Study of the fission cross-section of 230Th at the CERN n_TOF facility

Abstract

Accurate data on neutron induced reactions on actinides is of considerable importance for the design of advanced nuclear systems and alternative fuel cycles. Specifically, 230Th is present in the thorium cycle produced from the decay of 234U. Thus, knowledge of the 230Th(n,f) reaction cross-section is strongly required. However, few experimental datasets exist in literature with large deviations among them, covering the energy range between 0.2 to 25 MeV. In addition, the study of fission cross-sections is of great interest in the research of the fission process related to the structure of the fission barriers. In the case of the thorium isotopes, narrow resonances and fine structures appear in the threshold region of the fission cross-section, known as the thorium anomaly. Specifically, previous measurements on the fission cross-section of 230Th revealed a main resonance at En =715 keV and additional fine structures, but with high discrepancies among the measured cross-section values. The scope of this work is to provide cross-section data for the 230Th(n,f) reaction, covering a wide energy range from the fission threshold up to 400 MeV. For this reason the experiment was performed in both experimental areas EAR-1 and EAR-2 of the CERN n_TOF facility. Seven high purity targets of the natural, unstable but very rare isotope 230Th, were produced at JRC-Geel in Belgium. The experimental setup was based on Micromegas detectors, while the 235U(n,f) cross-section was used as reference. A detailed description of the experimental setup, the analysis procedure, starting from the raw data to the final cross-section results, including the Monte-Carlo simulations performed and the theoretical study of the 230Th(n,f) reaction with the EMPIRE code are presented.

Τα δεδομένα ενεργών διατομών για τις ακτινίδες παίζουν σημαντικό ρόλο στη μελέτη και το σχεδιασμό προηγμένων πυρηνικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας και εναλλακτικών πυρηνικών κύκλων καυσίμων. Συγκεκριμένα, το 230Th συναντάται στον κύκλο του θορίου, όπου παράγεται από την αποδιέγερση του 234U. Για το λόγο αυτό απαιτείται η γνώση της ενεργού διατομή της αντίδρασης σχάσης 230Th(n,f). Μέχρι σήμερα, λίγα πειραματικά δεδομένα για την αντίδραση αυτή συναντώνται στη βιβλιογραφία, τα οποία καλύπτουν το ενεργειακό εύρος από 0.2 έως 25 MeV και παρουσιάζουν μεγάλες αποκλίσεις μεταξύ τους. Επίσης, η μελέτη των ενεργών διατομών αντιδράσεων σχάσης αποτελεί ένα μέσο για τη μελέτη της διαδικασίας της σχάσης και της δομής του δυναμικού της σχάσης. Όσο αναφορά τα ισότοπα του θορίου, παρουσιάζονται λεπτοί συντονισμοί στην περιοχή του κατωφλίου της σχάσης. Συγκεκριμένα, προηγούμενες μετρήσεις στην ενεργό διατομή σχάσης του 230Th έχουν αναδείξει ένα βασικό συντονισμό με ενέργεια Εn =715 keV με επιπλέον δομές, αλλά μεγάλες αποκλίσεις μεταξύ των υπάρχοντων πειραματικών ενεργών διατομών. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η παροχή πειραματικών δεδομένων για την αντίδραση σχάσης του 230Th, καλύπτοντας το ενεργειακό εύρος από το κατώφλι της σχάσης μέχρι τα 400 MeV. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις στις πειραματικές περιοχές EAR-1 και EAR-2 της εγκατάστασης n_TOF στο CERN, με τη χρήση επτά στόχων υψηλής καθαρότητας του φυσικού και πολύ σπάνιου ισοτόπου 230Th, οι οποίοι κατασκευάστηκαν στο JRC-Geel στο Βέλγιο. Η πειραματική διάταξη βασίστηκε στους ανιχνευτές αερίου Micromegas, ενώ η αντίδραση 235U(n,f) χρησιμοποιήθηκε σαν αντίδραση αναφοράς. Η αναλυτική περιγραφή της πειραματικής διάταξης, της διαδικασίαςτης ανάλυσης των δεδομένων και των προσομοιώσεων Monte-Carlo που πραγματοποιήθηκαν ώστε να υπολογιστεί η ενεργός διατομή της αντίδρασης 230Th(n,f), καθώς και η θεωρητική μελέτη της αντίδρασης που υλοποιήθηκε με τον κώδικα EMPIRE, παρουσιάζονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή.