Изучение свойств запаздывающих нейтронов в делении тепловыми нейтронами ядер 235 U, 233 U, 239 Pu и 237 Np тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Борзаков, Сергей Борисович

• Борзаков, Сергей Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Борзаков, Сергей Борисович

дение

1ва 1. Характеристики запаздывающих нейтронов. 1 Механизм испускания запаздывающих нейтронов

2 Способы теоретической оценки выходов запаздывающих пронов

3 Зависимость выхода запаздывающих нейтронов от атомного веса, заряда нергии возбуждения делящегося ядра.

1ва2. Методы экспериментального изучения запаздывающих нейтронов.

2.1 Измерения выходов ЗН

2.2 Измерения энергетических спектров ЗН. ша 3. Описание метода измерений и установки «Изомер».

3.1 Метод периодического облучения.

3.2 Установка «Изомер».

3.3 Характеристики образцов.

3.4 Процедура измерений и обработки данных. да 4. Результаты измерений и их обсуждение.

4.1 Измерения Д, с образцами 235И, 233и, 239Ри и 237Ир.

4.2 Исследования кривых распада шючение гература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение свойств запаздывающих нейтронов в делении тепловыми нейтронами ядер 235 U, 233 U, 239 Pu и 237 Np»

Запаздывающие нейтроны деления были обнаружены спустя несколько месяцев после открытия процесса деления [1]. Несмотря на малую долю запаздывающих нейтронов (ЗН) в полном числе нейтронов деления, данные по ЗН оказались важны как для изучения фундаментальных свойств процесса деления, так и для расчетов кинетики ядерных реакторов. Важность роли ЗН для осуществления управляемой цепной реакции была отмечена впервые Я.Б.Зельдовичем и Ю.Б.Харитоном в работе, опубликованной в 1940 г. (ЖЭТФ, т. 10, с. 329, 1940), то есть спустя год после открытия деления и более чем за два года до получения самоподдерживающейся цепной реакции. Эти причины привели к интенсивным исследованиям запаздывающих нейтронов в США, Советском Союзе и в других странах в 40-50-е годы. Итоги первых исследований ЗН подведены в монографии Кипина «Физические основы кинетики реакторов» [2]. В последующие годы было проведено огромное количество исследований ЗН, появляющихся в результате деления тепловыми нейтронами, быстрыми нейтронами, фотоделении и т.д.

Несмотря на большое количество работ, посвященных измерениям выходов запаздывающих нейтронов (ЗН), достигнутой в измерениях точности (3% для наиболее хорошо изученного ядра 235Ц) недостаточно для ядерной энергетики и, по-прежнему, сохраняется потребность в новых измерениях с повышенной точностью. Появление новых нейтронных источников высокой интенсивности (как стационарных, так и импульсных), позволяет проводить исследования ЗН на более высоком уровне. В настоящее время изучение ЗН продолжается как с целью уточнения данных для основных реакторных изотопов, так и в плане изучения выходов ЗН, появляющихся в результате деления мало изученных нуклидов. Большие потоки нейтронов, вызывающих деление, позволяют проводить измерения с малым количеством вещества, что особенно важно для изучения нестабильных изотопов и ядер, имеющих малые сечения деления. Особый интерес в последнее время вызывают

237 237 исследования деления Мр. Это связано с тем, что Ыр рассматривается как перспективный изотоп в проектах безопасных энергетических установок на базе сильноточных ускорителей [3].

Одним из лучших среди исследовательских реакторов является импульсный реактор ИБР-2, созданный в ЛНФ ОИЯИ. Ряд каналов ИБР-2 оборудован зеркальными нейтроноводами, что позволяет проводить измерения с тепловыми нейтронами в условиях низкого фона быстрых нейтронов. Использование периодического метода облучения образцов в этих условиях предоставляет уникальные возможности для исследования запаздывающих нейтронов.

