Трансмутация атомных ядер в интенсивных потоках γ-квантов

Лютиков, Игорь Адольфович

Трансмутация атомных ядер в интенсивных потоках γ-квантов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Лютиков, Игорь Адольфович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.16 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Трансмутация атомных ядер в интенсивных потоках γ-квантов»

Автореферат диссертации на тему "Трансмутация атомных ядер в интенсивных потоках γ-квантов"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д. В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Лютиков Игорь Адольфович

ТРАНСМУТАЦИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР В ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКАХ у-КВАНТОВ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2006

Работа выполнена в отделе электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Ишханов Борис Саркисович

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Павлов Станислав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук в. н. с. Малов Л. А. (ОИЯИ, ЛТФ, Дубна); кандидат физико-математических наук ст. н. с. Блохин А. И. (ГНЦ РФ ФЭИ)

Ведущая организация:

Институт ядерных исследований РАН

Защита состоится 23 марта 2006 года в 15 часов на заседании Диссертационного совета К 501.001.06 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу:

119992, г. Москва, Ленинские Горы, НИИЯФ МГУ, 19 корп., ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан 21 февраля 2006 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета К 501.001.06 /чУ

кандидат физико-математических наук Чуманова О. В.

аоое А

Г7Я

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы связана с возрастающей необходимостью изучения взаимодействия высокоэнергетических потоков с материалами, в частности взаимодействия интенсивных пучков у-квантов с веществом. Исследование трансмутации атомных ядер под действием потоков у-квантов высокой интенсивности является необходимым для решения многих фундаментальных и прикладных задач:

• в изотопической инженерии - введение примесей в материалы;

• в атомной промышленности - разрушение долгоживущих продуктов радиоактивных отходов, образующихся при работе ядерных реакторов;

• в астрофизике - образование химических элементов во Вселенной;

• в ядерной физике — получение и исследование ядер, расположенных вдали от полосы ^-стабильности;

• проведение активационного анализа.

Для этой цели создаются новые источники концентрированных потоков энергии. Одним из таких источников являются ускорители электронов, на которых возможна организация физических исследований в интересующей области. В настоящее время первостепенное значение имеют проблемы экологии и охраны окружающей среды. Ведутся исследования процессов образования химических элементов во Вселенной, исследуются возможности открытия ядер, находящихся вдали от полосы нестабильности и их дальнейшее изучение, решаются активационные задачи.

Цель работы.

• Изучение процессов трансмутации атомных ядер под действием интен-

сивных потоков у-квантов для изоДЦЦШЦ. i- мшоорымн числами ' ттчнг национальная |

библиотека i

зс^

30 <Л<210.

• Обоснование выбора модели, которая позволяет эффективно описывать сечения фотоядерных реакций в диапазоне массовых чисел изотопов 30 < А < 210 и может быть использована для проведения вычислений в режиме реального времени.

• Создание комплекса программ, позволяющего в автоматическом режиме рассчитывать сечения фотоядерных реакций, рассчитывать и формировать трансмутационные цепочки для различных изотопов и их смесей при использовании любого энергетического спектра у-излучения с верхней границей до 50МэВ, обладающего возможностью наглядного динамического представления трансмутации изотопов и формирования их цепочек.

• Проведение сравнительного анализа результатов, полученных с помощью созданного комплекса программ, с экспериментальными данными для проверки точности моделирования.

Научная новизна работы.

Создан комплекс программ, который в автоматическом режиме позволяет:

• рассчитывать сечения фотоядерных реакций;

• рассчитывать и формировать трансмутационные цепочки для любого заданного исходного изотопа или смеси изотопов;

• наблюдать динамику этого процесс.

В пакете программ предусмотрена возможность использования как теоретических, так и экспериментальных сечений фотоядерных реакций и любого энергетического спектра у-излучения с верхней границей до 50МэВ.

Впервые использована модель, в которой учитывается ряд основных характеристик ядра, позволяющая рассчитывать фотонейтронные сечения для изотопов в диапазоне 30 < А < 210 в автоматическом режиме.

Впервые проведен расчет трансмутационного процесса для широкого диапазона ядер (19 изотопов) и различных интенсивностей потока у-излучения. Исследовано влияние интенсивности и дозы у-излучения на трансмутационные процессы. Изучено влияние начального ядра и его «окружения» на процесс трансмутации атомных ядер.

Практическая значимость работы. Созданный комплекс программ позволяет быстро и эффективно рассчитывать фотонейтронные сечения, наблюдать в динамике процесс трансмутации изотопа или смеси изотопов.

Используя созданный программный пакет, можно проводить расчеты активации тормозным излучением конструкционных материалов в процессе их эксплуатации, делать предварительные оценки результатов экспериментов, проводимых на ускорителях, подбирать оптимальные параметры эксперимента: верхнюю границу тормозного спектра, время облучения образца, ток электронного пучка ускорителя и т. д.

Для некоторых продуктов радиоактивных отходов исследована зависимость конечной активности для различных потоков у-квантов и времени облучения.

Изучено влияние «ядер-соседей» на процесс трансмутации.

Показано существование эффекта аналогичного нейтронным 5- и г-процессам. При достижении интенсивности потока тормозного излучения определенной величины, зависящей от свойств изотопов, расположенных рядом с начальным изотопом (А, 7), менялся характер процесса трансмутации изотопа. При низких интенсивностях, образование более легких стабильных изотопов относительно исходного происходит путем скольжения вниз вдоль левой границы долины стабильности. При увели-

чении интенсивности, образование более легких стабильных изотопов происходит через взрывное образование сильно перегруженных протонами изотопов с последующим /Г-распадом протоноизбыточных ядер.

Автор защищает:

• Результаты исследований, проведенных методом компьютерного моделирования, взаимодействия потоков у-квантов с атомными ядрами в широком диапазоне начальных изотопов.

♦ Влияние характеристик начального изотопа и «ядер-соседей» на процесс трансмутации.

♦ Влияние интенсивности потока у-квантов и дозы излучения на процесс трансмутации.

♦ Результаты сравнительного анализа экспериментальных данных с модельными.

• Созданный комплекс программ, позволяющий эффективно рассчитывать сечения фотоядерных реакций, в автоматическом режиме формировать трансмутационные цепочки и наблюдать в динамике процесс трансмутации изотопов.

• Обоснование выбора модели, позволяющей рассчитывать фотонейтронные сечения для изотопов с 30 < А < 210.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на следующих совещаниях и конференциях:

• международном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра «ЯДРО-2004» (Белгород, 18-22 июня 2004 г.);

• международной конференции «Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии» (Саров РФЕЦ-ВНИИЭФ 2004г.);

• международном симпозиуме «Уравнения смешанного типа и родственные проблемы анализа и информатики» (Нальчик-Эльбрус, 22-26 мая 2004 г.)

• межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2003,2004, 2005 гг.);

• VII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва, 13 апреля, 2005);

• научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 11-29 апреля 2005).

Неоднократно результаты работы докладывались на научных семинарах отдела ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ (из них 10 статей в журналах и трудах конференций, 4 тезиса докладов конференций, учебное пособие). Ссылки на работы приведены в списке литературы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации - 111 е., рисунков - 54, таблиц - 8, наименований в списке литературы - 83.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, выбор методов и объектов исследования, сформулированы цель, новизна, научная и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации по главам.

В первой главе представлены математические модели, используемые для описания процесса трансмутации атомных ядер под действием интенсивных потоков у-квантов и сечений фотоядерных реакции. Изложены основные положения экспериментов, проводимых на разрезном микротроне 11МТ-70.

Основной механизм взаимодействия фотонов с атомными ядрами в области энергий 5-50 МэВ — возбуждение и последующий распад гигантского дипольного резонанса (ГДР).

