Zadania badawcze realizowane w Oddziale V IFJ PAN w ramach projektu NCBiR

Transkrypt

1 Zadania badawcze realizowane w Oddziale V IFJ PAN w ramach projektu NCBiR Krzysztof Drozdowicz Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk Oddział V Zastosowań Fizyki i Badań Interdyscyplinarnych prof. dr hab.urszula Woźnicka [kierownik Zadania Badawczego] Zakład Fizyki Transportu Promieniowania (NZ54) dr hab. Krzysztof Drozdowicz, prof. IFJ Zakład Fizyki Radiacyjnej i Dozymetrii (NZ58) prof. dr hab. Paweł Olko

2 Badania i rozwój technologii dla kontrolowanej syntezy termojądrowej CEL SZCZEGÓŁOWY 2: Opracowanie nowych metod dla diagnostyki plazmy w ekstremalnych warunkach reaktora t-j, w tym, w szczególności diagnostyki produktów syntezy termojądrowej (neutronów i cząstek alfa) oraz monitorowania zanieczyszczeń plazmy, uwalnianych ze ścian reaktora (berylu, węgla, tlenu i wolframu). Koordynator: prof. dr hab. Marek Sadowski, NCBJ Etap 2.1 Koncepcja nowych metod diagnostyki produktów syntezy termojądrowej. dr hab. Krzyszsztof Drozdowicz, IFJ PAN

3 Badania i rozwój technologii dla kontrolowanej syntezy termojądrowej CEL SZCZEGÓŁOWY 2: Opracowanie nowych metod dla diagnostyki plazmy w ekstremalnych warunkach reaktora t-j, w tym, w szczególności diagnostyki produktów syntezy termojądrowej (neutronów i cząstek alfa) oraz monitorowania zanieczyszczeń plazmy, uwalnianych ze ścian reaktora (berylu, węgla, tlenu i wolframu). Koordynator: prof. dr hab. Marek Sadowski, NCBJ Etap 2.4 Opracowanie metod dozymetrycznych dla wysokich dawek w mieszanych polach promieniowania przy użyciu pasywnych detektorów luminescencyjnych. dr inż. Paweł Bilski, IFJ PAN

4 Badania i rozwój technologii dla kontrolowanej syntezy termojądrowej CEL SZCZEGÓŁOWY 3: Budowa lub doposażenie stanowisk pomiarowych do realizacji punktów 1 i 2 w kraju. Koordynator: dr hab. inż. Lesław Karpiński, IFPiLM 1. Badania oddziaływania intensywnych strumieni plazmy z pierwszą ścianą i płytą divertora reaktora t-j w warunkach występowania impulsowej depozycji ciepła. 2. Opracowanie nowych metod dla diagnostyki plazmy w ekstremalnych warunkach reaktora t-j, w tym w szczególności diagnostyki produktów syntezy termojądrowej oraz monitorowania zanieczyszczeń plazmy, uwalnianych ze ścian reaktora. Etap 3.2 Adaptacja i wyposażenie laboratorium pomiarów neutronowych w IFJ dla rozwoju metod detekcji produktów syntezy t-j. mgr inż. Arkadiusz Kurowski, IFJ PAN

5 Cel etapu Etap 2.1 Koncepcja nowych metod diagnostyki produktów syntezy termojądrowej. Sprawdzenie przydatności zastosowania detektorów diamentowych do pomiaru bezpośrednich i towarzyszących produktów syntezy D-D i D-T (jonów i neutronów) w ekstremalnych warunkach pracy reaktora termojądrowego. Wykonanie i uruchomienie liniowej matrycy quasi-punktowych detektorów scyntylacyjnych do pomiaru neutronów prędkich. Opracowanie metodyki pomiarowej dla układu detekcyjnego DET-12 realizującego komplementarną metodę aktywacyjną opartą na detekcji neutronów opóźnionych z próbek materiałów rozszczepialnych.

6 Sprawdzenie przydatności zastosowania detektorów diamentowych do pomiaru bezpośrednich i towarzyszących produktów syntezy D-D i D-T (jonów i neutronów) w ekstremalnych warunkach pracy reaktora termojądrowego. 2 D+ 3 T 4 He (3.56 MeV) + n (14.03 MeV) Q = 17.6 MeV 2 D + 2 D 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) Q = 3.27 MeV 2 D + 2 D 3 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) Q = 4.03 MeV

7 Detektor półprzewodnikowy POMIAR: cząstki naładowane (jony), neutrony X, gamma Ge GaAs Si diament 4C( n, ) Be

8 Porównanie diament krzem Property Diamond Silicon Atomic number 6 14 Density (g cm -3 ) Band gap (ev) Resistivity ( cm) > Electron mobility (cm 3 V -1 s -1 ) Hole mobility (cm 3 V -1 s -1 ) Saturation velocity ( m s -1 ) Energy per e-h pair (ev)

9 Diamond Detectors Ltd. Monokryształ CVD (sccvd) 2.5 mm x 2.5 mm x 50 µm Czystość : Ni, B < 5 ppb Kontakt: kolejno od kryształu C d-l 3 nm Pt 16 nm Au 20 nm CVD Metoda chemicznego osadzania par (Chemical Vapour Deposition) Zasięg cząstek w diamencie: 15 m

10 Kalibracja energetyczna Energia cząstek α emitowanych ze źródła AMR Pu 241 Am 244 Cm E α (kev) P α (%) E α (kev) P α (%) E α (kev) P α (%) E α energia czastki α P α udział cząstek α o energii E α.

