Double-differential neutron-induced cross sections on Fe-nat at GANIL-NFS

In den stählernen Knochen eines Kernreaktors tobt ein stiller, aber unerbittlicher Kampf. Wenn hochenergetische Neutronen auf das Metall prallen, prallen sie nicht einfach nur ab; sie zertrümmern die Atomkerne und erzeugen winzige Fragmente aus Wasserstoff- und Heliumgas. Über Jahre des Betriebs sammeln sich diese Gase im festen Metall an, was dazu führt, dass es anschwillt und spröde wird, ganz ähnlich wie ein Schwamm, der zu viel Wasser aufgesogen hat. Dieser Schaden bedroht die strukturelle Integrität genau jener Gefäße, die dazu bestimmt sind, die immense Energie der Fusion oder Fission zu halten. Um vorherzusagen, wie lange ein Reaktor sicher betrieben werden kann, müssen Wissenschaftler genau wissen, wie diese Neutronen mit Eisen interagieren, dem Hauptbestandteil von Reaktorstahl. Sie müssen nicht nur messen, wie viele Teilchen herausgeschlagen werden, sondern auch exakt, wie viel Energie sie tragen und in welche Richtung sie fliegen.

Jahrzehntelang hatten Wissenschaftler Schwierigkeiten, diese Messungen für die hochenergetischen Neutronen zu erhalten, die in modernen Reaktoren vorkommen. Während Daten für niedrigere Energien existieren, wird das Bild oberhalb von 14 Millionen Elektronenvolt unscharf und unsicher – ein Bereich, in dem die Physik komplex und schwierig zu modellieren ist. Ohne präzise Daten in dieser hochenergetischen Zone sind die Computersimulationen, die zur Konstruktion sicherer Reaktoren verwendet werden, gezwungen zu raten, was Ingenieure mit weniger Gewissheit über die Lebensdauer ihrer Strukturen zurücklässt. Ein Forscherteam hat sich kürzlich auf den Weg gemacht, diese Lücke zu schließen, indem es ein neues Experiment durchführte, um das Verhalten von Neutronen, die auf natürliches Eisen treffen, mit beispielloser Detailgenauigkeit zu kartieren.

Das Experiment fand 2023 in der „Neutrons For Science“-Anlage in Caen, Frankreich, einem Standort, der der Erzeugung von Neutronenstrahlen für die Forschung gewidmet ist, statt. Das Team verwendete ein spezialisiertes Instrument namens Medley, ein Gerät, das ursprünglich an der Universität Uppsala in Schweden entwickelt wurde und speziell dafür konzipiert ist, die leichten, geladenen Teilchen aufzufangen, die herausfliegen, wenn ein Kern zerbricht. Der Aufbau besteht im Wesentlichen aus einer großen, leeren Vakuumkammer mit einem Ziel aus natürlichem Eisen in der Mitte. Um dieses Ziel herum sind acht Detektorsätze angeordnet, die wie die Speichen eines Rades angeordnet sind und jeweils in der Lage sind, Teilchen zu verfolgen, die in verschiedenen Winkeln herausfliegen. Das Eisenziel selbst war eine dünne Folie, die gerade dick genug war, um mit dem Strahl zu interagieren, aber dünn genug, um die resultierenden Teilchen entweichen zu lassen, ohne dass sie zu viel Energie verlieren.

Um die für die Studie erforderlichen Bedingungen zu schaffen, feuerte die Anlage einen Neutronenstrahl auf das Eisenziel. Diese Neutronen waren nicht alle gleich schnell; stattdessen bildeten sie einen „weißen“ Strahl, ein breites Spektrum, das Energien von niedrigen Niveaus bis hin zu 44 Millionen Elektronenvolt umfasst. Als die Neutronen auf das Eisen trafen, lösten sie Kernreaktionen aus, die Protonen, Deuteronen und andere leichte Teilchen ausstießen. Die Detektoren, die als Teleskope angeordnet waren, fingen diese entweichenden Teilchen auf. Durch die Messung, wie viel Energie jedes Teilchen in einer Reihe von Siliziumschichten und einem abschließenden Szintillationskristall deponierte, konnten die Forscher genau identifizieren, um welche Art von Teilchen es sich handelte und wie schnell es sich bewegte.

