Kärnreaktioner
Vi genomför experimentella studier av olika kärnreaktioner. Främst tittar vi på kärnklyvning och lättjonproduktion. Målet är att förbättra den grundläggande kärnfysikaliska förståelsen av dessa kärnreaktioner. Syftet är en bättre förståelse av hur mikroskopiska kärnprocesser påverkar storskaliga system. Den experimentella verksamheten bedrivs vid ett flertal internationella forskningsanläggningar.
Växelverkan mellan en inkommande partikel och en atomkärna kan leda till en rad olika kärnreaktioner. Att kunna beskriva dessa reaktioner är viktigt för både grundforskningen och många tillämpningar. Vi studerar främst två typer av kärnreaktioner:
- Kärnklyvning (Fission)
- Produktion av lätta joner (isotoper av väte och helium) när en neutron träffar på en kärna.
Syftet är att förbättra vår förståelse av kärnfysiken och kärnreaktioner och kunna utveckla bättre kärnreaktionsmodeller.
Experimenten genomförs på en rad olika forskningsanläggningar i världen, t.ex. IGISOL i Finland, EC Joint Research Centre i Belgien, NFS@GANIL i Frankrike, CERN n_TOF i Schweiz, och FRS@GSI i Tyskland.
I samarbete med kollegor inom den teoretisk kärnfysiken bidrar vi till utvecklingen av kärnmodellkoder med TALYS-koden som främsta exemplet.
Kärnmodellkoderna används sedan för att bygga kärndatabibliotek som används inom olika tillämpningar. Några exempel på tillämpningar är:
- dosimetri och cancerterapi med snabba neutroner
- strålningseffekter på mikroelektronik
- kärnreaktorer, särskilt snabba reaktorer inom generation IV.
I praktiken betyder det att vi:
- Utvecklar och genomför experiment för att mäta flera olika observabler av en kärnreaktion. Exempel är produktionstvärsnitt, vinkel- och energifördelningen, i fallet lättjonproduktion i neutron-inducerade kärnreaktioner, respektive massfördelningen av klyvningsprodukter, isomera yieldkvoter, och prompta neutroner för kärnklyvning.
- Utvecklar analysverktyg för att filtrera fram mätdata och deras tillhörande osäkerheter som sedan rapporteras i publikationer. Vanligen skickas mätresultaten till databaser så som EXFOR vid IAEA.
- Använder och förbättrar kärnmodellkoder som GEF och TALYS för att förbättra kodernas prestanda.
Mätning av isomera yieldkvoter i Finland och Tyskland
Vi mäter isomera yieldkvoter (IYR) för att undersöka dynamiken bakom fissionsprocessen. Via IYR kan man dra slutsatser av fissionsfragmentens rörelsemängsmoment som uppkommer i fissionprocessen. Mätningarna genomförs vid IGISOL, University of Jyväskylä, Finland och vid FRS-CSC, GSI i Darmstadt, Tyskland.
Vid båda dessa anläggningar används massmätningstekniker för att kunna mäta IYR. Isomerer är olika tillstånd av samma isotop som är relativt långlivade, exempelvis på grund av skillnander i spinn. Vi använder dels Penningfällor och dels MR-TOF-tekniken.
Läs mer
Z. Gao, A. Solders, A. Al-Adili, S. Cannarozzo, M. Lantz, S. Pomp, O. Beliuskina, T. Eronen, S. Geldhof, A. Kankainen, I. D. Moore, D. Nesterenko, and H. Penttilä (IGISOL Collaboration). Isomeric yield ratios in proton-induced fission of 238U. Phys. Rev. C 108, 054613 – Published 30 November 2023.
Kontakt
Fissionsstudier vid JRC i Belgien
Europeiska Kommissionens Joint Research Centre i Geel, Belgien erbjuder flera olika neutronstrålar som vi använder för att studera fission.
Vi undersöker fissionsprocessen via mätningar av en rad olika observabler. Till exempel massfördelningar av fissionsutbytet, fissionsfragmentens energi- och vinkelfördelningar, samt emission av prompta neutroner som funktion av excitationsenergin i kärnan som klyvs.
Dessa undersökningar är viktiga för både grundläggande kärnfysik och för kärntekniska tillämpningar. Trots att det gjorts stora mängder av mätningar av kärnklyvning genom tiderna saknas fortfarande en fullständig förståelse för den komplexa fysiken i det ögonblick kärnan delas. Samverkan mellan de fundamentala krafterna är en utmaning för de rådande modellerna.
Många frågor återstår att besvara. Bland dem dessa:
- Vad driver kärnan under klyvningen att välja mellan symmetrisk och asymmetrisk delning?
- Varför visar de utkommande fissionsfragmenten en stark vinkelpreferens (anisotropi)?
- Hur påverkas massa, energi och vinkelfördelning av fragmenten av resonanser i reaktionstvärsnitten?
- Vilka egenskaper har fissionsbarriären?
- Vad avgör antalet neutroner och gamma, och hur beror dessa antal av fissionsfragmentets massa och energi?
Vi är också involverade i utvecklingen av nya detektor- och datainsamlingssystem för dessa experiment.
