Presentación de PowerPoint - Rincón Educativorinconeducativo.org/contenidoextra... · (Japón) A....

Medidas de datos nucleares de interés para Tecnología Nuclear y

Astrofísica en n_TOF (CERN) y RIKEN (Japón)

A. Casanovas (UPC), F. Calviño (UPC), A.Tarifeño-Saldivia (UPC)

y el grupo ANT de la UPC

XXXV Jornadas Nacionales sobre Energía y EducaciónForo Nuclear

Madrid, 21-22 de septiembre de 2018

Introducción• Quiénes somos

• Qué investigamos

– Reacciones nucleares que involucran neutrones

• Para qué

– Tecnología de reactores nucleares

– Astrofísica y nucleosíntesis (i.e. la producción de los elementos)

• Cómo lo hacemos

– Medidas de secciones eficaces en el experimento n_TOF del CERN

– Medidas con haces de iones exóticos con el experimento BRIKEN en RIKEN (Japón)

2



El grupo ANT



Advanced Nuclear Technologies Research Group

Nuestro grupo tiene una larga experiencia en:

Instrumentación

Técnicas experimentales

Colaboraciones internacionales

Adrià Casanovas

Albert Riego

Ariel Tarifeño

Lluís Batet

Paco Calviño

Paula Salvador. NPL, United Kingdom)

Roger Caballero. TRIUMF, Canada

Vitaly Gorlychev, CEA, France

ANT

Carme Pretel

Guillem Cortes

Belen Gomez

De la tabla de los elementos…

4



…a la tabla de los nucleidos

5



Z(número atómico)

Aluminio

Oxígeno

N (Número de neutrones)

Reacciones nucleares neutrón-núcleo• Fisión

• Captura

6

La emisión de más neutrones(2.4 neutrones por fisión de

media para el U-235) permite la posibilidad de una reacción

en cadena

Captura

Núcleo excitado(exceso de energía) Emisión de rayos

gamma

neutrón



Introducción: reacciones nucleares con neutrones

• Desintegración beta con emisión de neutrones retardados

7

Desinte-gración

βelectrón

antineutrino

protón Núcleo excitado(exceso de energía) neutrónneutrón

Rayo gamma

Vida media “larga”: segundos-minutos

0,65% del total de neutrones emitidos en

la fisión el U-235

– Dispersión elástica e inelástica

– Y muchas otras, como producción de partículas cargadas (protones, partículas alfa…)



¿Qué investigamos?

8

Desinte-gración

βelectrón

antineutrino

protón Núcleo excitado(exceso de energía)

neutrónneutrón

Vidas medias de núcleos exóticos, 𝝀𝜷

Captura

Núcleo excitado(exceso de energía) Emisión de rayos

gamma

neutrón

• Desintegración beta con emisión de neutrones retardados

• Captura

Sección eficaz, 𝝈: medida de la

Probabilidad de captura

Probabilidad de emisión de neutrones

retardados, 𝑷𝒏



¿Para qué?

9



10

Tecnología nuclear



La importancia de los datos nucleares

• El control de la fisión, y por lo tanto de la producción de energía de un reactor nuclear se basa en el control su flujo de neutrones

• Para ello es necesario tener información precisa sobre:

– La probabilidad de interacción (fisión, captura) de un neutrón con los materiales del entorno

– La probabilidad de emisión de neutrones retardados

• Modelar los reactores de fisión actuales y su comportamiento

– Optimizar ciclos de combustible → mejorar rendimiento

– Producción de residuos (productos de fisión y actínidos menores)

• Diseñar los futuros reactores nucleares

11



Secciones eficaces para tecnología

12

Figura Nucleosintesi (frecce che si muovono)

Foto FIC

239Pu: 125 Kg/yr

237Np: 16 Kg/yr

241Am:11.6 Kg/yr243Am: 4.8 Kg/yr

244, 245Cm1.5 Kg/yr

LLFP

LLFP76.2 Kg/yr

Quantities refer to yearly production in 1 GWe LW reactor

Como en las estrellas, los reactores nucleares producen energía a partir dereacciones nucleares (de momento, solo por fisión) y generan nuevos elementos:Combustible (breeding) o Residuos.