Ein kritischer Teil des Prozesses war das Timing. Die Forscher maßen die Zeit, die ein Teilchen benötigte, um vom Ziel zum Detektor zu reisen, und verglichen dies mit dem präzisen Moment, in dem der Neutronenstrahl erzeugt wurde. Diese Flugzeitmessung ermöglichte es ihnen, die Energie der einfallenden Neutronen für jedes einzelne Ereignis zu berechnen. Da die Teilchen beim Passieren des Eisenziels selbst eine kleine Menge an Energie verlieren, musste das Team eine mathematische Korrektur anwenden, um die wahre Energie der Teilchen zu rekonstruieren, wie sie bei der Entstehung vorhanden war. Sie nutzten Computersimulationen, um zu modellieren, wie die Teilchen innerhalb des Metalls Energie verlieren, und wandten dann eine statistische Methode an, um die ursprünglichen Daten rückwärts zu berechnen – wodurch sie die durch das Zielmaterial verursachte Verzerrung effektiv wieder „abzogen“.

Das Ergebnis dieser sorgfältigen Arbeit ist ein neuer Datensatz für den doppeldifferenziellen Wirkungsquerschnitt, ein Begriff, der schlicht die Wahrscheinlichkeit beschreibt, mit der ein Teilchen mit einer bestimmten Energie in einem bestimmten Winkel emittiert wird. Dem Team gelang es, diese Werte für Protonen zu messen, die aus Eisen austreten, wenn dieses von Neutronen mit einer durchschnittlichen Energie von 14,5 Millionen Elektronenvolt getroffen wird. Sie kartierten, wie viele Protonen in Winkeln von 20 bis 160 Grad wegfliegen, und erstellten so ein detailliertes Bild des Emissionsmusters. Die Daten zeigten, dass der Versuchsaufbau zuverlässig funktionierte, die Teilchen mit hoher Präzision erfasste und es dem Team ermöglichte, die Energieverluste innerhalb des Ziels zu korrigieren.

Während die vollständige Analyse aller während der Kampagne gesammelten Daten noch andauert, sind die vorläufigen Ergebnisse für die 14,5-Millionen-Elektronenvolt-Neutronen bereits vielversprechend. Die Forscher fanden heraus, dass ihre Messungen glatt mit Standard-Mathematikkurven angepasst werden konnten, was darauf hindeutet, dass die Daten konsistent und zuverlässig sind. Dieser Erfolg validiert den Einsatz des Medley-Aufbaus an dieser Anlage und bestätigt, dass die komplexen Korrekturen für Energieverlust und Teilchenidentifizierung korrekt gehandhabt wurden. Das Team arbeitet nun daran, diese Messungen auf den gesamten Energiebereich bis zu 44 Millionen Elektronenvolt auszudehnen und auch andere Arten von Teilchen, wie etwa Heliumkerne, zu analysieren.

Diese Arbeit liefert ein entscheidendes Puzzlestück für Kernenergieingenieure. Indem sie harte Daten darüber liefert, wie sich Eisen unter hochenergetischer Bestrahlung verhält, bietet die Studie ein festeres Fundament für die Computermodelle, die zur Konstruktion zukünftiger Fusionsreaktoren und zur Bewertung der Sicherheit bestehender Reaktoren verwendet werden. Die Fähigkeit, vorherzusagen, wie sich Strukturmaterialien im Laufe der Zeit verschlechtern, ist essenziell für den Übergang zu sauberen Energiequellen, und dieses Experiment hat einen bedeutenden Schritt getan, um diese Vorhersagen genauer zu machen. Die Forscher haben bewiesen, dass es möglich ist, diese schwierigen Wechselwirkungen mit hoher Präzision zu messen, was die Tür für strengere Tests der Materialien öffnet, die eines Tages die Kraft der Sterne halten werden.