Временная эволюция количества каждого изотопа трансмутационной цепочки Ы(А,г)С0 определяется процессами его накопления и распада. Уменьшение содержания изотопа (А, 2) происходит в результате реакций (у, п),..., (у, 5п) и (у, р) ив процессах а, ^-распадов. Накопление ядер (А ,2) происходит за счет фотоядерных реакций на соседних изотопах, а также а и ^-распадов соседних изотопов, в результате которых может образоваться рассматриваемый изотоп (А, 2). Зависимость количества ядер изотопа N(4,2)0) от времени описывается уравнением:

+—++ Кал) + + + ] +

+ - + + С^А^-,.«} + (1.1)

Активность изотопа А(л^(,Г) в момент времени ? определяется соотношением:

= (1.2)

Слагаемые в квадратных скобках в дифференциальном уравнении (1.1) описывают разрушение изотопа в фотоядерных реакциях (у, п), (у, 5п) и (у, р), а также в процессах а и /?-распадов. Слагаемые в фигурных скобках

описывают образование изотопа в (у, п), ..., (у, 5п) и (у, р)- реакциях из изотопов соседей и в процессах их а и ^-распадов. Уравнения (1.1) и (1.2) содержат следующие параметры:

- постоянная распада изотопа (A, Z) по каналу /, где индекс i соответствует а, /Г и ß+- распадам;

Y(A,z)(.E>m) - выход фотоядерной реакции на изотопе (A, Z), определяемый следующим соотношением:

У/А,2)(Егт) = Ф(фотон с-1см-2) | W(E,ErJa(AZ)(E)dE, (l.3)

где индекс j соответствует каналам реакций (у, п), ..., (у, 5п) и (у ,р) на изотопе (A, Z);

Ф(фотон-с'х -см'2)- плотность потока фотонов, облучающих мишень из исследуемого изотопа;

а'(А 2)(Е) - парциальное сечение фотоядерной реакцииj; W(E,Erm) - спектр тормозного у-излучения, нормированный на один электрон.

Интегрирование в (1.3) проводится в области энергий возбуждения ядра от Етт, равной 5 МэВ, что отвечает минимальным значениям порогов фотоядерных реакций, до верхней границы спектра тормозного у-излучения Еут.

Путем численного моделирования, с использованием библиотеки программ GEANT-4, была решена задача генерации тормозного спектра у-излучения.

Для расчетов сечений фотоядерных реакций использовалась статистическая модель, описывающая последовательное испускание нейтронов из возбужденных ядер.

Учитывались каналы реакций, идущие только через возбуждение и последующий распад гигантского дипольного резонанса (ГДР), так как это

основной механизм взаимодействия фотонов с атомными ядрами в области энергий до 50 МэВ.

Сечения фотопоглощения могут быть охарактеризованы тремя параметрами:

• положением максимума ГДР Ео в зависимости от массового числа А;

• величиной интегрального сечения 5;

• шириной Г.

Для более детального описания механизма взаимодействия фотонов с атомными ядрами, в используемой модели учитывалось следующее:

• при расчете положения максимума ГДР Е0 - диффузность ядерной поверхности;

• деформационное расщепление ГДР;

• изоспиновое расщепление ГДР;

• при расчете величины интегрального сечения ГДР - наличие обменных токов.

Экспериментальные данные, с которыми проводилось сравнение результатов расчетов, получены на ускорителе электронов с энергией до 70МэВ ЯТМ-70. Приводится информация об его конструкционных особенностях и основных параметрах. Изложена методика проведения экспериментов и обработки данных.

Дается схематическое представление и описание компьютерной модели, созданной с использованием библиотеки программ СЕАИТ-4, позволяющей моделировать эксперименты, проводимые на разрезном микротроне КТМ-70.

ет большими динамическими возможностями и гибкостью, благодаря чему можно легко варьировать основные параметры моделируемого процесса трансмутации: время облучения, время наблюдения, интервал наблюдения, ток электронного пучка ускорителя, а также другие необходимые параметры. В базе данных программного комплекса хранится информация о характеристиках распада 2500 атомных ядер. Предусмотрена возможность использования как теоретических, так и экспериментальных сечений фотоядерных реакций и любого энергетического спектра у-излучения с верхней границей до 50МэВ. Большое внимание уделено наглядному представлению полученных результатов. Специально написанный визуализирующий блок позволяет быстро получать графическое представление фотонейтронных сечений (см. Рис. 1) ив динамике наблюдать формирование трансмутационных цепочек. Важной особенностью программного комплекса является возможность осуществлять доработку отдельных программ или их составляющих и при этом не оказывать влияния на остальные программы, входящие в пакет, что значительно снижает сложность

фркспсйткропкыс ССЧСНИК ' ' X

Рис. 1 Главное окно программы для расчета фотонейтронных сечений.

процедур доработки и уменьшает затраченное на это время.

Все программы реализованы для систем, использующих Win32API (операционных систем Windows 95, 98, NT, Me, 2000, ХР). Для их написания и отладки били использованы языки программирования: FORTRAN 90, Object Pascal, С++ и интегрированные среде разработки: Borland Delphi 7, VisualStudio.NET.

В третьей главе приведены результаты выполненных модельных расчетов по влиянию интенсивности у-квантов и дозы начального изотопа и «ядер-соседей» на процесс трансмутации для изотопов ксенона, гольмия, йода, технеция, гафния, самария, серебра, таллия, ниобия, родия. Рассчитанные результаты сравниваются с экспериментальными данными и результатами моделирования с использованием пакета GEANT-4.

Влияние интенсивности тормозного спектра у-излучения с максимальной энергией Еут=30МэВ на формирование трансмутационной цепочки исследовалось на примере изотопа 165Но. В качестве исходного изотоп 165Но выбран исходя из следующих соображений. Изотоп 165Но является единственным стабильным изотопом Гольмия. Изотоп ,64Но является р-радиоактивным примерно с одинаковыми вероятностями /Г, (Г- распадов -распады - 60%, р~— распады - 40%). Изотоп ,64Но будет образовываться в пучке тормозного излучения в результате реакции (у, п), имеющей максимальную величину в полном сечении поглощения. Поэтому можно проследить образование трансмутационных цепочек изотопов с Z=66 (Dy) и Z=68 (Ег). Изотоп ,63Но является /Г-радиоактивным, однако из-за большого периода полураспада (Г//2=4570лет) по сравнению со временем наблюдения, ведет себя практически как стабильный изотоп. Образовавшись на начальном этапе в результате реакции 165Но(у, 2п)163Но, в дальнейшем он будет разрушаться в реакциях (у, и), (у, 2п), образуя изотопы ,61",62Но с периодами полураспада значительно меньшими, чем время

наблюдения. Образование легких /Г-радиоактивных изотопов Но с Л<163 является дополнительньш каналом образования изотопов Эу с Л<163. Моделирование проводилось для двух режимов облучения: в первом случае интенсивность потока у-квантов была Ф1=10|7фотон-с'1-см"2, во втором — Ф2=1018 фотон-с"'-см~2, время облучения в обоих расчетах составляло 30 месяцев. Результат распределения количества ядер на момент окончания наблюдения показан на Рис. 2.

Приведенные расчеты показывают различные механизмы трансмута-

Ег а) Ф.-Ю^фотон-с"1 -см"1.

ее ■ • •

67 - Но •

66 ■ Оу • • • •

66 ■ Тг

6« ■ са

63 ■ -г- -1-1-1-1 1- —I-1— —1-1— 1

153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

Ег Но

• • •

тг • • •

Сй • ф 0 •

Рис. 2 Ядра трансмутационной цепочки |б5Но. Время облучения Тобпу* =30 месяцев Площадь круга пропорциональна количеству образовавшихся ядер данного изотопа.