Диссертация посвящена исследованию характеристик ЗН, возникающих в результате деления ядер Ц, и, Ри и Ир тепловыми нейтронами. Измерения проведены методом периодического облучения образца на импульсном реакторе ИБР-2. В главе 1 дан краткий обзор свойств ЗН и способы теоретических оценок их параметров. Во второй главе описаны экспериментальные методы изучения ЗН. В главе 3 описана экспериментальная установка «Изомер», на которой были получены приведенные в диссертации данные и метод измерений. Глава 4 содержит описание процедуры измерений и обработки данных. Здесь же приведены результаты измерений, их сравнение с данными других работ и с теоретическими оценками.

В заключении изложены основные результаты и выводы работы.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Борзаков, Сергей Борисович

Основные результаты диссертации были опубликованы в препринте ОИЯИ [44] и журнале «Атомная энергия» [45], представлены на международных конференциях в Обнинске [62], Дубне [60-63], Триесте [64]. Последние результаты опубликованы в виде препринтов ОИЯИ [65,66] и направлены в журналы «Ядерная физика» и «Вопросы атомной науки и техники" (Серия Ядерные константы).

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность дирекции ЛНФ ОИЯИ, персоналу реактора ИБР-2 за предоставленную возможность провести описанные эксперименты. Я очень признателен своим коллегам Ц. Пантелееву, И. Рускову, С.С. Павлову, А.Н. Андрееву, Ш. Зейналову за помощь в проведении экспериментов, Ю.В. Григорьеву за предоставление некоторых образцов, Ю.С. Замятнину и В.И. Фурману за многочисленные обсуждения постановки экспериментов и результатов измерений. Особую благодарность выражаю Э.Дерменджиеву, который был инициатором исследований запаздывающих нейтронов в Лаборатории нейтронной физики.

Заключение

1. На импульсном реакторе ИБР-2 создана установка «Изомер» для изучения характеристик ЗН, образующихся в делении, вызванном тепловыми и холодными нейтронами.

2. Методом периодического облучения образцов измерены выходы ЗН для

- 233т т 239т> реакции деления ядер-мишенеи и и Ри тепловыми неитронами с

235 использованием данных для и в качестве стандарта. Точность определения величины ¡5 по отношению к ¡З(235и) лучше 1,5 %. Точность полученных значений несколько хуже, поскольку стандарт определен с точностью 3%, но находится на уровне современных оцененных данных.

3. Измерены выходы ЗН, возникающих при делении холодными

235 нейтронами (0.003 эВ) и нейтронами с энергией Еп = 0.035 эВ ядер и, 233и, 239Ри . Показано, что в пределах точности измерений нет энергетической зависимости выхода ЗН в указанном диапазоне Еп.

237

4. Впервые измерен выход ЗН в реакции деления Кр тепловыми нейтронами.

5. Измерены кривые распада ЗН в интервале времени до 730 мс для ядер

235 239 и и Ри. Измерения проведены с статистической точностью порядка 0.3-0.4% для каждого канала, соответствующего временному интервалу 1.024 мс. Полученные экспериментальные данные позволяют: а) тестировать различные наборы параметров, известные из литературы; б) дают возможность получить ограничение на возможное существование группы с сверхмалым периодом полураспада (50 мс); в) получить относительные веса 5-й и 6-й групп (в 6-ти групповом приближении) с улучшенной точностью.

6. Для описания кривых распада предложены новые 7-ми групповые

235 239 наборы констант для и и Ри, опирающиеся на известные из литературы данные для отдельных ядер-предшественников, и показано их соответствие экспериментальным кривым распада в исследованном интервале времени.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Борзаков, Сергей Борисович, 2000 год

1. R.B. Roberts, R.C. Meyer, P. Wang, Further Observations on the Splitting of Uranium and Thorium, Phys. Rev., v. 55, p. 510-511, 1939.

2. G.R. Keepin, Physics of Nuclear Kinetics, Addison-Wesley Publ. Сотр., Reading, Massachusetts, 1965.

3. P.W. Lisowski, C.D. Bowman, E.D. Arthur, P.G. Young, Nuclear physics information needed for accelerator driven transmutation of nuclear waste, Nucl. Data for Science and Technology, Proc. of Int. Conf., Jülich, FRG, 1991, p.92-94.