11 D Porównanie: keV kev Diamond detector D01 Source AMR 33 Supply Voltage + 50 Amplification 100 x counts kev 21 Detektor diamentowy channels S kev kev Silicon detector S05 Source ARM 33 Supply Voltage + 50 Amplification 39 x kev counts Detektor krzemowy channels

12 Planowane eksperymenty: czułość detektora CVD na detekcję różnych jonów (alfa, protony, deuterony, He-3) spektrometryczny pomiar prędkich jonów w polu mieszanego promieniowania (nowe stanowisko przy generatorze neutronów 14 MeV) badanie powtarzalności właściwości/działania różnych egzemplarzy detektorów diamentowych CVD wrażliwość detektora na zakłócenia w rzeczywistym otoczeniu tokamaka badanie odporności detektora na uszkodzenia radiacyjne wpływ intensywnych strumieni jonów na właściwości detektora odporność termiczna

13 Sprawdzenie przydatności zastosowania detektorów diamentowych do pomiaru bezpośrednich i towarzyszących produktów syntezy D-D i D-T (jonów i neutronów) w ekstremalnych warunkach pracy reaktora termojądrowego. Badania przy generatorze neutronów 14 MeV reakcja D-T (IFJ PAN, Kraków) Target T/Ti (na podkładce Cu) jest bombardowany wiązką deuteronów ~100 kev.

14 Podstawowa reakcja: 2 D + 3 T n (14.1 MeV) + 4 He (3.5 MeV) Po pewnym czasie działania generatora deuterony z akcelerowanej wiązki implantują się w tarczy: 2 D + 2 D 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) (2) 2 D + 2 D 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) (3) Tryt rozpada się do 3 He (T 1/2 = 12.5 lat), który pojawia się w starszych tarczach w zauważalnej ilości: 2 D + 3 He 4 He + p (Q = 18.3 MeV) (4) np. = 90 E = 3.6 MeV, E p = 14.7 MeV

15 Wykonanie i uruchomienie liniowej matrycy quasi-punktowych detektorów scyntylacyjnych do pomiaru neutronów prędkich.

16 Planowany zestaw: scyntylator BCF-12, światłowód SH8001, fotopowielacz H Najtrudniejsze zadanie: zaprojektowanie układu kolimatorów Widok scyntylatora BCF-12 bez osłony.

17 Opracowanie metodyki pomiarowej dla układu detekcyjnego DET-12 realizującego komplementarną metodę aktywacyjną opartą na detekcji neutronów opóźnionych z próbek materiałów rozszczepialnych. Jedną ze standardowych metod diagnostyki plazmy w tokamakach jest metoda detektorów aktywacyjnych, tj. aktywacja próbek odpowiednich izotopów w polu neutronowym towarzyszącym plazmie termojądrowej (reakcje D-D lub D-T). Dekonwolucja zarejestrowanych widm gamma pozwala na odtworzenie wartości pola neutronowego w punktach aktywacji. Uzupełnieniem tej metody jest tzw. aktywacja izotopów rozszczepialnych, tj. ich naświetlenie w polu neutronów. Izotopy takie jak 235 U, 238 U czy 232 Th, emitują neutrony natychmiastowe (ok. 99 %) w chwili rozszczepienia, a potem neutrony opóźnione (ok. 1%) z produktów rozszczepienia, zanikających z emisją beta. Transport Pomiar Napromienienie Interpretacja Informacja

18 Idea pomiaru W strumieniu neutronów powstałych z reakcji fuzji jądrowej będą umieszczane kapsułki z materiałów rozszczepialnych. Naświetlone kapsułki będą dostarczane do urządzenia pomiarowego tym samym systemem transportu, co w metodzie aktywacyjnej. Rejestracja neutronów opóźnionych wymaga urządzenia o dużej wydajności detekcji przy dobrym wyeliminowaniu tła promieniowania pochodzącego z zewnątrz układu. Urządzenie DET-12 zaprojektowane i zbudowane w IFJ PAN

19 Idea pomiaru W strumieniu neutronów powstałych z reakcji fuzji jądrowej będą umieszczane kapsułki z materiałów rozszczepialnych. Naświetlone kapsułki będą dostarczane do urządzenia pomiarowego tym samym systemem transportu, co w metodzie aktywacyjnej. Rejestracja neutronów opóźnionych wymaga urządzenia o dużej wydajności detekcji przy dobrym wyeliminowaniu tła promieniowania pochodzącego z zewnątrz układu.