ции изотопа |65Но при различных интенсивностях потока фотонов. Наиболее легкие стабильные изотопы элементов образуются преимущественно в результате (у, хп) реакций в высокоинтенсивных пучках у-квантов. Этот процесс является аналогом основного процесса образования химических элементов тяжелее железа в ядерных реакциях в звездах под действием интенсивных нейтронных потоков.

Исследовалась возможность уничтожения долгоживущего изотопа ,291 (Г//2=1.57хЮ7 лет), который образуется в результате работы атомных реакторов. Моделирование проводилось для двух режимов облучения. В первом случае интенсивность потока у-квантов была Ф1=1018фотон-с"1-см"2, время облучения составило 30 месяцев. Во втором случае интенсивность

Таблица 1 Количество и активность различных изотопов, образовавшихся при облучении исходного изотопа ,291 тормозным пучком у-квантов с интенсивностью Ф=10"фотон е'см'2

Изотоп Т т 1Ч(Т=30) „„ пт | Активность. расп./с

г Эл-т А Т=30 мес. Т=90 мес.

51 БЬ 121 Стаб. 1.14-1020 1.30-1020 0 0

51 вь 123 Стаб. 2.46-1019 2.46-1019 0 0

51 вь 124 60.2дн. 2.22-1019 6.36-10" 1.79-1011 5.12-Ю20

51 вь 125 2.73л. 1.23-1019 1.23-Ю10 1.63-1012 1.63-103

52 Те 121 16.78дн. 1.68-1019 0 8.02-1012 <10-1

52 Те 122 Стаб. 2.75-1020 2.75-102" 0 0

52 Те 123 Стаб. 5.Ю-1020 5.Ю-1020 0 0

52 Те 124 Стаб. 7.42-102" 7.42-1020 0 0

52 Те 125 Стаб. 1.17-1021 1.17-1021 0 0

52 Те 127 Стаб. 1.05-1021 1.08-102' 0 0

52 Те 128 в-Ю^л. 2.22-1020 2.22-1020 0 0

53 I 125 60.14дн. 2.46-1020 1.88-10" 3.32-1013 4.53-104

53 I 126 13.02дн. 6.48-10" 0 4.11-1013 <ю-'

53 I 127 Стаб. 1.94-1021 2.08-1021 0 0

53 I 129 1.57-107Л 9.1410го 9.14-1020 1.28106 1.28-106

54 Хе 124 Стаб. 1.74-1020 1.74-1020 0 0

54 Хе 125 16.9ч. 2.09-10"1 0 2.3810'3 <10''

54 Хе 126 Стаб. 1.05 1021 ков-ю51 0 0

54 Хе 127 36.4дн. 1.39-1020 1.71-10® 3.06-1013 <ю-'

54 Хе 128 Стаб. 1.47-1021 1.47-1021 0 0

СУММАРНАЯ АКТИВНОСТЬ 1.62-1014 5.12-Ю10

потока у-квантов равнялась 1019фотон-с''-см'2, а время облучения - 3 месяца. Таким образом, в обоих случаях число фотонов, упавших на исследуемый изотоп, было одинаковым, а интенсивности потоков у-квантов различны.

Активности и количества основных изотопов, образующихся в результате облучения пучком тормозного излучения с максимальной ^ энергией 30 МэВ и интенсивностью потока Ф=1018 фотон-с'^см"2 приведе-

ны в таблице 1. За время облучения количество ядер исходного изотопа уменьшилось до 9.14-1020 ядер. В процессе трансмутации образуются следующие стабильные изотопы ,24'|26Л28Хе, ,271, ,22-|26'12*Те, ,2и238Ь. Суммарная активность к концу облучения достигает 1,62-1014, что на семь порядков выше начальной (А:я](0)=1.36-107 расп./с), и в основном определяется изотопами ' Хе, ' I, Те, 8Ь. К окончанию времени наблюдения активность образовавшейся смеси будет определяться изотопом 1248Ь(Г//2=2.73лет, /?+). Примерно через 84 года его активность сравнится с активностью оставшегося изотопа ,291, которая стала на порядок ниже начальной.

Таким образом, можно сделать вывод: по-видимому, сжигание изотопа ,291 при помощи у-квантов является эффективным методом для уничтожения этого долгоживущего изотопа ядерного деления только при достаточно высоких интенсивностях потоков у-квантов.

Так как изотоп "Тс также является радиоактивным отходом, образующимся в атомной промышленности, и имеет период полураспада (Т1/2=2.11-105 лет),

исследовано формирование трансмутационной цепочки изотопа "Тс при облучении его потоком тормозных у-квантов с макси» мальной энергией 30 МэВ и интенсивностью Ф=1018фотон с"' см"2. Время облучения составило 30 месяцев, а полное время наблюдения - 90 месяцев, включая время облучения. Исходное количество изотопа "Тс было взято в количестве 1022 ядер в образце с облучаемой площадью 1 см2.

В окружении изотопа "Тс, кроме короткоживущих и стабильных изотопов, присутствуют два долгоживущих изотопа (см. Рис. 3). Изотоп

Тс имеет малое сечение захвата нейтронов и его сжигание в реакциях под

44 «Нп Ки

57.7с 51Лм Ш1 5.54

43 «Тс 93Тс ,4Тс «Те

4.4и 2.75ч 293м 20ч

42 "Мо ,3Мо "4Мо

15.49м *МЬ 14.М 3.5ЕЗл

41 илъ 92кь Мм>

14.6ч «ЛЕ2л 3.5Е7Л 11111

1 |

Рис.3 Фрагмент N-2 диаграммы окружения изотопа "Тс.

действием нейтронов является малоэффективным. На Рис. 3 показан фраг-

мент N-2 диаграммы окружения изотопа "Тс.

Активность изотопа "Тс на момент начала облучения имела значе-

Таблица 2 Количество и активность различных изотопов, образовавшихся при облучении исходного изотопа "Тс тормозным пучком у-кваитов с интенсивностью Ф=10" фотоне'см'2.

. Изотоп Тш 1Ч(Т=30) N^=90) Активность. расп7с

Ъ Эл-т А Т=30 мес. Т=90 мес.

41 № 93 Стаб. 1.27-1019 1.28-1019 0 0

41 !ЧЬ 94 2.03-104л. 2.01-1019 2.01-1019 2.18-107 2.17-107

41 № 95 34.96дн. 6.06-1018 6.68-105 1.39-1012 <10"'

42 42 Мо 93 З.5103л. 1.9-1020 1.9-1020 1.04-109 1.04-109

Мо 94 Стаб. 4.35-102" 4.35-1020 0 0

42 Мо 95 Стаб. 9.06-1020 9.13-1020 0 0

42 Мо 96 Стаб. 1.55-1021 1.57-1021 0 0

42 Мо 97 Стаб. 1.95-1020 1.95-102" 0 0

42 Мо 98 Стаб. 1.61-1020 1.61-Ю20 0 0

43 Тс 96 4.28дн. 2.23-1019 0 4.19-1013 0

43 Тс 97 2.6-105 л. 2.10-1021 2.10-1021 1.78-107 1.78-107

43 Тс 98 4.2106л. 2.31-1021 2.31-1021 1.21107 1.21-107

43 Тс 99 2.11105л. 1.96-1021 1.96-1021 2.04-108 2.04-108

СУММАРНАЯ АКТИВНОСТЬ 5.381013 1.3-109

ние А"тс(0)=1.04-1СР расп./с. Активности и количества ядер основных изотопов, образующихся в результате облучения "Тс пучком тормозных у-квантов, приведены в таблице 2.

