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

Binnenin de stalen botten van een kernreactor vindt een stille maar meedogenloze strijd plaats. Wanneer hoogenergetische neutronen tegen het metaal botsen, stuiteren ze niet alleen af; ze verbrijzelen de atoomkernen, waardoor minuscule fragmenten van waterstof- en heliumgas ontstaan. Gedurende jaren van gebruik hopen deze gassen zich op binnen het vaste metaal, waardoor het opzwelt en bros wordt, vergelijkbaar met een spons die te veel water heeft geabsorbeerd. Deze schade bedreigt de structurele integriteit van de vaten die ontworpen zijn om de immense energie van fusie of fissie te bevatten. Om te voorspellen hoe lang een reactor veilig kan functioneren, moeten wetenschappers precies weten hoe deze neutronen interageren met ijzer, het hoofdbestanddeel van reactormetaal. Ze moeten niet alleen meten hoeveel deeltjes er worden losgestoten, maar ook exact hoeveel energie ze dragen en in welke richting ze vliegen.

Decennialang hebben wetenschappers gestreden om deze metingen te verkrijgen voor de hoogenergetische neutronen die in moderne reactoren voorkomen. Hoewel er gegevens bestaan voor lagere energieën, wordt het beeld wazig en onzeker boven de 14 miljoen elektronvolt, een bereik waar de fysica complex en moeilijk te modelleren is. Zonder precieze gegevens in deze hoogenergetische zone worden de computersimulaties die worden gebruikt voor het ontwerp van veilige reactoren gedwongen te gokken, wat ingenieurs minder zekerheid geeft over de levensduat van hun structuren. Een team van onderzoekers heeft onlangs de opdracht genomen om deze kloof te dichten door een nieuw experiment uit te voeren om het gedrag van neutronen die op natuurlijk ijzer botsen met ongekende precisie in kaart te brengen.

Het experiment vond in 2023 plaats bij de Neutrons For Science-faciliteit in Caen, Frankrijk, een locatie die gewijd is aan het produceren van neutronenbundels voor onderzoek. Het team gebruikte een gespecialiseerd instrument genaamd Medley, een apparaat dat oorspronkelijk werd gebouwd aan de Universiteit van Uppsala in Zweden en specifiek is ontworpen om de licht geladen deeltjes op te vangen die vrijkomen wanneer een kern uiteenvalt. De opstelling bestaat in essentie uit een grote, lege vacuümkamer met een doelwit van natuurlijk ijzer in het midden. Rondom dit doelwit bevinden zich acht sets detectoren, gerangschikt als de spaken van een wiel, elk in staat om deeltjes te volgen die onder verschillende hoeken wegvliegen. Het ijzeren doelwit zelf was een dunne folie, net dik genoeg om te interageren met de bundel, maar dun genoeg om de resulterende deeltjes te laten ontsnappen zonder te veel energie te verliezen.

Om de condities te creëren die nodig zijn voor de studie, vuurde de faciliteit een bundel neutronen op het ijzeren doelwit. Deze neutronen waren niet allemaal even snel; in plaats daarvan vormden ze een "wit" spectrum met een breed scala aan energieën, variërend van lage niveaus tot 44 miljoen elektronvolt. Terwijl de neutronen het ijzer raakten, veroorzaakten ze kernreacties waarbij protonen, deuterium en andere lichte deeltjes werden uitgestoten. De detectoren, die als telescopen waren opgesteld, vingen deze ontsnappende deeltjes op. Door te meten hoeveel energie elk deeltje depotiteerde in een reeks siliciumlagen en een uiteindelijke scintillatiekristal, konden de onderzoekers exact identificeren wat voor soort deeltje het was en hoe snel het bewoog.

Een cruciaal onderdeel van het proces betrof de timing. De onderzoekers maten de tijd die een deeltje nodig had om van het doelwit naar de detector te reizen, in vergelijking met het exacte moment waarop de neutronenbundel werd gegenereerd. Deze "time-of-flight"-meting stelde hen in staat om de energie van de inkomende neutronen voor elk afzonderlijk evenement te berekenen. Omdat de deeltjes een kleine hoeveelheid energie verliezen terwijl ze door het ijzeren doelwit passeren, moest het team een wiskundige correctie toepassen om de werkelijke energie van de deeltjes te reconstrueren zoals ze in eerste instantie werden geboren. Ze gebruikten computersimulaties om te modelleren hoe de deeltjes energie zouden verliezen binnen het metaal en gebruikten vervolgens een statistische methode om de oorspronkelijke data te herleiden, waardoor de vervorming veroorzaakt door het doelwitmateriaal effectief werd teruggedraaid.

Het resultaat van dit zorgvuldige werk is een nieuwe reeks metingen voor de dubbel-differentiele doorsnede, een term die simpelweg de waarschijnlijkheid beschrijft dat een deeltje wordt uitgezonden onder een specifieke hoek met een specifieke energie. Het team slaagde erin deze waarden te meten voor protonen die worden uitgestoten vanuit ijzer wanneer dit wordt geraakt door neutronen met een gemiddelde energie van 14,5 miljoen elektronvolt. Ze brachten in kaart hoeveel protonen onder hoeken variërend van 20 tot 160 graden wegvlogen, waardoor een gedetailleerd beeld van het emissiepatroon ontstond. De gegevens toonden aan dat de experimentele opstelling betrouwbaar werkte, de deeltjes met hoge precisie opving en het team in staat stelde om de energieverliezen binnen het doelwit te corrigeren.

Hoewel de volledige analyse van alle tijdens de campagne verzamelde gegevens nog in volle gang is, zijn de voorlopige resultaten voor de 14,5 miljoen elektronvolt neutronen al veelbelovend. De onderzoekers ontdekten dat hun metingen vloeiend konden worden aangepast aan standaard wiskundige curven, wat suggereert dat de gegevens consistent en betrouwbaar zijn. Dit succes valideert het gebruik van de Medley-opstelling bij deze faciliteit en bevestigt dat de complexe correcties voor energieverlies en deeltjesidentificatie correct zijn afgehandeld. Het team werkt nu aan het uitbreiden van deze metingen om het gehele energiespectrum tot 44 miljoen elektronvolt te dekken en om andere soorten deeltjes, zoals heliumkernen, te analyseren.

Dit werk levert een cruciale puzzelstuk voor kerningenieurs. Door harde gegevens te leveren over hoe ijzer reageert onder hoogenergetische bombardementen, biedt de studie een steviger fundament voor de computermodellen die worden gebruikt voor het ontwerp van toekomstige fusiereactoren en voor het beoordelen van de veiligheid van bestaande reactoren. Het vermogen om te voorspellen hoe structurele materialen in de loop van de tijd zullen degraderen, is essentieel voor de overgang naar schonere energiebronnen, en dit experiment heeft een belangrijke stap gezet om die voorspellingen nauwkeuriger te maken. De onderzoekers hebben bewezen dat het mogelijk is om deze moeilijke interacties met hoge precisie te meten, wat de deur opent voor meer rigoureuze tests van de materialen die op een dag de kracht van de sterren zullen bevatten.