4. Ю.П. Гангрский, Б.Н. Марков, В.П. Перелыгин, Регистрация и спектрометрия осколков деления, Энергоатомиздат, Москва, 1992.

5. A.C. Wahl, Nuclear-Charge Distribution and Delayed-Neutron Yields for Thermal-Neutron Induced Fission of 235U, 233U, and 239Pu and for252spontaneous Fission of Cf, Atomic Data and Nuclear Data Tables, v. 39, p. 1-156, 1988.

6. Л.Г. Макевич, П.Э. Немировский, M.C. Юдкевич, Расчет интегральных характеристик запаздывающих нейтронов, Ядерные константы, вып. 2, с. 3-22, 1988.

7. T.R. England, W.R. Wilson, R.E. Schenter, F.M.Mann, Aggregate Delayed Neutron Intensities and Spectra Using Augmented ENDF/B-V Precursor Data, Nucl. Science and Engineering, 85, p. 139-155, 1983.

8. G. Rudstam, K. Aleklett, L. Silver, Delayed Neutron Branching Ratios of Precursors in the Fission Product Region, At. Data and Nucl. Data Tables, 53, p. 1-22, 1993.

9. K.L. Kratz, G. Herrmann, Systematics of neutron emission probabilities from delayed neutron precursors, Z. Physik, 263, p. 435-442, 1973.

10. R.J. Tuttle, Delayed-Neutron Data for Reactor-Physics Analysis, Nuclear Science and Engineering, 56, p. 37-71, 1975.

11. Д.И. Сикора, Зависимость полных и приведенных выходов запаздывающих нейтронов от параметра (nZc-Ac), Материалы 6-й конференции по нейтронной физике, Киев, 1983, т. 2, с. 269-274, М., 1984.

12. А.И. Ленд ел, Т.И. Маринец, Д.И. Сикора, Е.И. Чарнович, Описание выходов запаздывающих нейтронов полуэмпирическими формулами, Атомная энергия, т. 61, вып. 3, с. 215-216, 1986.

13. Е.А. Evans, М.М. Thorpe, M.S. Krick, Nuclear Science and Engineering, v. 50, p. 80, 1973.

14. V.G. Pronyaev, V.M. Piksaikin, Factors Determining the Energy Dependence of Delayed Neutron Yields in Neutron Induced Fission, BHT, Серия: Ядерные константы, вып. 1-2, с. 32-37, 1997.

15. R.B. Regier, W.H. Burgus, R.L. Tromp, and B.H. Sorensen, Ratio of Asymmetric to Symmetric Fission of 239Pu and 241Pu as a Function of Neutron Energy, Phys. Rev., v. 119, p. 2017-2020, 1960.

16. G.R. Keepin, T.F.Wimett, R.K.Zeigler, Delayed Neutrons from Fissionable Isotopes of Uranium, Plutonium, and Thorium, J. Nucl. Energy, 6, p. 1, 1957.

17. J.F.Conant, P.F. Palmedo, Measurement of the Delayed-Neutron Fractions for Thermal Fission of Uranium-235, Plutonium-239, and Uranium-233, Nucl. Science and Engineering, 44, p. 173-179, 1971.

18. R.W. Waldo, R.A. Karam, R.A. Meyer, Delayed neutron yields: Time dependent measurements and a predictive model, Phys. Rev., v. C23, p. 11131127, 1981.

19. Е.Ю. Бобков, А.Н. Гудков, А.Н. Дюмин, А.Б. Колдобский и др., Измерение выходов групп запаздывающих нейтронов деления 235U, 236U,947 949

20. U, Np, Pu нейтронами энергией 14.7 МэВ, Атомная энергия, т. 67, с. 408-411, 1989.

21. G. Benedetti, A. Gesana, V. Sanqiust, Delayed Neutron Yields from Fission of Uranium-233, Neptunium-237, Plutonium-239,-240,-241 and Americium-241, Nucl. Sci. Eng., v. 80, p. 379-387,1982.

22. А.А. Малинкин и др., Вопросы атомной науки и техники, Серия «Физика ядерных реакторов», т. 3, с. 37-39, 1992.