К концу облучения сгорело более 80% начального изотопа "Тс . В результате трансмутации изотопа "Тс образуются как стабильные, так и радиоактивные изотопы. К концу наблюдения основными изотопами, определяющими состав образовавшейся смеси (более 95%), будут стабильные изотопы 9адбМЬ и долгоживущие

97-99Тс

с периодами полураспада больше чем 103лет. Активность смеси изотопов, получившейся в результате облучения ядер "Тс пучком у-квантов, к окончанию наблюдения (Т=90месяцев) имела значение А=1.3-109 расп./с, что несколько выше активности начального образца (Таблица 2). У всех изотопов, определяющих эту активность 94ЫЪ(Т1/2=2.3-104л., Р+), 93Мо(Т1/2=3.5-103л., /?+), 97Тс(Т1/2=2.6-105л., 98Тс(Т,/2=4.2-106л., р+\ "Тс(Т1/2=2.1М05л., у?+), длительные периоды полураспада, поэтому образовавшаяся смесь сама является долгоживущей.

Видно, что в результате облучения двух изотопов и "Тс при одинаковых условиях конечные результаты существенно отличаются. Основная причина этих различий связана с окружением начальных изотопов.

Динамика формирования трансмутационных цепочек для различных изотопов одного химического элемента исследовалась на примере изотопов Хе. Ксенон имеет 9 стабильных изотопов, при этом наиболее легкие стабильные изотопы

окружены р+-радиоактивными изотопами. Самые тяжелые стабильные изотопы - ^"-радиоактивными изото-

пами. Расчет был выполнен для всех стабильных изотопов Хе. В результате облучения исходного изотопа образуется большое количество как стабильных, так и радиоактивных ядер. В связи с этим динамика трансмутационной цепочки зависит от окружения исследуемого изотопа изотопами соседями. Так как при воздействии потоков тормозных у-квантов высокой интенсивности на изотопы в трансмутационных цепочках образуется большое количество стабильных и радиоактивных изотопов, для ряда при-

ложений нет необходимости проводить детальную оценку всей цепочки трансмутации. В этом случае удобно использовать траекторию трансмутации, представляющую собой эволюцию среднего массового числа Ар и заряда 2Р всех ядер, образовавшихся в момент времени Г. Ар и 2Р определяются как средневзвешенные по количеству ядер значения А и 2:

где Ы(А,2,0 - количество изотопа (А, 2) в момент времени Г.

Для всех девяти стабильных изотопов Хе было проведено исследование формирования трансмутационных цепочек. Каждый исходный изотоп брался в количестве 1022 ядер. Расчет выполнялся для двух интенсив-ностей потока тормозных у-квантов Ф1=1017фотон-с"1-см"2 и Ф2=10|8фотон-с"'-см'2. Время облучения в обоих случаях составило 30 ме-

Рис. 4 Траектории трансмутации изотопов Хе для двух иитенсивиостей потока у-квантов-а) Ф^Ю17фотон с' см2, б) Ф2=1018фотон с' см' Время облучения =30месяцев На траектории трансмутации нанесено время от начала облучения (месяцы).

сяцев, время наблюдения за изотопами после облучения - 60 месяцев. Результаты расчетов трансмутационных цепочек приведены на Рис. 4. На графиках изображены траектории трансмутации для каждого изотопа Хе. Вдоль каждой траектории указано время в месяцах.

Сравнение трансмутационных цепочек изотопов ксенона для значений интенсивности потока у-квантов Ф]=1017фотон-с'1-см"2 и Ф2=1018фотон • с"1 • см"2, при одинаковом времени облучения (30 месяцев), позволяет установить следующие зависимости:

1) При увеличении интенсивности потока у-квантов значительнее изменяется Ар При интенсивности потока у-квантов Ф1=1017фотон с',-см"2, Ар примерно одинаково для всех изотопов и равно 0.29, при интенсивности потока у-квантов Ф2=1018фотон-с"1см'2 для самого легкого изотопа 124Хе равно 2.72, для самого тяжелого 136Хе - 3.08.

2) Величина 2Р также значительно меняется при увеличении интенсивности потока у-квантов, кроме того, она обнаруживает характерную зависимость от массового числа. Так при интенсивности потока Ф\ наибольшее изменение 2Р было у самого легкого изотопа 124Хе (Д 2Р=0.35) и практически не изменилось у средних изотопов 13М32Хе. У изотопов 134"|36Хе, напротив, происходит увеличение 2,,. В случае интенсивности потока Фг у самого легкого изотопа ,24Хе изменение (Д Ар=2.72) происходит только при уменьшение 2Р (Д 2Р=2.51). У тяжелых изотопов 134"136Хе на начальном этапе Ар меняется при увеличивающимся 2р, затем через некоторое время 2Р начинает уменьшаться. Так у изотопа 134Хе величина 2Р на момент окончания облучения достигает практически начального значения 2Р(Щ=54А.

Влияние интенсивности тормозного спектра у-излучения с максимальной энергией Еут=30МэВ на формирование трансмутационной цепочки исследовалось на примере изотопа 1448ш. Так как изотопы Бт с А<144

являются Д+-радиоактивными с малыми периодами полураспада, а основными каналами реакции являются фотонейтронные каналы, то формирование трансмутационной цепочки должно иметь сильную зависимость от интенсивности потока у-квантов, поэтому в качестве исследуемого изотопа был выбран изотоп 1448т. Трансмутация изотопов происходит в результате фотоядерных реакций и последующих ^-распадов. Образование и разрушение каждого элемента трансмутационной цепочки происходит в реакциях (у, п), (у, 2п•), (у, Зп) и (у, р) или в результате /Г, /Г-распадов.

Расчет был выполнен для двух значений интенсивности тормозного потока у-квантов Ф]=1017фотон е' см2 и Ф2=210'8фотонс'-см2. Время облучения в обоих случаях было одинаковым и составило 30 месяцев, а полное время наблюдения - 90 месяцев, включая время облучения. Исходное количество изотопа 1448ш было взято в количестве 1022 ядер. На Рис. 5 представлено распределение количества ядер различных изотопов, образовавшихся на момент окончания облучения Т=30 месяцев. Площади кругов на Рис. 5 пропорциональны количеству образовавшегося изотопа. В результате проделанного расчета показано, что при достижении интенсивности потока тормозного излучения определенной величины, зависящей от свойств изотопов, расположенных рядом с начальным изото-

130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 а

Рис. 5 Ядра трансмутационной цепочки 1448т, образовавшиеся к концу облучения; а) интенсивность потока у-квантов Ф1~1017фотон • с'-см'2, б) интенсивность потока у-квантов

ответствующего изотопа

пом по А и 2, полностью меняется характер процесса трансмутации изотопа. При малых значениях интенсивности образование легких изотопов данного химического элемента происходит путем скольжения вниз вдоль левой границы долины стабильности изотопов. Под действием потока у-квантов высокой интенсивности начальный изотоп вступает в цепь последовательных (у, п), (у, 2п), (у, Зп) -реакций (канал (у, р) составляет около 5% от фотонейтронных каналов), в результате чего происходит быстрое образование изотопов с меньшими А. В случае с |448ш образование изотопов происходит вплоть до А=131. Все изотопы Бт с А<140 имеют короткие периоды полураспада (не более нескольких минут). Таким образом, сразу после образования они начинают распадаться по /?+-каналам в изотопы |32"И2Рт также с периодами полураспада не превышающими нескольких минут, в результате чего формируется мощный каскад /?+-переходов. Этот каскад играет существенную роль в образовании изотопов со значительно меньшими А и 2 по сравнению с исходным изотопом. Так в результате такого каскадного распада образовались обойденные ядра 130Ва (N=3.63-1019ядер) и шСе (N=1.92-Коядер).

