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

Dentro dos ossos de aço de um reator nuclear, uma batalha silenciosa, mas implacável, está sendo travada. Quando nêutrons de alta velocidade colidem com o metal, eles não apenas ricocheteiam; eles despedaçam os núcleos atômicos, criando fragmentos minúsculos de gases de hidrogênio e hélio. Ao longo de anos de operação, esses gases se acumulam dentro do metal sólido, fazendo com que ele inche e se torne quebradiço, muito parecido com uma esponja que absorveu água demais. Esse dano ameaça a integridade estrutural dos próprios vasos projetados para conter a imensa energia da fusão ou da fissão. Para prever por quanto tempo um reator pode operar com segurança, os cientistas precisam saber exatamente como esses nêutrons interagem com o ferro, o ingrediente principal do aço do reator. Eles precisam medir não apenas quantos fragmentos são soltos, mas exatamente quanta energia eles carregam e em qual direção voam.

Por décadas, os cientistas lutaram para obter essas medições para os nêutrons de alta energia encontrados em reatores modernos. Embora existam dados para energias mais baixas, o cenário torna-se nebuloso e incerto acima de 14 milhões de elétron-volts, uma faixa onde a física se torna complexa e difícil de modelar. Sem dados precisos nesta zona de alta energia, as simulações de computador usadas para projetar reatores seguros são forçadas a adivinhar, deixando os engenheiros com menos certeza sobre a vida útil de suas estruturas. Uma equipe de pesquisadores recentemente partiu para preencher essa lacuna, conduzindo um novo experimento para mapear o comportamento de nêutrons atingindo ferro natural com detalhes sem precedentes.

O experimento ocorreu em 2023 na instalação Neutrons For Science em Caen, França, um local dedicado à produção de feixes de nêutrons para pesquisa. A equipe utilizou um instrumento especializado chamado Medley, um dispositivo originalmente construído na Universidade de Uppsala, na Suécia, e projetado especificamente para capturar partículas leves e carregadas que voam para fora quando um núcleo se quebra. A configuração é essencialmente uma grande câmara de vácuo vazia com um alvo de ferro natural colocado no centro. Ao redor deste alvo, estão oito conjuntos de detectores, dispostos como os raios de uma roda, cada um capaz de rastrear partículas voando em diferentes ângulos. O próprio alvo de ferro era uma folha fina, apenas espessa o suficiente para interagir com o feixe, mas fina o suficiente para permitir que as partículas resultantes escapassem sem perder muita energia.

Para criar as condições necessárias para o estudo, a instalação disparou um feixe de nêutrons contra o alvo de ferro. Esses nêutrons não tinham todos a mesma velocidade; em vez disso, formavam um feixe "branco", um espectro amplo contendo energias que variam desde níveis baixos até 44 milhões de elétron-volts. À medida que os nêutrons atingiam o ferro, eles desencadeavam reações nucleares que expulsavam prótons, deutérios e outras partículas leves. Os detectores, organizados em telescópios, capturaram essas partículas em fuga. Ao medir quanta energia cada partícula depositava em uma série de camadas de silício e em um cristal cintilador final, os pesquisadores puderam identificar exatamente que tipo de partícula era e quão rápida ela estava se movendo.

Uma parte crítica do processo envolveu a cronometragem. Os pesquisadores mediram o tempo que uma partícula levou para viajar do alvo ao detector, comparando-o com o momento preciso em que o feixe de nêutrons foi gerado. Essa medição de tempo de voo permitiu-lhes calcular a energia dos nêutrons incidentes para cada evento individual. Como as partículas perdem uma pequena quantidade de energia ao passar pelo próprio alvo de ferro, a equipe teve que aplicar uma correção matemática para reconstruir a verdadeira energia das partículas no momento em que foram geradas. Eles usaram simulações de computador para modelar como as partículas perderiam energia dentro do metal e, em seguida, utilizaram um método estatístico para fazer a engenharia reversa dos dados originais, efetivamente removendo a distorção causada pelo material do alvo.

O resultado deste trabalho cuidadoso é um novo conjunto de medições para a seção de choque duplo-diferencial, um termo que descreve simplesmente a probabilidade de uma partícula ser emitida em um ângulo específico com uma energia específica. A equipe mediu com sucesso esses valores para prótons emitidos a partir do ferro quando atingido por nêutrons com uma energia média de 14,5 milhões de elétron-volts. Eles mapearam como os prótons voavam em ângulos variando de 20 a 160 graus, criando um quadro detalhado do padrão de emissão. Os dados mostraram que a configuração experimental funcionou de forma confiável, capturando as partículas com alta precisão e permitindo que a equipe corrigisse as perdas de energia dentro do alvo.

Embora a análise completa de todos os dados coletados durante a campanha ainda esteja em andamento, os resultados preliminares para os nêutrons de 14,5 milhões de elétron-volts já são promissores. Os pesquisadores descobriram que suas medições podiam ser ajustadas suavemente com curvas matemáticas padrão, sugerindo que os dados são consistentes e confiáveis. Este sucesso valida o uso da configuração Medley nesta instalação e confirma que as correções complexas para perda de energia e identificação de partículas foram tratadas corretamente. A equipe agora trabalha para estender essas medições para cobrir todo o intervalo de energia até 4 4 milhões de elétron-volts e para analisar outros tipos de partículas, como núcleos de hélio.

Este trabalho fornece uma peça crucial do quebra-cabeça para os engenheiros nucleares. Ao fornecer dados concretos sobre como o ferro se comporta sob bombardeio de alta energia, o estudo oferece uma base mais sólida para os modelos de computador usados para projetar futuros reatores de fusão e para avaliar a segurança dos existentes. A capacidade de prever como os materiais estruturais irão se degradar ao longo do tempo é essencial para a transição para fontes de energia mais limpas, e este experimento deu um passo significativo para tornar essas previsões mais precisas. Os pesquisadores provaram que é possível medir essas interações difíceis com alta precisão, abrindo as portas para testes mais rigorosos dos materiais que um dia conterão o poder das estrelas.