23. Н. Saleh, Т. A. Parish, S. Raman, N. Shimonara, Measurements of Delayed Neutron Decay Constants and Fission Yields from 235U, 237Np, 241Am, 243Am, Nucl. Sci. Eng., v.125, p.51-60, 1997.

24. B.M. Пиксайкин, Ю.Ф. Балакшев, С.Г. Исаев, JI.E. Казаков, Г.Г. Королев, В.И. Милынин, Измерение энергетической зависимости параметров запаздывающих нейтронов при делении 237Np быстрыми нейтронами, Атомная энергия, т. 85, вып. 1, с. 51-59, 1998.

25. Е. Dermendjiev, V. Nazarov, S. Pavlov, I. Ruskov, Yu.S. Zamyatnin, An Experimental Facility for Studying Delayed Neutron Emission, Сообщение ОИЯИ, El3-93-6, Дубна, 1993.

26. E. Dermendjiev, W.I. Furman, Yu.S. Zamyatnin, A Study of Delayed Neutrons and Nuclear Fission at the Dubna IBR-2 Pulsed Reactor, Сообщение ОИЯИ E3-93-7, Дубна, 1993.

27. J. Blachot, M.C. Brady, A. Filip, R.W. Mills, D.R. Weawer, Status of Delayed Neutron Data, OECD-NEA, NEACRP-L-323, 1990.

28. R. Batchelor, H.R. McK Hyder, The Energy of Delayed Neutrons from Fission, Jour, of Nucl. Energy, v. 3, p. 7, 1956.

29. E.T. Chulick, P.L. Reeder, C.E. Bemis, and E. Eichler, Energy Spectrum of Delayed Neutrons from the Spontaneous Fission of 252Cf, Nucl. Phys., v. A168, p. 250-258, 1971.

30. N.G. Chrysochoides, J.N. Anoussis, CA. Mitsomias, and D.C. Perricos, J. Nucl. Energy, v. 25, p. 551, 1971.

31. G. Fleg, Measurements of Delayed Fission Neutron Spectra of 235U, 238U and Pu with Proton Recoil Proportional Counters, Jour, of Nucl. Energy, v. 26, p. 585, 1972.

32. S. Shalev, G. Rudstam, Delayed Neutron Emission from 137I, Phys. Rev. Letters, v. 28, p. 687, 1972.

33. G. Rudstam, S. Shalev, and O.C. Jonsson, Delayed Neutron Emission from Separated Fission Products, NIM, v. 120, p. 333-339, 1974.

34. S. Shalev, G. Rudstam, Energy Spectra of Delayed Neutrons from Separated Fission Products (I), Nucl. Phys., A230, p. 155-172, 1974.

35. S. Shalev, G. Rudstam,, Energy Spectra of Delayed Neutrons from Separated Fission Products (II), Nucl. Phys., A235, p. 397- 405, 1974.

36. Б.П. Максютеыко, Ю.Ф. Балакшев, Некоторые особенности спектров запаздывающих нейтронов, Атомная энергия, т. 47, вып. 6, с. 401-402, 1979.

37. Б.П. Максютенко, Ю.Ф. Балакшев, С.В. Игнатьев, Изменения спектров запаздывающих нейтронов во времени, Атомная энергия, т. 64, вып. 6, с. 428-429, 1988.

38. В.М. Случевская, И.П. Матвеенко, ВАНТ, Серия Ядерные константы, т. 3(38), с. 29, 1980.

39. S. Shalev, J.M. Cuttler, The Energy Distribution of Delayed Fission Neutrons, Nucl. Science and Eng., v. 51, p.52, 1973.

40. Е.П. Шабалин, Импульсные реакторы на быстрых нейтронах, М., Атомиздат, 1976.

41. J.F. Briesmeister (Ed.), MCNP-A General Monte-Carlo N Particle Transport Code, Version 4A, Los-Alamos Lab. Report LA-12625, 1993.

42. И.П. Барабаш, B.H. Новожилов, Временной кодировщик с программным управлением ВКП-4, Сообщение ОИЯИ 10-84-158, Дубна, 1984.

