены полные пропускания и функции самоиндикации в рассеянии Nb, Мо, РЬ и W, из которых получены новые значения полных и парциальных нейтронных сечений, факторов их резонансного самоэкранирования.

4. Измерены полные пропускания и функции самоиндикации в радиационном захвате на большом наборе толщин образцов-фильтров 232Th в резонансной области энергий, определены полные сечения и сечения радиационного захвата, указываю

2метод применим в предположении равенства эффективностей регистрации захватных и делительных гамма-квантов щие на наличие значительной резонансной блокировки в сечениях. Сечения определены с ошибками 2-7 %. Также определены усредненные сечения для нижних резонансов. Проведен расчет аналогичных величин на основе оцененных данных разных библиотек.

4.4 Заключение.

В третьей главе диссертации представлены экспериментальные сечения 232Th в диапазоне энергий от 10 эВ до 10 кэВ.

Точное измерение сечений захвата для тория осложняется высоким фоном от гамма-лучей из - за собственной природной радиоактивностью. Учитывая, что обычно в процессе захвата вылетает больше двух гамма-квантов, отношение сигнал-фон было улучшено с использованием техники кратности совпадений в спектрометрии множественности.

Сечения радиационного захвата были получены в предположении равенства эффек-тивностей регистрации гамма-лучей тория и урана ("стандартный" образец). Неопределенности эксперимента составили от 8 до 15 %. Экспериментальные результаты согласуются с расчетными (по данным библиотеки ENDF/B-6.7) в пределах эксперименталь

1Е-З 1Е-2

1F.-I 1 „ 10 энергия, кэВ пых ошибок за исключением двух энергетических групп 100-215 эВ и 215-465 эВ. Большие различия обнаружены при сравнении экспериментальных и расчетных сечений, полученных с использованием данных библиотеки JENDL-3. Для нижних резонансов экспериментальные сечения с хорошей точностью (2 - 5 %) совпадают с расчетными.

Планируется продолжить исследования резонансной структуры тория с лучшим энергетическим или временным разрешением детекторной системы (напомню разрешение установки "Парус" составляет около 30 %) для получения необходимой точности в измерении сечений (на уровне 2 %).

Для этой дели была создана установка с механическим прерывателем [82], позволяющая проводить измерения нейтроных сечений на малых образцах в широком диапазоне энергий (от 0.001 эВ до 10 кэВ) с лучшими фоновыми условиями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мезенцева, Жанна Владимировна, 2007 год

1. Зарицкий С.М., М.Н. Николаев, М.Ф.Троянов, Потребность в ядерных данных для расчета быстрых реакторов, Нейтронная физика, ч.2., Киев, изд. Наукова Думка, с.с. 5-14, 1972.

2. A.B. Игнатюк, В.Н. Кононов, Б.Д. Кузьминов, В.Н. Манохин, М.Н. Николаев, Б.И Фурсов, Создание национальной библиотеки нейтронных данных для ядерных технологий, ВАНТ.Серия: Ядерные константы, вып.1, с. 3, 1996.

3. P.F. Rose, С.К. Dunfort, Data Formats and Procedures for the Evaluated Nuclear Data File (ENDF), Report BNL, Upton, New York, USA, 1988

4. T. Nakagawa et al., Japanese Evaluated Nuclear Data Library vers ion 3 revision 2: JENDL-3.2, J. Nucl. Sci. Technol., 32, 1259 (1995).

5. B.B. Синица, ВАНТ. Серия: Ядерные константы, вып. 5(59), стр. 34, 1984.

6. М.Н. Николаев, Обеспечение расчетов быстрых реакторов ядерными данными, ВАНТ. Серия: Ядерные константы, вып. 8, ч. 1, с. 3, 1972.

7. В.Н. Кощеев, М.Н. Николаев, Библиотека нейтронных данных для расчета групповых констант,ВАНТ. Серия: Ядерные константы, вып. 5(59), с. 16, 1984.

8. Значение реактора-размножителя на быстрых нейтронах, Реакторы-размноэ/сители на быстрых нейтронах, вып.1, Москва, 1975.

9. А.С. Павлов, Военные корабли СССР и России, 1945-1995 г.г., Якутск, 1994.

10. И.М. Франк, Развитие и применение в научных исследованиях импульсного быстрого реактора ИБР, Проблемы физики элементарных частиц и атомного ядра, Т.2, вып.4., Москва, 1972.