Для проверки точности результатов, полученных с помощью созданного комплекса программ, были выполнены расчеты количества ядер различных изотопов, образующихся в реакциях с вылетом до 4 нейтронов на изотопах Ш7А8, 93МЬ, 103Ш1, 205Т1. Эксперименты для этих изотопов были проведены на разрезном микротроне ЯТМ-70 НИИЯФ МГУ. Кроме того эксперименты были промоделированы с помощью библиотеки программ СЕАИТ-4. При выполнении расчетов с использованием СЕАИТ-4 были учтены все возможные факторы, оказывающие влияние на конечный результат (параметры электронного пучка, толщина тормозной мишени, геометрическая форма исследуемого образца и т. д.) Получено достаточно хорошее совпадение результатов. Таким образом, можно утверждать, что программный комплекс, созданный для моделирования взаимодействий у-

квантов с атомными ядрами, позволяет производить расчеты с хорошей точностью для широкого диапазона начальных условий.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации и выводы.

В результате проведенной работы был создан комплекса программ, позволяющий в автоматическом режиме рассчитывать и формировать трансмутационные цепочки для различных изотопов и их смесей.

С помощью созданного комплекса программ были проведены исследования 19 изотопов. Исследовалось влияние интенсивности и дозы у-излучения на трансмутационные процессы. Изучено влияние начального ядра и его «окружения» на процесс трансмутации атомных ядер. Для некоторых продуктов радиоактивных отходов исследована зависимость конечной активности для различных потоков у-квантов и времени облучения. Показано существование эффекта аналогичного нейтронным х- и г-процессам. При достижении интенсивности потока тормозного излучения определенной величины, зависящей от свойств изотопов, расположенных рядом с начальным изотопом (А, 2), показано изменение характера процесса трансмутации изотопа. Исследован один из возможных механизмов образования обойденных ядер. Проведен сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными, полученными на разрезном микротроне 1ШТ-70 и данными, рассчитанными с помощью библиотеки программ СЕАИТ-4. Показано, что использованная в диссертации модель, в которой учитываются основные механизмы динамики взаимодействия у-квантов с атомными ядрами, позволяет рассчитывать фотонейтронные сечения для изотопов с 30 < А < 210 с высокой степенью точности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

И.А. Лютиков. Влияние интенсивности потока тормозных у-квантов на формирование трансмутационной цепочки изотопа 144Sm // Труды 6 межвузовской научной школы молодых специалистов, Москва, 2005. - С. 92-96.

И.А. Лютиков. Фоторасщепление изотопа ,8|Та. В сборнике тезисов УП международной конференции студентов, аспирантов и мод^дых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005», Москва, МГУ, 13 апреля 2005 г. Секция «Физика». - С. 41-42. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Трансмутация изотопу ,65Но в интенсивном потоке у-квантов // Труды 4 межвузовской научной школы молодых специалистов, Москва, 2003. - С. 81-86. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Компьютерное моделирование трансмутации атомных ядер в фотонных пучках // Труды 5 межвузовской научной школы молодых специалистов, Москва, 2004. - С. 67-73.

В.М. Ионов, ИА. Лютиков, С.И. Павлов. Трансмутация изотопа "Тс в интенсивном потоке у-квантов // Труды 5 межвузовской научной школы молодых специалистов, Москва, 2004. - С. 74-78. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Трансмутация изотопа ,65Но в интенсивном потоке у-квантов // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. - 2004. - № 1. - С. 32-34. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И Павлов. Образование изотопа 178Hf в интенсивном пучке у-квантов при облучении естественной смеси изотопов гафния // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. - 2004. - № 6. - С. 25-28. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Влияние интенсивности тормозного спектра у-квантов на трансмутацию изотопа 165Но. В сборнике тезисов 54 международного совещания по ядерной спек-

троскопии и структуре атомного ядра «Ядро-2004», Белгород, 22-25 июня2004 г.-С. 85.

9. Б.С. Ишханов, И. А. Лютиков, С.И. Павлов. Особенности формирования траектории трансмутации изотопов Хе в интенсивном пучке тормозных у-квантов. В сборнике тезисов 54 международного совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра «Ядро-2004», Белгород, 22-25 июня 2004 г. - С. 86.

10. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Материалы международного симпозиума «Уравнения смешанного типа и родственные проблемы анализа и информатики», Нальчик-Эльбрус, 22-26 мая 2004 г. -С. 219.

11. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Влияние интенсивности тормозного спектра у-квантов на трансмутацию изотопа 165Но // Известия РАН. - 2005. - Т. 69, № 5. - С. 667-669.

12. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Особенности формирования траектории трансмутации изотопов Хе в интенсивном пучке тормозных у-квантов // Известия РАН. - 2005. - Т. 69, № 5. - С. 670674.

13. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Комплекс программ для моделирования процессов трансмутации атомных ядер под действием интенсивных потоков гамма-квантов // Вычислительные методы и программирование. - 2005. - Т. 6, № 2. - С. 208-213.

14. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И Павлов. Взаимодействие интенсивных потоков у-квантов с атомными ядрами // Труды международной конференции «Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии», Саров, РФЕЦ-ВНИИЭФ, 2005. - С. 268-276.

15. ВВ. Варламов, Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, В.Н. Орлин, С.И. Павлов, П.Е. Самойлов. Атлас фотонейтронных сечений. Учебное пособие.-М.: УНЦ ДО, 2005.

1( (

■у

Подписано к печати

Тираж Заказ Ж.-

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

1 ■f

I 1

2Ô0S ft !

S-4751

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Лютиков, Игорь Адольфович

Введение.

Глава 1. Метод исследования.

1.1 Моделирование процесса трансмутации атомных ядер

1.2 Спектр тормозного излучения

1.3 Описание сечений реакций

1.4 Описание эксперимента

Глава 2. Комплекс программ расчёта трансмутационных цепочек.

2.1 Расчетный блок программного пакета

2.2 Визуализирующий блок программного пакета

Глава 3. Результаты.

3.1 Влияние интенсивности тормозного спектра у-квантов на трансмутацию изотопа 165Но

3.2 Трансмутация изотопа Ш

3.3 Трансмутация изотопа 99Тс

3.4 Поведение траектории трансмутации в зависимости от изотопов «соседей» и интенсивности потока у-квантов, на примере стабильных изотопов Хе

3.5 Образование изотопа 178Hf в интенсивном пучке у-квантов при облучении естественной смеси изотопов гафния.

3.6 Влияние интенсивности потока на формирование трансмутационной цепочки изотопа ,44Sm.

3.7 Сравнение результатов, полученных при помощи созданного комплекса программ, с результатами компьютерного моделирования с использованием библиотеки программ GEANT-4 и данными экспериментов, проведенных на ускорителе RMT-70 в НИИЯФ МГУ. '

Введение диссертация по физике, на тему "Трансмутация атомных ядер в интенсивных потоках γ-квантов"

Исследование трансмутации атомных ядер под действием потоков у-квантов высокой интенсивности является необходимым для решения многих фундаментальных и прикладных задач:

• в изотопической инженерии - введение примесей в материалы [1, 2, 3];

• в атомной промышленности - разрушение долгоживущих продуктов радиоактивных отходов, образующихся при работе ядерных реакторов [4, 5, 6];

• в астрофизике - образование химических элементов во Вселенной [7, 8];

• в ядерной физике - получение и исследование ядер, расположенных вдали от полосы /^-стабильности;

• проведение активационного анализа.

В настоящее время активно изучаются различные способы введения примесей в полупроводники. Один из возможных путей решения этой задачи - использование фотоядерных реакций [3]. Возможность применения такого метода введения примесей в материалы основана на том, что при облучении образца у-излучением с разными верхними границами тормозного спектра будут происходить различные ядерные реакции. Например, введение приме

ОН ло си А1 в структуру Si может осуществляться в результате двух различных цепочек реакций [9]:

2SSi(r,p)27Al, 2*Si(y,nfSi(/3\Tm=4.l6c)21Al.