43. B.JI. Ермаков, Г.Н. Зимин, Оперативное запоминающее устройство динамического типа емкостью 4К 16 бит, Сообщение ОИЯИ 13-12-718, Дубна, 1979.

44. А. Георгиев, И.Н. Чурин, Контроллер крейта КК009 для персонального компьютера типа Правец-16 и IBM-PC/XT, Сообщение ОИЯИ Р10-88-381, Дубна, 1988.

45. С.Б. Борзаков, Э. Дерменджиев, Ю.С. Замятнин, В.М. Назаров, С.С. Павлов, А.Д. Рогов, И. Русков, Установка для изучения запаздывающих нейтронов, Препринт ОИЯИ, РЗ-94-447, Дубна, 1994.

46. В.И. Буланенко, О выходе нейтронов в (а,п)- реакции на кислороде, Атомная энергия, т. 47, вып. 1, с. 28-29, 1979.

47. И.М. Франк, Развитие и применение в научных исследованиях импульсного реактора ИБР, ЭЧАЯ, т. 2, с. 805-860, 1972.

48. В.К. Ляпидевский, Методы детектирования излучений, М., Энергоатомиздат, 1987.

49. S.F. Mughabghab, M. Divadeenam, N.E. Holden, Neutron Cross-Sections, v. 1, part B, N.Y. -London, Academic Press, 1984.

50. B.H. Горбачев, Ю.С. Замятины, A.A. Лбов, Взаимодействие излучений с ядрами тяжелых элементов и деление ядер. Справочник. М., Атомиздат, 1976.

51. RJ. Tuttle, Delayed Neutron Yields in Nuclear Fission, IAEA report, INDC(NDS)-107/G+Special, p. 29, 1979.

52. В.Ф. Турчин, Медленные нейтроны, M., Госатомиздат, 1963.

53. А. Thierens et al., The Thermal Neutron Sub-barrier Fission of 237Np, Nucl. Phys., v. 342, p. 229, 1980.

54. Ш.С. Зейналов, O.B. Зейналова, В.И. Смирнов, Приложение корреляционного метода к измерениям запаздывающих нейтронов при индуцированном тепловыми нейтронами делении Np, Сообщение ОИЯИ РЗ-98-17, Дубна, 1998.

55. М.С. Brady, T.R. England, Delayed Neutron Data and Group Parameters for 43 Fissioning Systems, Nucl. Science and Eng., v. 103, p. 129, 1989.

56. F. James, M. Ross, CERN Program Library, D506, 1989.

57. G.D. Spriggs, J.M. Campbell, V.M. Piksaikin, An 8-Group Delayed Neutron Model Based on a Consistent Set of Half-Lives, LA-UR-98-1619, Los-Alamos, 1998.

58. G. Rudstam, IAEA Report INDC (SWD) 24/L+P, Vienna, 1993.

59. R.W.Mills et al., Nuclear Data for Science and Technology, Proceedings, FRG, Juelich, 13-17 May 1991, p. 86, Springier-Verlag, Berlin, 1992.

60. S.B. Borzakov, E. Dermendjiev, V.M. Nazarov, S.S. Pavlov, I. Ruskov, Yu.S. Zamyatnin, An Improved Experimental Facility for Studying Delayed

61. Neutrons and Preliminary Results of the Value for 233U Relative to 235U, ISINN-2, Proc., p. 192-200, Dubna, 1994.

62. S.B. Borzakov, A.N. Andreev, E. Dermendjiev, A. Filip, W.I. Furman,

63. Ts. Panteleev, I. Ruskov, Yu.S. Zamyatnin, Sh. Zeinalov, Measurements of Delayed Neutron Yields from Thermal Neutron Induced Fission of 235U, 233U, 239Pu and 237Np, Сообщение ОИЯИ ЕЗ-98-145, Дубна, 1998.

64. С.Б. Борзаков, Ю.С. Замятнин, Ц. Пантелеев, С.С. Павлов, И. Русков, Изучение кривых распада запаздывающих нейтронов при делении 235U и 239Ри тепловыми нейтронами, Препринт ОИЯИ РЗ-99-208, Дубна, 1999 (направлено в журнал ВАНТ, серия Ядерные константы).