Double-differential neutron-induced cross sections on Fe-nat at GANIL-NFS
يُقدم هذا البحث النتائج الأولى من حملة تجريبية أجريت عام 2023 في مرفق NFS التابع لمركز GANIL، حيث استُخدم إعداد Medley لقياس المقاطع العرضية التفاضلية المزدوجة للجسيمات الخفيفة المشحونة المنبعثة من الحديد الطبيعي تحت تأثير الإشعاع النيوتروني حتى 44 ميجا إلكترون فولت.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
داخل العظام الفولاذية لمفاعل نووي، تُشن معركة هادئة ولكنها ضارية. فعندما تصطدم النيوترونات عالية السرعة بالمعدن، فهي لا ترتد فحسب؛ بل تحطم النوى الذرية، مما يخلق شظايا صغيرة من غازي الهيدروجين والهيليوم. وعلى مر سنوات التشغيل، تتراكم هذه الغازات داخل المعدن الصلب، مما يتسبب في انتفاخه ويجعله هشاً، تماماً مثل إسفنجة امتصت الكثير من الماء. يهدد هذا الضرر السلامة الهيكلية للأوعية المصممة أصلاً لاحتواء طاقة الاندماج أو الانشطار الهائلة. وللتنبؤ بالمدة التي يمكن للمفاعل أن يعمل فيها بأمان، يحتاج العلماء إلى معرفة كيفية تفاعل هذه النيوترونات مع الحديد بدقة، وهو المكون الأساسي في فولاذ المفاعلات. إنهم بحاجة إلى قياس ليس فقط عدد الجسيمات التي تتحرر، بل أيضاً مقدار الطاقة التي تحملها والاتجاه الذي تطير فيه بدقة.
لعقود من الزمن، كافح العلماء للحصول على هذه القياسات للنيوترونات عالية الطاقة الموجودة في المفاعلات الحديثة. وبينما تتوفر بيانات للطاقات المنخفضة، تصبح الصورة ضبابية وغير مؤكدة فوق 14 مليون إلكترون فولت، وهو النطاق الذي تصبح فيه الفيزياء معقدة وصعبة النمذجة. وبدون بيانات دقيقة في هذه المنطقة عالية الطاقة، تضطر عمليات المحاكاة الحاسوبية المستخدمة لتصميم مفاعلات آمنة إلى التخمين، مما يترك المهندسين مع قدر أقل من اليقين بشأن العمر الافتراضي لهياكلها. وقد سعى فريق من الباحثين مؤخراً لسد هذه الفجوة، من خلال إجراء تجربة جديدة لرسم خريطة لسلوك النيوترونات وهي تصطدم بالحديد الطبيعي بتفاصيل غير مسبوقة.
أُجريت التجربة في عام 2023 في منشأة "النيوترونات من أجل العلم" (Neutrons For Science) في مدينة كاين بفرنسا، وهي موقع مخصص لإنتاج حزم من النيوترونات لأغراض البحث. استخدم الفريق أداة متخصصة تسمى "ميدلي" (Medley)، وهي جهاز صُمم في الأصل في جامعة أوبسالا في السويد، ويهدف خصيصاً لالتقاط الجسيمات الخفيفة المشحونة التي تنطلق عندما تنقسم النواة. يتكون الإعداد أساساً من غرفة مفرغة كبيرة الحجم، يتوسطها هدف من الحديد الطبيعي. وتحيط بهذا الهدف ثماني مجموعات من الكواشف، مرتبة مثل أسلاك العجلة، كل منها قادر على تتبع الجسيمات المتطايرة بزوايا مختلفة. وكان هدف الحديد نفسه عبارة عن رقاقة رقيقة، سميكة بما يكفي للتفاعل مع الحزمة، ورقيقة بما يكفي للسماح للجسيمات الناتجة بالهروب دون فقدان الكثير من طاقتها.