Такой метод введения примесей в материалы имеет ряд преимуществ: 1) возможность с высокой точностью контролировать концентрации введенных примесей при постоянном фотонном потоке; 2) распределение введенных примесей имеет высокую объемную однородность.

При работе атомных реакторов образуется большое количество долго-живущих изотопов - продуктов ядерного деления. В последнее время предложены различные методы утилизации этих изотопов. Одним из эффективных методов является метод сжигания их в реакциях под действием нейтронов. Такой метод можно эффективно использовать только в том случае, когда сечения реакций под действием нейтронов на интересующих изотопах велики и ядра, образовавшиеся в результате присоединения нейтронов, являются короткоживущими с последующим распадом в стабильные изотопы. Однако существует часть изотопов, которые являются долгоживущей составляющей радиоактивных отходов, в частности, такие изотопы как 90Sr, 99Тс, 1231 и 135Cs, которые имеют малые сечения взаимодействия с нейтронами. Исследования возможности преобразования долгоживущей составляющей радиоактивных отходов, основанной на фотоядерных реакциях, показали перспективность такого подхода [4, 5, 11]. Для реализации этого метода необходима разработка комплекса программ, позволяющего прослеживать динамику всей цепочки образовавшихся изотопов. В результате модельных расчетов можно подобрать наиболее эффективные параметры облучения: интенсивность потока у-излучения, время облучения, минимально необходимое время выдержки смеси, образовавшейся в результате трансмутации, для распада короткоживущих изотопов.

Одним из механизмов образования атомных ядер в процессе нуклеосинтеза является астрофизический у-процесс, который необходимо учитывать при образовании легких изотопов химических элементов. Проводятся различные эксперименты, в которых исследуется возможная роль астрофизических у-процессов в образовании химических элементов [7].

Известно, что ядра тяжелее железа образуются в реакциях нейтронного захвата в астрофизических г- и s- процессах. Однако эти процессы нейтронного захвата не могут объяснить образование некоторых тяжелых (А > 100) нейтронодефицитных ядер, так как образование этих ядер от других стабильных изобар блокировано цепочкой /Г-радиоактивных ядер с малыми периодами полураспада. Эти ядра называются обойденными ядрами. Естественное содержание в природе обойденных ядер мало: 0.01 - 1%. Один из возможных механизмов образования этих ядер - астрофизический у-процесс, в котором в качестве начальных ядер выступают изотопы образовавшиеся в г- и s- процессах. Основная трудность исследований этой проблемы заключается в отсутствии данных о сечениях реакций для всех вовлеченных в процесс трансмутации изотопов, так как большинство изотопов является /Г-радио-активными. Кроме того, достаточно сложно адекватно описать спектр излучения, взаимодействующего с атомными ядрами, структура и форма которого (тепловой спектр Планка) сильно отличается от тормозного у-спектра, который достаточно просто получить на ускорителях электронов. Один из вариантов решения проблемы спектра излучения - это представление теплового спектра в исследуемой области энергий как суперпозиции нескольких спектров тормозного излучения с различными верхними границами [10, 11, 12].

Использование фотонных пучков высокой интенсивности дает возможность получения экзотических ядер, перегруженных протонами, путем облучения наиболее легких стабильных изотопов данного химического элемента пучками тормозного излучения. Например, из исходного изотопа 1 Rh в результате цепочки реакций (у, хп) можно получить изотоп 99Rh {Рис. В - 1).

100%

16.1л

-у, Я—

20.8ч п

Рис. В -1. Схема возможных путей образования 99Rh из "nRh. Д.<т стабильных изотопов указано процентное содержание в естественной смеси, для нестабильных — период полураспада.

Как видно из Рис. В - 1, изотоп wRh может образовываться в результате либо реакции (у, 4п), либо цепочки реакций (у, п) (у, 2п) {у, Зп). Поэтому, для оценки возможности образования ядер, удаленных от полосы ^-стабильности, необходима информация о сечениях с вылетом нескольких нейтронов. Разработка моделей, описывающих эти реакции, является одной из актуальных проблем.

Таким образом, исследование взаимодействия высокоинтенсивных потоков излучения с веществом имеет большое значение для решения фундаментальных и прикладных задач, связанных с изучением структуры вещества. Для этой цели создаются новые источники концентрированных потоков энергии - мощные лазеры и ускорители электронов, на которых возможна организация физических исследований в интересующей области. Первостепенное значение приобретают проблемы экологии и охраны окружающей среды. Продолжается исследование процессов образования химических элементов во Вселенной.

Цель работы.

• Изучение процессов трансмутации атомных ядер под действием интенсивных потоков у-квантов для изотопов с массовыми числами 30 < А < 210.

• Создание комплекса программ, позволяющего в автоматическом режиме рассчитывать сечения фотоядерных реакций, рассчитывать и формировать трансмутационные цепочки для различных изотопов и их смесей при использовании любого энергетического спектра у-излучения с верхней границей до 50 МэВ, обладающего возможностью наглядного динамического представления трансмутации изотопов и формирования их цепочек.

Актуальность работы связана с возрастающей необходимостью изучения взаимодействия высокоэнергетических потоков с материалами, в частности, взаимодействия интенсивных пучков у-квантов с веществом, что обусловлено поиском решений фундаментальных и прикладных задач, таких как: образование химических элементов во Вселенной [7, 8]; введение примесей в материалы [1, 2, 3]; разрушение долгоживущих составляющих радиоактивных отходов, образующихся при работе ядерных реакторов и в атомной промышленности [4, 5, 6]; возможность открытия и дальнейшего исследования ядер вдали от полосы /^-стабильности; активационные задачи.

Данная работа выполнена при поддержке гранта № 02.455.11.7200.

Научная новизна работы.

Создан комплекс программ, который в автоматическом режиме позволяет:

• рассчитывать сечения фотоядерных реакций;

• наблюдать динамику этого процесса.

Впервые использована модель, в которой учитывается ряд основных характеристик ядра (см. пункт 1.3 главы 1), позволяющая рассчитывать фотонейтронные сечения для изотопов с 30 < А <210 вплоть до (у, 10п) в автоматическом режиме.

Впервые произведен расчет трансмутационного процесса для широкого диапазона ядер (19 изотопов) и различных интенсивностей потока у-излучения. Исследовано влияние интенсивности и дозы у-излучения на трансмутационные процессы. Изучено влияние начального ядра и его «окружения» на процесс трансмутации атомных ядер.

Изучено влияние «ядер-соседей» на процесс трансмутации.

Показано существование эффекта, аналогичного нейтронным s- и г-процессам. При достижении интенсивности потока тормозного излучения определенной величины, зависящей от свойств изотопов, расположенных рядом с начальным изотопом (A, Z), менялся характер процесса трансмутации изотопа. При низких интенсивностях образование более легких стабильных изотопов относительно исходного происходит путем скольжения вниз вдоль левой границы долины стабильности. При увеличении интенсивности образование более легких стабильных изотопов происходит через взрывное образование сильно перегруженных протонами изотопов с последующим /Г-распадом протоноизбыточных ядер.

Автор защищает:

Влияние характеристик начального изотопа и «ядер-соседей» на процесс трансмутации.

Влияние интенсивности потока у-квантов и дозы излучения на процесс трансмутации.

Результаты сравнительного анализа экспериментальных данных с модельными.

• Обоснование выбора модели, позволяющей рассчитывать фотонейтронные сечения для изотопов с 30 < А <210.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на следующих совещаниях и конференциях:

• научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 11-29 апрель 2005).

Неоднократно результаты работы докладывались на научных семинарах отдела ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации - 111 е., рисунков — 54, таблиц - 8, наименований в списке литературы - 83.

Во введении обоснована актуальность темы, выбор методов и объектов исследования, сформулированы цель, новизна, научная и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации по главам.