Reactores Nucleares: el

origen (artificial) de los

elementos transuránicos

s, l



13



El papel de los neutrones retardados

• Los reactores nucleares trabajan en “modo” crítico. Es decir un neutrón genera una fisión (reacción en cadena)

• Cualquier cambio genera una variación exponencial

• La criticidad no puede estar basada en los neutrones inmediatos (tiempos de respuesta demasiado pequeños) producidos por la fisión

• Los reactores se diseñan para que la criticidad se logre solamente después de añadir la pequeñísima contribución de los neutrones retardados

Group Half-Life (s) Decay Constant (s−1) Energy (keV)Yield, Neutrons per FissionFraction

1 55.72 0.0124 250 0.00052 0.0002152 22.72 0.0305 560 0.00546 0.0014243 6.22 0.111 405 0.00310 0.0012744 2.30 0.301 450 0.00624 0.0025685 0.614 1.14 - 0.00182 0.0007486 0.230 3.01 - 0.00066 0.000273

Pn

14

Astrofísica y nucleosíntesis



• Cuestión fundamental en astrofísica: origen de los elementos y de las abundancias observadas

Fusión en estrellasHe a Fe

Procesos de captura de neutronesZ>Fe

Primordial(Big Bang)

Datos nucleares para la astrofísica: nucleosíntesis

15

proceso s: escala temporal ~102-104 y; nn≈107-1011 (slow)

Proceso r: escala temporal ~μs; nn>1020

(rapid)

Rayos cósmicos

Procesos de captura de neutrones

Proceso de captura de protones



Datos nucleares para astrofísica: proceso s

16

Rb

Ga

Ge

Zn

Co

Se

Br

As

Y

Sr

Kr

(n,g)

(b-)

(b+)

Fe

To 209Bi

...

Ni

La mitad de las abundancias de los

elementos pesados (desde el

hierro, Z=23, al bismuto, Z=83) se

producen por sucesivas reacciones

de captura y desintegración beta…

…en estrellas con 2-3

veces la masa del sol al

final de su vida (gigantes

rojas) y estrellas masivas

(8-10 masas solares)

Las secciones eficaces de captura determinan el patrón

final de abundancias

~30000 años



Datos nucleares para la astrofísica

Predicciones del patrón de

abundancias

17

Datos de reacciones nucleares

Modelos computaciones

de evolución estelar

Observaciones y mediciones del

patrón de abundancias

• Abundancias solares

(fotosfera)

• Meteoritos

• Observacionesastronómicas

• Secciones eficaces

• Tasas de desintegración

=?



¿Cómo lo medimos?

18



Medida de una sección eficaz

19

Captura

Núcleo excitado(exceso de energía)

Emisión de rayos gamma

Una fuente de neutrones de

alta intensidad

Un sistema de detección de la

reacción

• Experimento del CERN en funcionamiento desde 2001

• Colaboración internacional compuesta por 124 Investigadores de 49 instituciones de todo el mundo

• Además de reacciones de captura (n,γ), se miden reacciones de fisión (n,f) y de producción de partículas cargadas (n,p) y (n,α)

Una muestra



El experimento n_TOF del CERN

20

PS 20GeVLinac

50 MeV

Booster

1.4 GeV

n_TOF

EAR1

Proton beam

17GeV/c

7x1012 ppp

Pb Spallation target

Neutron beam at 10º

n_TOF EAR2

(vertical)

• n_TOF produce haces pulsados de neutrones, cuya energía se mide mediante la técnica del tiempo de vuelo

• Técnica del tiempo de vuelo:

𝐸𝑛 ≅72.29 𝐿2

𝑡1 − 𝑡02

𝑡0

𝑡1



~30x

EAR1(2001)

EAR2(2014)

Detectores de rayos gamma

Muestras

γ

γ

γ

4 cm boratedwater moderator

Target de espalación1 tonelada de plomo

Protones(LINAC + Booster +

PS)

20 GeV/c7 ns

20 m

185 m

El experimento n_TOF del CERN

Neutrones

Neu

tro

nes



Medidas de la UPC en n_TOF

• 2015: Tl203(n,γ) y Tl204(n,γ):