11. О.Д. Казачковский, Состояние и перспективы работ но реакторам на быстрых нейтронах, Нейтронная физика: материалы 1-ой международной конференции по нейтронной физике, т. 1, Москва, 1988.

12. Физика реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, Реакторы-размножители на быстрых нейтронах, вып.1, Москва, 1975.

13. Грандл( J. A. Grandl), Спектры нейтронов деления: результаты макроскопических и интегральных измерений, Нейтронные стандарты, вып. 6, Москва, с. 3, 1975.

14. Е. Д. Полетаев, Абсолютные измерения отношения сечений радиационного захвата и деления для урана-235 и нлутопия-239, диссертация, Обнинск, 1975.

15. R.E. Bandl, Н. Miessner, F.H. Frohner, Nuclear Science and Engineering, v. 48, p. 342, 1972.

16. А.А. Ваньков, Ю.Я. Стависский, Атомная энергия, v. 4, p. 185, 1965.

17. А.А. Ваньков, A.M. Цибуля, Пропускание нейтронов в сферической геометрии, препринт ФЭИ-464, Обнинск, 1973.

18. Г.В. Мурадян, Спектрометрия множественности, Нейтронная физика, т. 8, 1980.

19. А.И. Абрамов, Основы экспериментальных методов ядерной физики, Москва, 1985.

20. Г.В. Мурадян, Ю.В. Адамчук, Ю.Г. Щепкии, М.А. Восканян, Измерение нейтронных сечений и величины альфа с высокой точностью методом спектрометрии множественности, Препринт, Москва, 1983.

21. G.P. Georgiev, Yu.V. Grigoriev et al., A setup for measuring neutron cross-sections and radiation multiplicity from neutron-nucleus interaction, Preprint JINR P3-88-555, 1988. // Nucl. Instr. and Meth., V.A313, p. 256, 1992.

22. S.I. Sukhoruchkin, Z.N. Soroko, V.V. Deriglazov, Tables of neutron Resonance Parameters, Landold Deornstein, Low Energy Neutron Physics, v. 16 B, Springer, 1998.

23. F.D. Brooks, J.E. Jolly, M.G.Schomberg, M.G. Sowerby, Eta and Neutron Cross Sections of U 235 from 0,03 to 200 eV, R, AERE-M, p. 1670, 1966.

24. M.G. Cao, F. Migneco, J.P.Theobald, J.A.Wartena, J. Winter, Fission Cross Section Measurement of 235U, Journal of Nuclear Energy, v. 22, p. 211, 1968.

25. Ju.V. Rjabov, So Don sik, N. Chikov, N, Yaneva, Parameters of Neutron Resonances 233 U, 235U, 239Pu, Preprint JINR -PS- 4992, 1970.

26. V.L. Aksenov, N.A. Dikansky, V.L. Lomidze, A.V. Novokhatsky, Yu.V. Popov, V.T. Rudenko, A.N. Skrinsky and W.I. Furman, JINR report E3 92 - 110, 1992.

27. Л.П. Абагян, О.А. Базазянц, И.И. Бондаренко, М.Н. Николаев, Групповые константы для расчета ядерных реакторов, Москва, Атомиздат, 1964.

28. W.W. Havens et al., Physics Rev.,v.71, p. 165, 1947.

29. A.P. Jain, R.E. Chrien, J.A. Moore, H. Polevsky, Physics Rev,v. 137, p. 83, 1965.

30. J.B. Garg, J.M. Rainwater, W.W. Havens,Physics Rev.,v. 137, p. 547, 1965.

31. C.A. Uttley, C.M. Newstead, K.M. Dement, Proceedings of International Conference on Nuclear Data for Reactors, Paris, (IAEA, Vienna, 1967) v.l, p. 165, 1966.

32. У.М. Маханов, М.Н. Николаев, Средние характеристики резонансной структуры полных сечений некоторых тяжелых ядер, Бюллетень ИЦЯД, Атомиздат, вып. 3, р. 343, 1966.

33. В.В. Филиппов, Полные нейтронные сечения некоторых конструкционных материалов в неразрешенной области Нейтронная физика (Труды 6-ой Всесоюзной конференции по нейтронной физике, Киев, 2-6 октября 1983, Москва, т.З, с. 107, 1986.

34. Yu. V. Grigoriev, P. Vertes, Average resonance parameters for 93Nb and natural tungsten, Nuclear data for Science and Technology, Japan, p. 623-626, 1988.

35. Ю.В. Григорьев, Т. Бакалов, Г. Илчев, Измерение эффектов резонансного само-экрапирования сечения расеяния 238U в области энергий нейтронов 1-100 кэВ, Препринт ФЭИ-1216, 1981.