لخلق الظروف اللازمة للدراسة، أطلقت المنشأة حزمة من النيوترونات باتجاه هدف الحديد. لم تكن هذه النيوترونات متساوية السرعة؛ بل شكلت بدلاً من ذلك حزمة "بيضاء"، وهي طيف واسع يحتوي على مستويات طاقة تتراوح من المستويات المنخفضة وصولاً إلى 44 مليون إلكترون فولت. ومع اصطدام النيوترونات بالحديد، تسببت في تفاعلات نووية أدت إلى قذف بروتونات وديوترونات وجسيمات خفيفة أخرى. التقطت الكواشف، المرتبة على شكل تلسكوبات، هذه الجسيمات الهاربة. ومن خلال قياس مقدار الطاقة التي يودعها كل جسيم في سلسلة من طبقات السيليكون وبلورة ومضية نهائية، استطاع الباحثون تحديد نوع كل جسيم وسرعته بدقة.
تضمن جزء حاسم من العملية ضبط التوقيت. فقد قاس الباحثون الوقت الذي يستغرقه الجسيم للانتقال من الهدف إلى الكاشف، ومقارنته باللحظة الدقيقة لتوليد حزمة النيوترونات. سمح لهم قياس "زمن الطيران" هذا بحساب طاقة النيوترونات الواردة لكل حدث على حدة. ولأن الجسيمات تفقد قدراً ضئيلاً من طاقتها أثناء مرورها عبر هدف الحديد نفسه، توجب على الفريق تطبيق تصحيح رياضي لإعادة بناء الطاقة الحقيقية للجسيمات لحظة ولادتها. لقد استخدموا محاكاة حاسوبية لنمذجة كيفية فقدان الجسيمات لطاقتها داخل المعدن، ثم استخدموا طريقة إحصائية للهندسة العكسية للبيانات الأصلية، مما أدى فعلياً إلى إزالة التشوه الناتج عن مادة الهدف.
والنتيجة هي عمل دقيق أنتج مجموعة جديدة من قياسات "المقطع العرضي التفاضلي المزدوج"، وهو مصطلح يصف ببساطة احتمالية انبعاث جسيم ما عند زاوية محددة وطاقة محددة. نجح الفريق في قياس هذه القيم للبروتونات المنبعثة من الحديد عند تعرضه لنيوترونات بمتوسط طاقة يبلغ 14.5 مليون إلكترون فولت. ورسموا خريطة لكيفية انطلاق البروتونات عند زوايا تتراوح بين 20 و160 درجة، مما خلق صورة مفصلة لنمط الانبعاث. وأظهرت البيانات أن الإعداد التجريبي كان يعمل بشكل موثوق، حيث التقط الجسيمات بدقة عالية وسمح للفريق بتصحيح فقدان الطاقة داخل الهدف.
وبينما لا يزال التحليل الكامل لجميع البيانات التي جُمعت خلال الحملة قيد التنفيذ، فإن النتائج الأولية لنيوترونات الـ 14.5 مليون إلكترون فولت واعدة بالفعل. وجد الباحثون أن قياساتهم يمكن مطابقتها بسلاسة مع منحنيات رياضية قياسية، مما يشير إلى أن البيانات متسقة وموثوقة. يؤكد هذا النجاح فاعلية استخدام إعداد "ميدلي" في هذه المنشأة، ويؤكد أن التصحيحات المعقدة لفقدان الطاقة وتحديد هوية الجسيمات قد تمت معالجتها بشكل صحيح. ويعمل الفريق الآن على توسيع نطاق هذه القياسات لتغطي كامل نطاق الطاقة حتى 44 مليون إلكترون فولت، وتحليل أنواع أخرى من الجسيمات، مثل نوى الهيليوم.
يوفر هذا العمل قطعة حاسمة من أحجية مهندسي الطاقة النووية. فمن خلال تقديم بيانات صلبة حول كيفية سلوك الحديد تحت القصف عالي الطاقة، توفر الدراسة أساساً أكثر متانة للنماذج الحاسوبية المستخدمة لتصميم مفاعلات الاندماج المستقبلية وتقييم سلامة المفاعلات الحالية. إن القدرة على التنبؤ بكيفية تدهور المواد الهيكلية بمرور الوقت أمر ضروري للانتقال إلى مصادر طاقة أنظف، وقد اتخذت هذه التجربة خطوة كبيرة نحو جعل تلك التنبؤات أكثر دقة. لقد أثبت الباحثون أنه من الممكن قياس هذه التفاعلات الصعبة بدقة عالية، مما يفتح الباب أمام اختبارات أكثر صرامة للمواد التي ستحمل يوماً ما قوة النجوم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.