De resultaten van het natuurkunde-experiment Chi-Nu in het Los Alamos National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie leveren nooit eerder vertoonde belangrijke gegevens op voor het verbeteren van nucleaire veiligheidstoepassingen, het begrijpen van de kriticiteitsveiligheid en het ontwerpen van snelle neutronenenergiereactoren. Het Chi-Nu Project, een jarenlang experiment dat het energiespectrum meet van neutronen die worden uitgezonden door neutronengeïnduceerde splijting, heeft onlangs de meest gedetailleerde en uitgebreide onzekerheidsanalyse voltooid van de drie belangrijkste actinide-elementen, uranium-238, uranium-235 en plutonium-239.

Jaime Gomez (links) en Keegan Kelly zetten het Chi-Nu-experiment op, waarbij ze de afstand van de detector kalibreerden en gasleidingen installeerden voor het doel voor het tellen van splijtingen (midden). Bron: Los Alamos Nationaal Laboratorium

Keegan Kelly, een natuurkundige aan het Los Alamos National Laboratory, zei: "Kernsplijting en aanverwante nucleaire kettingreacties werden meer dan 80 jaar geleden ontdekt, en experimentatoren werken er nog steeds aan om een ​​compleet beeld te geven van het splijtingsproces van de belangrijkste actiniden. Gedurende het project hebben we verschillende kenmerken van het splijtingsproces waargenomen die in veel gevallen nog nooit in een eerder experiment waren waargenomen."

De laatste Chi-Nu-studie van het Los Alamos-team naar de isotoop uranium-238 is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review C. Het experiment mat het momentane splijtingsneutronenspectrum van uranium-238: de energie van de splijting-inducerende neutronen – degenen die de kern raken en uiteensplitsen – en de potentieel brede energieverdeling (spectrum) van de neutronen die zo vrijkomen. De focus van het Chi-Nu-experiment ligt op "snelle neutronengeïnduceerde" splijting, waarbij invallende neutronen energieën hebben tot miljoenen elektronvolt, en waarvoor metingen over het algemeen schaars zijn.

Natuurkundige Keegan Kelly installeerde een doelwit voor het tellen van kernsplijtingen voor het Chi-Nu-experiment, dat ongeveer 100 milligram van de verwante actiniden bevat. Het apparaat bevat 54 vloeistofscintillatieneutronendetectoren en 22 lithiumglasdetectoren om neutronen in verschillende energiebereiken te meten. Bron: Los Alamos Nationaal Laboratorium

Belangrijke gegevens voor splijtingsgerelateerd werk

Samen met vergelijkbare metingen aan uranium-235 en plutonium-239 zijn de resultaten van het Chi-Nu-experiment nu in veel gevallen de belangrijkste bron van experimentele gegevens die als leidraad dienen voor moderne beoordelingen van transiënte splijtingsneutronenspectra. Deze gegevens vormen de basis voor nucleaire modellen, Monte Carlo-berekeningen, berekeningen van reactorprestaties, enz.

Actiniden en hun mogelijke kettingreacties zijn belangrijk voor kernwapens en energiereactoren. (De actiniden verwijzen naar de 15 elementen met atoomnummers van 89 tot en met 103. Ze zijn allemaal radioactief.) Bij een kernsplijting of splitsing komen verschillende neutronen vrij, die de splijting van aangrenzende kernen kunnen veroorzaken, wat resulteert in een kettingreactie. De waarschijnlijkheid van daaropvolgende reacties in een kettingreactie hangt af van de energie van het splijtingsneutron.

LANSCE experimenteel proces

Het Chi-Nu-experiment, uitgevoerd in de Weapons Neutron Research Facility van het Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE), is gebaseerd op precisie-instrumenten die meerdere energiebereiken testen. De LANSCE-protonenbundel raakt het wolfraamdoel en de geproduceerde neutronen vliegen langs de vliegbaan naar het Chi-Nu-apparaat. Wanneer deze neutronen de uranium-238-isotoop raken, vindt er een splijtingsgebeurtenis plaats, waarbij de uranium-238-kern uiteenvalt en wordt geregistreerd. Afhankelijk van het energiebereik van het experiment worden de neutronen die door de splijtingsgebeurtenis worden uitgezonden vervolgens gemeten in een reeks vloeistofscintillator- of lithiumglasdetectoren, die beide de lichtflits registreren die de neutronen in de detector veroorzaken.

toekomstige toepassingen

Onderzoekers blijven het volledige beeld van actinide-isotopen schetsen. In aanverwant werk, gefinancierd door het Nuclear Criticality and Safety Program, verzamelt en analyseert het Chi-Nu Experiment-team momenteel gegevens over plutonium-240 en uranium-233.

Nu het meetwerk van het Office of Experimental Science is voltooid, wil het team de vaardigheden en methoden die zijn opgedaan bij metingen van splijtingsneutronen toepassen op metingen van een reeks andere isotopen. Ze zijn ook bezig met het meten van de neutronen die worden uitgezonden door de neutronenverstrooiingsreactie. Bij deze reacties passeren neutronen het materiaal en zetten daarbij energie af. Naast het meten van de energie en hoekspectra van de uitgezonden neutronen en gammastraling, wordt ook de waarschijnlijkheid van een reactie gemeten, vaak de neutronenverstrooiingsdwarsdoorsnede genoemd.