Die Ergebnisse des Chi-Nu-Physikexperiments im Los Alamos National Laboratory des US-Energieministeriums liefern noch nie dagewesene wichtige Daten zur Verbesserung nuklearer Sicherheitsanwendungen, zum Verständnis der Kritikalitätssicherheit und zum Entwurf schneller Neutronenenergiereaktoren. Das Chi-Nu-Projekt, ein jahrelanges Experiment, das das Energiespektrum von Neutronen misst, die durch neutroneninduzierte Spaltung emittiert werden, hat kürzlich die detaillierteste und umfangreichste Unsicherheitsanalyse der drei wichtigsten Aktinidelemente Uran-238, Uran-235 und Plutonium-239 abgeschlossen.

Jaime Gomez (links) und Keegan Kelly bauten das Chi-Nu-Experiment auf, kalibrierten den Abstand des Detektors und installierten Gasleitungen für das Spaltungszählziel (Mitte). Quelle: Los Alamos National Laboratory

Keegan Kelly, Physiker am Los Alamos National Laboratory, sagte: „Kernspaltung und damit verbundene nukleare Kettenreaktionen wurden vor mehr als 80 Jahren entdeckt, und Experimentatoren arbeiten immer noch daran, ein vollständiges Bild des Spaltprozesses der wichtigsten Aktiniden zu liefern. Während des gesamten Projekts haben wir unterschiedliche Merkmale des Spaltprozesses beobachtet, die in vielen Fällen in keinem früheren Experiment beobachtet wurden.“

Die letzte Chi-Nu-Studie des Los Alamos-Teams zum Isotop Uran-238 wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review C veröffentlicht. Das Experiment maß das momentane Spaltungsneutronenspektrum von Uran-238: die Energie der spaltungsinduzierenden Neutronen – diejenigen, die auf den Kern treffen und ihn spalten – und die potenziell breite Energieverteilung (Spektrum) der so freigesetzten Neutronen. Der Schwerpunkt des Chi-Nu-Experiments liegt auf der durch „schnelle Neutronen induzierten“ Spaltung, bei der einfallende Neutronen Energien von bis zu Millionen Elektronenvolt haben und für die es im Allgemeinen nur wenige Messungen gibt.

Der Physiker Keegan Kelly installierte für das Chi-Nu-Experiment ein Kernspaltungszählziel, das etwa 100 Milligramm der verwandten Aktiniden enthält. Das Gerät umfasst 54 Flüssigszintillations-Neutronendetektoren und 22 Lithiumglasdetektoren zur Messung von Neutronen in verschiedenen Energiebereichen. Quelle: Los Alamos National Laboratory

Wichtige Daten für spaltungsbezogene Arbeiten

Zusammen mit ähnlichen Messungen an Uran-235 und Plutonium-239 sind die Ergebnisse des Chi-Nu-Experiments heute in vielen Fällen die Hauptquelle experimenteller Daten, die moderne Bewertungen von Neutronenspektren der transienten Spaltung leiten. Diese Daten bilden die Grundlage für nukleare Modelle, Monte-Carlo-Berechnungen, Berechnungen der Reaktorleistung usw.

Aktinide und ihre möglichen Kettenreaktionen sind wichtig für Kernwaffen und Energiereaktoren. (Die Aktiniden beziehen sich auf die 15 Elemente mit den Ordnungszahlen 89 bis 103. Sie sind alle radioaktiv.) Bei einer Kernspaltung oder -spaltung werden mehrere Neutronen freigesetzt, die zur Spaltung benachbarter Kerne führen können, was zu einer Kettenreaktion führt. Die Wahrscheinlichkeit von Folgereaktionen in einer Kettenreaktion hängt von der Energie des Spaltneutrons ab.

LANSCE-Experimentalprozess

Das Chi-Nu-Experiment, das in der Weapons Neutron Research Facility im Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE) durchgeführt wird, basiert auf Präzisionsinstrumenten, die mehrere Energiebereiche testen. Der LANSCE-Protonenstrahl trifft auf das Wolframziel und die erzeugten Neutronen fliegen entlang der Flugbahn in Richtung des Chi-Nu-Geräts. Wenn diese Neutronen auf das Uran-238-Isotop treffen, kommt es zu einer Spaltung, bei der sich der Uran-238-Kern aufspaltet und aufgezeichnet wird. Abhängig vom Energiebereich des Experiments werden die durch das Spaltungsereignis emittierten Neutronen dann in einer Reihe von Flüssigszintillator- oder Lithiumglasdetektoren gemessen, die beide den Lichtblitz aufzeichnen, den die Neutronen im Detektor verursachen.

zukünftige Anwendungen

Forscher skizzieren weiterhin das Gesamtbild der Aktinidenisotope. In angrenzenden Arbeiten, die vom Nuclear Criticality and Safety Program finanziert werden, sammelt und analysiert das Chi-Nu-Experiment-Team derzeit Daten zu Plutonium-240 und Uran-233.

Da die Messarbeiten des Office of Experimental Science nun abgeschlossen sind, möchte das Team die aus Spaltneutronenmessungen gewonnenen Fähigkeiten und Methoden auf Messungen einer Reihe anderer Isotope anwenden. Sie streben auch die Messung der Neutronen an, die bei der Neutronenstreureaktion emittiert werden. Bei diesen Reaktionen dringen Neutronen durch das Material und deponieren dabei Energie. Neben der Messung der Energie und der Winkelspektren der emittierten Neutronen und Gammastrahlen wird auch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Reaktion gemessen, die oft als Neutronenstreuungsquerschnitt bezeichnet wird.