Läs mer
A. Al-Adili, D. Tarrío, K. Jansson, V. Rakopoulos, A. Solders, S. Pomp, A. Göök, F.-J. Hambsch, S. Oberstedt, and M. Vidali (2020).
Prompt fission neutron yields in thermal fission of 235U and spontaneous fission of 252Cf. Phys. Rev. C 102, 064610 – Published 10 December 2020. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.102.064610
Al-Adili, A., Hambsch, F., Pomp, S., Oberstedt, S. (2012).
Indication of anisotropic TKE and mass emission in 234U(n,f). Physics Procedia, 158-164 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2012.04.021
Kontakt
Experiment vid NFS@GANIL
Förberedelser av experimentuppställningen Medley.
Neutrons For Science (NFS) är en del av forskningscentret GANIL, beläget i Caen (Frankrike). Här studerar vi kärnreaktioner inducerade av neutroner och lätta laddade partiklar (protoner, deuteroner och alfapartiklar).
Laddade partiklar kan accelereras av linjäracceleratorn LINAC, upp till 40 MeV och användas för att inducera reaktioner i ett strålmål installerat i bestrålningsstationen. Dessutom kan deuteron- och protonstrålar användas för att skapa en neutronstråle. Detta görs genom att låta strålen träffa på en litium- eller berylliumskiva.
Neutroner färdas längs ett vacuumrör och kommer, efter att ha passerat genom en 5 m lång kollimatorvägg, till den så kallade Time-Of-Flight (TOF)-hallen. Neutronstrålen kan antingen vara kvasi-monoenergetisk eller ha en kontinuerlig energifördelning från ca. 1 MeV och upp till nästan 40 MeV.
Experiment vid NFS leder till kärndata om neutron- och lättjoninducerade reaktioner, av intresse för grundläggande forskning om kärnstruktur och kärnreaktionsmekanismer, såväl som för tillämpningar inom kärnbränslecyklen, kärnavfallshantering, fusionsteknik och medicin.
Mätningarna görs främst med experimentuppställningen Medley. Med den studeras
- produktion av lätta joner i neutroninducerade reaktioner i olika atomkärnor
- elastisk spridning: (n,p) och (n,d)
- vinkelfördelning av fissionsfragment.
Åtta detektorer, med tre element vardera, är monterade inuti en spridningskammare. Kammaren är evakuerad under experimentkörningar.
Detektionen baseras på DE-DE-E-tekniken, med ytbarriär av kisel och CsI-detektorer. En kollimator kan monteras framför varje teleskop. Principen visas i figuren.
Ett överblick om Medley samt tidigare forskningsarbeten med Medley finns här:
Läs mer
S. Pomp, et al. A Medley with over ten years of (mostly) light-ion production measurements at The Svedberg Laboratory. EPJ Web of Conf 8, 2010. https://doi.org/10.1051/epjconf/20100807013
Kontakt
Experiment vid n_TOF@CERN
Neutron Time-Of-Flight (n_TOF) är en forskningsanläggning belägen vid CERN (Schweiz). Här studeras interaktioner mellan neutroner och kärnor med hjälp av en pulsad neutronkälla. I synnerhet undersöks fission, neutronfångning, och produktion av lätta joner.
Neutroner produceras genom interaktion av en högenergiprotonstråle (20 GeV/c) från protonsynkrotronen (PS) med ett massivt strålmål av bly.
Som ett resultat av en sådan interaktion producerar varje proton cirka 300 neutroner. De producerade neutronerna sprids och bromsas i strålmålet samt en vattenmoderator. Detta ger en bred energifördelning av neutroner i strålen som sträcker sig från meV upp till GeV-området.
Neutronerna färdas genom vacuumrör till de två experimentalsalar, belägna på 185 m (EAR1) respektive och 20 m (EAR2) från spallationsmålet. Den långa flygsträckan möjliggör mätning av neutronenergin med god noggrannhet genom att mäta deras flygtid (time-of-fligt). Med flygtiden avses tidsskillnaden mellan neutronproduktionen i strålmålet och detekteringen av reaktionsprodukterna skapade av en inkommande neutron i en experimentuppställning (i EAR1 eller EAR2).
Kombinationen av det breda utbudet av neutronenergier som finns tillgängliga (från meV till över 1 GeV), det höga momentana flödet och de långa flygvägarna gör n_TOF till en unik anläggning för studier av neutroninducerade reaktioner med en mycket bra energiupplösning. Det höga flödet möjliggör utöver mätningar på stabila isotoper också studier av instabila (högradioaktiva) isotoper.
De kärndata som erhålls från dessa experiment bidrar till att öka kunskapen om kärnreaktioner och utvecklingen och förbättring av kärndatabibliotek.
De senare är relevanta inom olika områden, såsom kärnbränslecykler, transmutation av använt kärnbränsle, nukleär astrofysik, stråldosimetri och hadronterapi.
Läs mer
D. Tarrio, et al. Neutron-induced fission cross sections of 232Th and 233U up to 1 GeV using parallel plate avalanche counters at the CERN n_TOF facility. Phys. Rev. C 107, 044616 – Published 28 April 2023