36. М.Н. Николаев, В.Ф. Хохлов, Система иодгрупповых констант, Бюллетень ИЦЯД, Атомиздат, вып. 4, с. 420, 1967.

37. JEF-2, The Evaluated Nuclear Data Library of the OECD Nuclear Agency, Report IAEA-NDS-120.

38. A.I. Blokhin, A.V. Ignatyuk, B.A. Kuzminov et al, Proceedings of International Conference for Science and Technology, Julich FRG, p. 800, 1991.

39. G.P. Georgiev, Yu.V. Grigoriev et al., A setup for measuring neutron cross-sections and radiation multiplicity from neutron-nucleus interaction, Preprint JINR P3-88-555, 1988. // Nucl. Instr. and Meth., V.A313, p. 256, 1992.

40. B.B. Филиппов, Резонансная структура полного нейтронного сечения взаимодействия нейтронов с ядрами железа, Радиационная безопасность и защита атомных станций, М. Атомиздат, вып. 3, с. 84, 1977.

41. А.В. Комаров, А.А. Лукьянов, Метод определения коэффициентов самоэкранирования в области неразрешенных резонансов, БАНТ. Серия: Ядерные константы, вып. 3(47), 1982.

42. К.К Seth, R.H. Tabony, E.G. Bilpuch, H.W. Newson, Neutron Total Cross Sections and Intermidiate Resonancs, Physical Letters, v. 16, p. 306, 1965.

43. V.V. Filippov, Total Neutron Cross-Sections for some Construction Materials in the Range of Unresolved Resonances, C, Kiev, v. 3, p. 107, 1983.

44. Ju.P. Popov, F.L. Shapiro, Energy Dependence of Cross Sections for (N, Gamma) Reactions on a Number of Odd-Z Nuclei, ZET, v. 42(4), p. 988, 1962.

45. R.L. Macklin, Neutron Capture Cross Section of Niobiurri-93 from 2,6 to 700 keV, Nuclear Science and Engineering, v. 59, p. 12, 1976.

46. J.H.Gibbons, R.L. Macklin, P.D.Miller, J.H.Neiler, Average Radiative Capture Cross Sections for 7- to 170-keV Neutrons, Physical Review, v. 122, p. 182, 1961.

47. D. Kompe, Capture Cross Section Measurement of Some Medium- and Heavy-Weight Nuclei in the keV Region, Nuclear Physics, v. 133, p. 513, 1969.

48. N. Yamamuro, T. Doi, T. Hayase, Y. Fujita, K. Kobayashi, R.C. Block, Measurement of Neutron Capture Cross Sections With Fe Filtered Beam, NST, v. 15, p. 637, 1978.

49. K. Wisshak, V. Foss, F. Kaeppeler, G. Reffo, Measurernnts of keV Neutron Capture Cross Sections With a 4-pi Barium Fluoride Detector: Examples of 93Nb, I03Rh and 181Ta, Physical Review, v. 42, p. 1731, 1990.

50. Ю.Н. Трофимов, Ю.А. Немилов, Сечение радиационного захвата 98Мо при энергии нейтронов 0.3-2.0 мэВ, ВАНТ. Серия: Нейтронные константы и параметры, вып. 3(57), с. 15, 1984.

51. С.М. Бедняков, В.А. Дулнн, Г.Н. Мантуров, В.К. Можаев, Изучение поглощения нейтронов продуктами деления в критической сборке, ВАНТ. Серия: Ядерно-реакторные данные, вып. 1, р. 62, 1984.

52. L.W. Weston, K.K. Seth, E.G. Bilpuch, H.W. Weston, Netron Capture Cross Sections in the keV Region. Part II. Spin-Orbit Coupling and the Optical Model, Atomic Physic, v. 10, p. 477, 1960.

53. A.R. Del. Musgrove, B.J. Allen, J.W. Boldeman, R.L. Macklin, average Neutron Resonance Parameters and Radiative capture cross Sections for the Isotopes of Molybdenum, Nuclear Physics, v. 270, p. 108, 1976.

54. S.V. Kapchigashev, Yu.P. Popov, Capture Cross Sections in Construction Materials for Neutrons with Energies up to 50 keV, Atomic Energy, v. 15, p. 120, 1963.

55. К. Wisshak, F. Voss, F. Kaeppeler, К. Guber, L. Kazakov, G. Reffo, Stellar Neutron Capture Cross Sections of the Neodimium Isotopes, R,KFK-5967, 1997.

