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

All'interno delle ossa d'acciaio di un reattore nucleare, si combatte una battaglia silenziosa ma implacabile. Quando neutroni ad alta velocità si schiantano contro il metallo, non si limitano a rimbalzare; essi frantumano i nuclei atomici, creando minuscoli frammenti di gas idrogeno ed elio. Nel corso di anni di operatività, questi gas si accumulano all'interno del metallo solido, causandone il rigonfiamento e la fragilità, proprio come una spugna che ha assorbito troppa acqua. Questo danno minaccia l'integrità strutturale dei medesimi recipienti progettati per contenere l'immensa energia della fusione o della fissione. Per prevedere quanto a lungo un reattore possa operare in sicurezza, gli scienziati devono sapere esattamente come questi neutroni interagiscono con il ferro, l'ingrediente principale dell'acciaio per reattori. Devono misurare non solo quanti particelle vengono espulse, ma esattamente quanta energia trasportano e in quale direzione volino.

Per decenni, gli scienziati hanno faticato a ottenere queste misurazioni per i neutroni ad alta energia presenti nei moderni reattori. Sebbene esistano dati per energie inferiori, il quadro diventa sfocato e incerto sopra i 14 milioni di elettronvolt, un intervallo dove la fisica diventa complessa e difficile da modellare. Senza dati precisi in questa zona ad alta energia, le simulazioni al computer utilizzate per progettare reattori sicuri sono costrette a tirare a indovinare, lasciando gli ingegneri con meno certezza sulla durata delle loro strutture. Un team di ricercatori si è recentemente dato il compito di colmare questa lacuna, conducendo un nuovo esperimento per mappare il comportamento dei neutroni che colpiscono il ferro naturale con un dettaglio senza precedenti.

L'esperimento si è svolto nel 2023 presso la struttura Neutrons For Science a Caen, in Francia, un sito dedicato alla produzione di fasci di neutroni per la ricerca. Il team ha utilizzato uno strumento specializzato chiamato Medley, un dispositivo originariamente costruito presso l'Università di Uppsala, in Svezia, e progettato specificamente per catturare le particelle cariche e luminose che volano fuori quando un nucleo si frammenta. La configurazione è essenzialmente una grande camera a vuoto, vuota, con un bersaglio di ferro naturale posto al centro. Attorno a questo bersaglio si trovano otto set di rilevatori, disposti come i raggi di una ruota, ognuno capace di tracciare le particelle che volano fuori ad angoli diversi. Il bersaglio di ferro stesso era una sottile lamina, abbastanza spessa da interagire con il fascio, ma abbastanza sottile da permettere alle particelle risultanti di uscire senza perdere troppa energia.

Per creare le condizioni necessarie allo studio, la struttura ha sparato un fascio di neutroni contro il bersaglio di ferro. Questi neutroni non avevano tutti la stessa velocità; formavano invece un fascio "bianco", uno spettro ampio contenente energie che spaziavano da livelli bassi fino a 44 milioni di elettronvolt. Mentre i neutroni colpivano il ferro, innescavano reazioni nucleari che espellevano protoni, deuteroni e altre particelle leggere. I rilevatori, disposti in telescopi, hanno catturato queste particelle in fuga. Misurando quanta energia ogni particella depositava in una serie di strati di silicio e in un cristallo scintillatore finale, i ricercatori potevano identificare esattamente di che tipo di particella si trattasse e quanto fosse veloce.

Una parte critica del processo ha riguardato la tempistica. I ricercatori hanno misurato il tempo impiegato da una particella per viaggiare dal bersaglio al rilevatore, confrontandolo con il momento preciso in cui il fascio di neutroni è stato generato. Questa misurazione del tempo di volo ha permesso loro di calcolare l'energia dei neutroni in entrata per ogni singolo evento. Poiché le particelle perdono una piccola quantità di energia passando attraverso il bersaglio di ferro stesso, il team ha dovuto applicare una correzione matematica per ricostruire l'energia reale delle particelle al momento della loro nascita. Hanno utilizzato simulazioni al computer per modellare come le particelle perdessero energia all'interno del metallo e hanno poi utilizzato un metodo statistico per l'ingegneria inversa dei dati originali, eliminando efficacemente la distorsione causata dal materiale del bersaglio.

Il risultato di questo meticoloso lavoro è un nuovo insieme di misurazioni per la sezione d'urto differenziale doppia, un termine che descrive semplicemente la probabilità che una particella venga emessa a un angolo specifico con un'energia specifica. Il team ha misurato con successo questi valori per i protoni emessi dal ferro quando colpito da neutroni con un'energia media di 14,5 milioni di elettronvolt. Hanno mappato come i protoni volassero via ad angoli compresi tra 20 e 160 gradi, creando un quadro dettagliato del modello di emissione. I dati hanno dimostrato che la configurazione sperimentale funzionava in modo affidabile, catturando le particelle con alta precisione e permettendo al team di correggere le perdite di energia all'interno del bersaglio.

Sebbene l'analisi completa di tutti i dati raccolti durante la campagna sia ancora in corso, i risultati preliminari per i neutroni da 14,5 milioni di elettronvolt sono già promettenti. I ricercatori hanno scoperto che le loro misurazioni potevano essere adattate fluidamente con curve matematiche standard, suggerendo che i dati siano coerenti e affidabili. Questo successo convalida l'uso della configurazione Medley in questa struttura e conferma che le complesse correzioni per la perdita di energia e l'identificazione delle particelle sono state gestite correttamente. Il team sta ora lavorando per estendere queste misurazioni a tutto l'intervallo di energia fino a 44 milioni di elettronvolt e per analizzare altri tipi di particelle, come i nuclei di elio.

Questo lavoro fornisce un tassello cruciale del puzzle per gli ingegneri nucleari. Fornendo dati concreti su come il ferro si comporta sotto il bombardamento ad alta energia, lo studio offre una base più solida per i modelli al computer utilizzati per progettare futuri reattori a fusione e per valutare la sicurezza di quelli esistenti. La capacità di prevedere come i materiali strutturali si degraderanno nel tempo è essenziale per la transizione verso fonti di energia più pulite, e questo esperimento ha compiuto un passo significativo verso il rendere tali previsioni più accurate. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile misurare queste difficili interazioni con alta precisione, aprendo la porta a test più rigorosi sui materiali che un giorno conterranno il potere delle stelle.