– conjuntamente con el IFIC (CSIC-U. Valencia) y la U. de Sevilla

– Tl-204 radiactivo, medida muy compleja

– Algunos isótopos radiactivos son especialmente importantes para el proceso s– Measurement of the radiative capture cross section of the s-process branching points 204Tl and

171Tm at the n_TOF facility (CERN), EPJ W. of Conf., 178, 03004 (2018)

• 2018: Tl205(n,γ)– Responsables de la medida, realizada con éxito

22

Ambas medidas contribuirán a mejorar la comprensión de la

terminación del proceso s, a fijar las abundancias de Tl y Pb



Datos nucleares para la astrofísica: el proceso r

23

r-process path

r-process abundances

lb << ln,g

tb >> tn,g

• La otra mitad de las abundancias de elementos pesados se crean en eventos explosivos como colisiones de estrellas de neutrones o supernovas

• De gran importancia para determinar el patrón final de abundancias debido al proceso r son las constantes de desintegración beta y la probabilidad de emisión de neutrones retardados

𝜆𝛽 𝑃𝑛



Experimentos con haces radiactivos en RIKEN

Para determinar 𝜆𝛽 y 𝑃𝑛 se necesita:

• Producir los isótopos exóticos que se quiere medir

→ La instalación RIKEN-Nishima

• Disponer de un sistema de detección para poder medir las dos magnitudes a la vez

→ BRIKEN (Beta delayed neutrons at RIKEN)

24



25



El detector BRIKEN

• BRIKEN consiste principalmente en:

– Un sistema de detección de los iones radiactivos y su desintegración (AIDA)

– Un sistema de detección de los neutrones producidos → Diseño UPC

• 140 tubos detectores de neutrones en una matriz de polietileno

– Un software específico para detectar las coincidencias de ambos sucesos y procesar los datos → Desarrollado por el IFIC (CSIC-U. de Valencia)

26

• Colaboración internacional con más de 50 miembros de 14 instituciones



RIKEN-Nishima

• Haces radiactivos producidos por reacciones de fragmentación de un haz de U-238 contra un target de berilio

27



Cómo se miden neutrones retardados

28

Desinte-gración

βelectrón

antineutrino

protón Núcleo excitado(exceso de energía)

neutrónneutrón

Haz radiactivo

Implantación y detección de la desintegración β

140 detectores para una alta eficiencia (~70%)



29



Medidas de 𝑃𝑛 y 𝜆𝛽 precedentes

• R. Caballero-Folch, “Primeras medidas de emisores beta retardados más alla de N=126”, con el detector BELEN-30 en el GSI (Alemania), 2013-14

30



Conclusiones

• Los datos de reacciones nucleares son fundamentales tanto para la tecnología nuclear como para la investigación más básica, en este caso astrofísica

• En física nuclear experimental, la colaboración con instituciones, tanto del país como internaciones, es imprescindible para lograr los resultados deseados

• Los institutos de investigación públicos españoles, a pesar de las muchas dificultades (de financiación en primer lugar), participan, e incluso lideran con éxito, experimentos en algunos de los centros de investigación en física nuclear punteros en el mundo

31



¡Gracias por su atención!

32



Sección eficaz (macroscópica)• La sección eficaz nuclear es la cantidad empleada para expresar la

probabilidad de suceso de una reacción nuclear

• La tasa de reacción Y será proporcional a:– El flujo de partículas entrantes

– La densidad de partículas del material

– El volumen (superficie por grosor del material) con el que interacciona el haz

• Así pues, definimos la sección eficaz como la relación entre la tasa de captura y las magnitudes mencionadas

• Tiene dimensiones de área

33

𝒀 ∝ 𝜙 𝑁𝑥 𝑆 Δ𝐿

DL

S

Ss

a

X

𝝈 =𝒀

𝜙 𝑁𝑥 𝑆 Δ𝐿



Presentación de PowerPoint - Rincón Educativorinconeducativo.org/contenidoextra... · (Japón) A....

Documents

Transcript of Presentación de PowerPoint - Rincón Educativorinconeducativo.org/contenidoextra... · (Japón) A....