56. F. Voss, K. Wisshak, C. Arlandini, F. Kaeppeler, L. azakov, T. Rauscher, Stellar Neutron Capture Cross Sections of the Praseodymium and Dysprosium Isotopes, Physical Review, Part C, Nuclear Physics, v. 59(2), p. 1154, 1999.

57. R.L. Macklin, D.M. Drake, E.D. Arthur, Neutron-capture Cross Sections of 182,183,184 ,186W from 2,6 to 2000 keV, Nuclear Science and Engineering, v. 84, p. 98, 1983.

58. J.H. Gibbons, R.L. Macklin, P.D. Miller, J.H. Neiler, Average Radiative Capture Cross Sections for 7- to 170-keV Neutrons, Physical Review, v. 122, p. 182, 1961.

59. H. Beer, F. Kaeppeler, K. Wisshak, Fast Neutron Capture on 180Hf and 184W and the Solar Hafnium and Tungsten Abundance, AAA, v. 105, p. 270, 1981.

60. M.V. Bokhovko, L.E. Kazakov, V.N. Kononov, E.D. Poletaev, V.M. Timokhov, A.A. Voevodskij, Neutron Radiation Capture Cross Section Measurement for Tungsten Isotopes in teh energy Range 5-400 keV, YK, v. 1, p. 39, 1986.

61. C. Rubbia et al., A Realistic Plutonium Elimination Scheme with Fast Energy Amplifiers and Thorium-Plutonium Fuel, CERN/AT/95-93 (ET).

62. M. Asghar, С. M. Chaffey, M. C. Moxon, N. J. Pattenden, E. R. Rae, and C. A. Uttley, Nucl. Phys., v. 76, p. 196, 1965.

63. E. Haddad, S. J. Freisenhahn, F. H. Froehner and W. M. Lopez, Phys. Rev., B5, p. 140, 1965.

64. L. Forman, A. D. Schelberg, J. H. Warren and N. W. Glass, Phys. Rev. Lett., v. 27, p. 117, 1971.

65. Г.В. Мурадян, Атомная энергия v. 50, p. 394, 1981.

66. K. Kobayashi, Y. Fujita, N. Yamamuro, Nucl. Sci. Thech, v. 18, p. 823, 1981.

67. M.C. Moxon, report NP-17644, Moxon Thesis, 1968.

68. M. Lindner, R.J. Nagle, J.H. Landrum, Nucl. Sci Eng., v. 59, p. 381, 1976.

69. R.L. Macklin et.al., Nucl. Science Eng., v. 84, p. 98, 1983.

70. Yu.V. Grigor'ev, G.N. Manturov, V.V. Sinitsa et al., FEI-2120, 1990

71. Экспериментальная установка "Ромашка": 1 вакуумная труба, 2 - свинцовая защита, 3 - В4С - защита, 4 - сцинтилляционный детектор с кристаллами Nal(TI), 5 - фотоумножители, б - конвертор. 18

72. Спектр множественности актов рассеяния, захвата и деления. 22

73. Общая схема эксперимента на пролетной базе 500 м: 1 и 3 коллиматоры, 2 - фильтр для удаления фоновых рециклических нейтронов, 4 - вакуумная труба, 5 - сцинтилляционный детектор с кристаллами Nal(Tl), 6 -образец - радиатор 235U. 23

74. Блок-схема электроники детектора "Ромашка" (Дифференциальный дискриминатор позволял исключить события, связанные с поглощением нейтронов ядрами водорода. 24

75. Спектры кратностей со 2 по 5 при наличии фона. 267 "Захватный" резонанс (94,10 эВ) и "делительный" (88,72 эВ) в спектрах кратности со 2 по 5. 278 "Захватный" резонанс (49,43 эВ) и "делительный" резонанс (47,02 эВ) в спектрах кратности со 2 по 5. 28

76. Спектры кратностей для "захватной" и "делительной" моделей. 29

77. Спектры кратностей для двух захватных модельных резонансов. 30

78. Спектры кратностей для двух делительных модельных резонансов. . 30

79. Спектры кратностей для процессов захвата и деления со сдвигом границ резонансов. 31

80. Сравнение экспериментальных и оценочных значений величины альфадля разрешенных резонансов в диапазоне энергий от 20 эВ до 600 эВ. . 31

81. Экспериментальные величины альфа для разрешенных резонансов в диапазоне энергий от 20 эВ до 200 эВ. 3215