20 N A TABLET RELATIVE EMISSION Rozkład czasowy prądu neutronów opuszczających zaaktywowaną próbkę (symulacja komputerowa MC). 1E-06 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E TIME t [s] Th-232 U-238 Oczekiwana liczba neutronów Zestawienie oczekiwanej liczby rozpadów w funkcji czasu dla 6 grup prekursorów U-235 [Keepin, 1957] 1,0E+00 1,0E-02 1,0E-04 1,0E-06 1,0E-08 T 1/2 = 55,81 T 1/2 =2,30 T 1/2 =6,23 suma T 1/2 =22,69 1,0E T 1/2 =0,23 T 1/2 = 0,61 Czas [s] N1(t) N2(t) N3(t) N4(t) N5(t) N6(t) Suma N1 - N6 S 6 ( i 1 d i di di t) r f exp( t) Około 30% neutronów opóźnionych jest emitowanych w ciągu pierwszej sekundy po aktywacji próbki. Zadanie: Opracowanie metody dekompozycji funkcji zaniku neutronów opóźnionych. Opracowanie metody wyznaczenia wartości strumienia neutronów pierwotnych (które aktywowały próbnik).

21 Symulacje Monte Carlo transportu promieniowania w badanych układach - MCNP, FLUKA Klaster komputerowy McRadiat W IFJ PAN (NZ54): 10 serwerów (node) w sieci wewnętrznej, typu IBM x3550, x3650 i x3550 M3, procesory Intel Xeon, dyski SATA 160 GB lub 500 GB, systemy operacyjne RH Linux.

22 Etap 3.2 Adaptacja i wyposażenie laboratorium pomiarów neutronowych w IFJ dla rozwoju metod detekcji produktów syntezy t-j. 1. Dostosowanie infrastruktury laboratorium do wymogów pracy aparaturowego źródła neutronowego NSNS-2 (nanosecond neutron source). 2. Uruchomienie aparaturowego źródła neutronów NSNS-2 o energii 2.5 MeV. 3. Zainstalowanie i uruchomienie zestawów aparatury pomiarowej i rejestrującej do punktu 2.

23 Aparaturowe nanosekundowe źródło neutronów NSNS-2 (dwumodułowe urządzenie typu plasma-focus) Energia neutronów: 2.45 MeV (z reakcji w plazmie deuterowej) Impuls neutronowy I: czas trwania ~10 ns czas repetycji 60 s wydatek neutronów: 10 6 n na wyładowanie Plan: Impuls neutronowy II: czas trwania 50 ~100 ns czas repetycji 600 s wydatek neutronów: 10 9 n na wyładowanie

24 NSNS-2, moduł I: PF-4

25 NSNS-2 Moduł II

26 4. Wyposażenie generatora neutronów 14 MeV (IGN-14) w dodatkową komorę próżniową dostosowaną do pomiarów produktów reakcji D-T wewnątrz jonowodu, modernizacja układu próżniowego IGN Uruchomienie stanowiska pomiarowego dla pomiarów cząstek alfa przy IGN-14.

27 Generator neutronów prędkich 14 MeV IGN-14 Target T/Ti (na podkładce Cu) jest bombardowany wiązką deuteronów ~100 kev. Praca ciągła: maks. wydatek neutronów: 5x10 8 n/s Tarcza trytowa (T/Ti): maks. aktywność 170 GBq Generator źródła jonów: 50 MHz Napięcie ekstrakcji: regulowane do 4 kv Napięcie przyspieszające: max. 125 kv + 50 kv Praca impulsowa Impuls neutronowy: czas trwania: µs (krok 1) repetycja: ms (krok 0.1) wydatek neutronów podczas impulsu: 5x10 9 n/s

28 Podstawowa reakcja: 2 D + 3 T n (14.1 MeV) + 4 He (3.5 MeV) n (2,45 MeV), 3 He (0,82 MeV), 3 T (1,01 MeV), p (3,02 MeV)

29 Etap 2.4. Opracowanie metod dozymetrycznych dla wysokich dawek w mieszanych polach promieniowania przy użyciu pasywnych detektorów luminescencyjnych Paweł Bilski, Barbara Obryk, Zakład Fizyki Radiacyjnej i Dozymetrii (NZ58), IFJ PAN Rezultat etapu: Metoda umożliwiająca pomiar dawki promieniowania w bardzo szerokim zakresie obciążeń radiacyjnych, przy jednoczesnej dużej odporności na obciążenia cieplne.

30 Detektory termoluminescencyjne (TL) saturation linearity limit Standardowy zakres pomiarowy detektorów LiF:Mg,Cu,P 1 µgy 1 Gy zakres liniowy 1 Gy 1 kgy zakres nieliniowy > 1 kgy nasycenie TL signal [arb. units] Dose [Gy]

31 Możliwosć rozszerzenia zakresu pomiarowego detektorów TL Wysokotemperaturowa i wysokodawkowa emisja LiF:Mg,Cu,P odkryta w IFJ PAN TL signal [arb. units] up to 1 kgy 10 kgy 500 kgy Wykorzystanie zmian kształtu krzywej świecenia detektora TL do określania dawki Możliwy zakres pomiarowy: od µgy do MGy 12 rzędów wielkości! Temperature, o C Cel pracy: zamiana odkrytego efektu w wiarygodną metodę pomiarową

32 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