В первой главе подробно представлены математические модели, используемые для описания процесса трансмутации атомных ядер под действием интенсивных потоков у-квантов и сечений фотоядерных реакций.

Приводится информация о разрезном микротроне RMT-70 его конструкционных особенностях и основных параметрах. Изложена методика проведения экспериментов и обработки данных.

Дается схематическое представление и описание компьютерной модели, созданной с использованием библиотеки программ GEANT-4, позволяющей моделировать эксперименты, проводимые на разрезном микротроне RTM-70.

Во второй главе подробно описаны интерфейсы, алгоритмы и среды реализаций основных программ, входящих в комплекс, который позволяет в автоматическом режиме рассчитывать и формировать трансмутационные цепочки для различных изотопов и их смесей. Программный пакет обладает большими динамическими возможностями и гибкостью, благодаря чему можно легко варьировать основные параметры моделируемого процесса трансмутации: время облучения, время наблюдения, интервал наблюдения, ток электронного пучка ускорителя, а также другие необходимые параметры. В базе данных программного комплекса хранится информация о характеристиках распада 2500 атомных ядер. Предусмотрена возможность использования как теоретических, так и экспериментальных сечений фотоядерных реакций и любого энергетического спектра у-излучения с верхней границей до 50МэВ. Большое внимание уделено наглядному представлению полученных результатов. Специально написанный визуализирующий блок позволяет быстро получать графическое представление фотонейтронных сечений и в динамике наблюдать формирование трансмутационных цепочек.

В третьей главе приведены результаты выполненных модельных расчетов по влиянию интенсивности у-квантов и дозы, начального изотопа и «ядер-соседей» на процесс трансмутации для изотопов ксенона, гольмия, йода, технеция, гафния, самария, серебра, таллия, ниобия, родия. Рассчитанные результаты сравниваются с экспериментальными данными и результатами моделирования с использованием пакета GEANT-4.

В заключении кратко сформулированы основные результаты и вывод.

Заключение диссертации по теме "Физика атомного ядра и элементарных частиц"

Заключение

В результате проведенной работы был создан комплекс программ, позволяющий в автоматическом режиме рассчитывать и формировать трансмутационные цепочки для различных изотопов и их смесей.

С помощью созданного комплекса программ были проведены исследования 19 изотопов. Исследовалось влияние интенсивности и дозы у-излучения на трансмутационные процессы. Изучено влияние начального ядра и его «окружения» на процесс трансмутации атомных ядер. Для некоторых продуктов радиоактивных отходов исследована зависимость конечной активности для различных потоков у-квантов и времени облучения. Показано существование эффекта, аналогичного нейтронным s- и г- процессам. При достижении интенсивности потока тормозного излучения определенной величины, зависящей от свойств изотопов, расположенных рядом с начальным изотопом (A, Z), показано изменение характера процесса трансмутации изотопа. Исследован один из возможных механизмов образования обойденных ядер. Проведен сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными, полученными на разрезном микротроне RMT-70 и данными, рассчитанными с помощью библиотеки программ GEANT-4. Показано, что использованная в диссертации модель, в которой учитываются основные механизмы динамики взаимодействия у-квантов с атомными ядрами, позволяет рассчитывать фотонейтронные сечения для изотопов с 30 < А < 210 с высокой степенью точности.

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям Ишханову Борису Саркисовичу и Павлову Станиславу Ивановичу за неоценимую помощь в работе, практические рекомендации, ценные советы и замечания, высказанные при обсуждении результатов и методики исследования.

Автор выражает признательность всем участникам группы, проводящей исследования на разрезном микротроне RMT-70.

Автор искренне благодарит сотрудников ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ, за всестороннюю помощь и теплое отношение.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Лютиков, Игорь Адольфович, Москва

1. D. J. S. Findlay, D. H. J. Totterdell. Photonuclear transmutation doping of semiconductors. //Semicond. Sci. Technol. - 1988. -№3. - C. 388-396.

2. V. V. Zabolotskiy, N. A. Ivanov, N. N. Leonov, V. V. Petrenko. The homogeneity of the photonuclear transmutation doping of silicon. // Semicond. Sci. Technol. -1993.-T.8.-C. 2187-2192.

3. Плеханов В. Г. Изотопическая инженерия. // УФЕ. 2000.- T.l 1, № 170. -С. 1245—1252.

4. Т. Matsumoto. Calculation of gamma ray incineration of 90Sr and 135Cs. // Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res. 1988 - Т. A268. - C. 234-243.

5. T. Kase et al. Product yileds of 235U, 238U, 237Np, and 239Pu by photofission reactions with 20, 30 and 60 mev bremsstrahlung. // Nuclear Science and Engineering. 1992. - T. 3. - C. 368-378.117

6. A. Yamadera et al. Measurement of Cs (y, n) cross section by the nuclear recoil separation method. // Nucl. Instum. Methods Phus. Res. 1993. - Т. A329.1. C. 188-196.

7. К Vogt at all. Measurement of the (y, n) reaction rates of the nuclides 190Pt, 192Pt and 198Pt in the astrophysical gamma-process. // Phys. Rev. 2001. - Т. C.63.

8. Бородина С. С., Ишханов Б. С. Мокеев В. И. Модель описания сечений фотонейтронных реакций на тяжелых ядрах с малой деформацией // Вестн. Моск. Ун-та, Физ. Астрон. 1998. № 1. - С. 22.

9. D. J. S. Findlay, D. Н. J. Totterdell. II Photonuclear transmutation doping ofsemiconductors. Semicond. Sci. Technol. 1988. - T. 3, № 5. - C. 388-396.

10. D. L. Lambert. //Astron. Astrophys. Rev. 1992. - T. 3. - C. 201.

11. M. Arnould, K. Takahashi. II Rep. Prog. Phys. 1999. - T. 62, № 5. - C. 395.

12. K. Lnaganke. II Nucl. Phys. 1999. - Т. A564. - C. 330.59. 13. J. F. Streib, W. A. Fowler, and С. C. The Transmutation of Fluorine by Protons. // Phys. Rev. -1941- T.59 C. 253-270.

13. Ишханов Б. С, Капитонов И. М. Взаимодействие электромагнитного излучения, с атомными ядрами. // Издательство МГУ, 1979.

14. Ишханов Б. С, Капитонов И. М., Неудачин В. Г., Шевченко В. Г., Эрамжян Р. А., Юдин Н. П. Конфигурационное расщепление дипольного гигантского резонанса в атомных ядрах. // УФН. — 1990. Т. 160. - С. 6799.

15. Ишханов Б. С, Капитонов И. М., Эрамжян Р. А. Исследование дипольного гигантского резонанса в (у, ху') экспериментах. // ЭЧАЯ. 1992. — Т. 23. -С. 1770-1826.

16. Nuclear wallet cards. N. Y., 2000. (http://www.nndc.bnl.gov).

17. ЦЦФЭ НИИЯФ МГУ (http://cdfe.sinp.msu.ru)

18. Deitrich S., Berman В. L. II Atomic data and nuclear data tables. 1998. - T. 38.-C. 199.

19. Burn R., Bruyant F., Maire M. et al. II GEANT (User's Guide). CERN, Geneva, Switzerland, 1987.21. http ://cern. ch/geant4

20. А. Мигдал. И ЖЭТФ. 1945. - Т. 81, № 5. - С. 15.

21. М Goldhaber, Е. Teller. И Phys. Rev. 1948. - Т. 74. - С. 1046.

22. В. L. Berman, D. D. Faul, R. A. Alvarez, P. Meyer, and D. L. Olson. Giant resonance in transitional nuclei: Photoneutron cross sections for osmium isotopes // Phys. Rev. -1979.-T.C19. C. 1205-1223.

23. В. В. Варламов, Б. С. Ишханов, И. А. Лютиков, В. Н. Орлин, С. И. Павлов, 77. Е. Самойлов. Атлас фотонейтронных сечений // Издательство УНЦ ДО, Москва 2005.

24. О. Бор, Б. Моттельсон. Структура атомного ядра // Изд-во Мир, т.2. Москва, 1977.

25. F.C. Williams. //Nucl. Phys. 1971. - Т. А166, № 5. - С. 231.

26. М. Danos. // Nucl. Phys. 1958. - Т. 23, № 5.

27. К. Okamoto. // Prog. Theor. Phys. 1956. - T. 75, № 15.

28. N. Stone. I I Table of New Nuclear Moments, Preprint 1997 (A revision of the Table of nuclear moments by P. Raghavan (Atomic Data Nuclear Tables 42, 189 (1989))); URL—http://www.nndc.bnl.gov/nndc/stone-moments

29. B. Goulard and S. Fallieros. // Can. J. Phys. 1967. - T. 45. - C. 3221.

30. Ишханов Б. С. Павлов С. И. Воздействие интенсивных потоков у-излучения на атомные ядра. // Издательство УНЦ ДО, Москва 1999.33. http://www.sinp.msu.ru/scienceinc/avtoreftext/Ermakov-A-N.pdf34. http://www.canberra.com/products/486.asp

31. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Комплекс программ для моделирования процессов трансмутации атомных ядер под действием интенсивных потоков гамма-квантов // Вычислительные методы и программирование. 2005. - Т. 6, № 2. - С. 208-213.

32. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Компьютерное моделирование трансмутации атомных ядер в фотонных пучках // Труды 5 межвузовской научной школы молодых специалистов, Москва, 2004. — С. 67-73.

33. Варламов В. В., Руденко Д. С, Степанов М. Е. Оценка сечений раекций 34Sn(у, sn) и 232Th(у, f) с помощью метода редукции. // Извести РАН. Серия физическая. -2001. —Т. 65. —С. 1589.

34. Варламов В. В., Ииосанов Б. С, Ефимкин Н. Г., Черняев А. П. Надежность определения энергетической зависимости сечений фотоядерных реакций в экспериментах различного типа. // Извести РАН, Серия физическая. 1991.-Т. 55.-С. 1021.

35. Е. Wolynec, М. N. Martins. Revista Brasileira Fisica, (17), С. 56, 1987.

36. R. L. Bramblett, J. T. Caldwell, G. F. Auchampaugh, and S. C. Fultz. Photo-neutron Cross Sections of 181Ta and 165Ho II Phys. Rev. -1963. -T.129. C.2723-2729.

37. R. L. Bramblett, J. T. Caldwell, R. R. Harvey, and S. C. Fultz Photoneutron Cross Sections of 159Tb and 160 //Phys. Rev. -1964. -Т. В133. -C.869-873.

38. J. H. Carver, D. C. Peaslee, and R. B. Taylor Nuclear El Overtones II Phys. Rev. -1963. -T.127. C.2198-2205.

39. B. L. Berman, R. E. Pywell, S. S. Dietrich, M. N. Thompson, К G. McNeill, J. W. Jury Absolute photoneutron cross sections for Zr, I, Pr, Au, and Pb // Phys. Rev.-1987.-T.C36.-C. 1286-1292.

40. R. L. Bramblett, J. T. Caldwell, B. L. Berman, R. R. Harvey, and S. C. Fultz Photoneutron Cross Sections of 141Pr and 127I from Threshold to 33 MeV // Phys. Rev. -1966. -Т. 148. C. 1198-1205.

41. B. L. Berman, S. C. Fultz, J. T. Caldwell, M. A. Kelly, and S. S. Dietrich Photoneutron Cross Sections for 138Ba and 14N. // Phys. Rev. -1970. -T.C2. C. 2318-2323.

42. B. L. Berman, R. L. Bramblett*, J. T. Caldwell, H. S. Davis, M. A. Kelly, and S. C. Fultz Photoneutron Cross Sections for 75As, 107Ag, and 133Cs. // Phys. Rev. -1969. -T.177. C. 1745-1754.

43. В. C. Cook, J. E. E. Baglin, J. N. Bradford, and J. E. Griffin. 160 (y, n)150 Cross Section from Threshold to 65 MeV. // Phys. Rev. -1966. -T.143. C. 712723.

44. S. С. Fultz, J. Т. Caldwell, В. L. Berman, R. L. Bramblett, and R. R. Harvey. Photoneutron Cross Sections for 12C and ,27A1. // Phys. Rev. -1966. -T.143. C. 790-796.

45. B. L. Berman, D. D. Faul, P. Meyer, and D. L. Olson. Photoneutron cross section for 4H. // Phys. Rev. -1980. -T.C22. C. 2273-2281.

46. J. W. Jury, B. L. Berman, D. D. Faul, P. Meyer, K. G. McNeill, and J. G.11

47. Woodworth. Photoneutron cross sections for C. // Phys. Rev. -1979. -T.C19. C. 1684-1692.

48. S. C. Fultz, R. A. Alvarez, B. L. Berman, and P. Meyer. Phys. Photoneutron cross sections of Ni58 and Ni60. // Phys. Rev. -1974. -T.C10. C. 608-619.

49. W. E. Stephens, J. Halpern, and R. Sher. Photo-Production of17N. II Phys. Rev. -1951. -T.82. C. 511-514.

50. Ниссанов Б. С. Лютиков Н. А. Павлов С. И. Влияние интенсивности тормозного спектра у-квантов на трансмутацию изотопа 165Но //Изв. РАН. -2005. Т. 69, № 5. - С. 667-669.

51. Ишханов Б. С. Лютиков И. А. Павлов С. И. Трансмутация изотопа 165Но в интенсивном потоке у-квантов. // Вест. Моск. Ун-та. Серия 3. Физика-Астрономия. 2004. - Т. 6, № 1. - С. 32-34.

52. Б. С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Трансмутация изотопа ,65Но в интенсивном потоке у-квантов // Труды 4 межвузовской научной школы молодых специалистов, Москва, 2003. С. 81-86.

53. Б. С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Взаимодействие интенсивных потоков у-квантов с атомными ядрами // Труды международной конференции

54. Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии», Саров, РФЕЦ-ВНИИЭФ, 2005. С. 268-276.

55. К W D Ledingham, J Magill, Р McKenna, et al. Laser-driven photo190transmutation of I a long-lived nuclear waste product // J. Phys. D: Appl. Phys. -2003 -T.36, №18 - C. L79-L82.

56. B.M. Ионов, И. А. Лютиков, С.И. Павлов. Трансмутация изотопа 99Тс в интенсивном потоке у-квантов // Труды 5 межвузовской научной школы молодых специалистов, Москва, 2004. С. 74-78.

57. Б.С. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Особенности формирования траектории трансмутации изотопов Хе в интенсивном пучке тормозных у-квантов // Известия РАН. 2005. - Т. 69, № 5. - С. 670-674.

58. I. Ahmad, J.C. Banar,. Search for X-Ray Induced Acceleration of the Decay of the 31-Yr Isomer of ,78Hf Using Synchrotron Radiation. NUMBER 7 PHYS. I REV. LETTERS 13 VOL. 87,AUGUST2001.17R

59. B.C. Ишханов, И.А. Лютиков, С.И. Павлов. Образование изотопа Hf в интенсивном пучке у-квантов при облучении естественной смеси изотопов гафния // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. -2004.-№6.-С. 25-28.

60. Бородина С.С., Ишханов Б.С., Мокеев В.И., Павлов С.И. Феноменологическое описание конкуренции каналов распада состояний гигантского ди-польного резонанса ядер. //Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерные константы, 2000.

61. И.А. Лютиков. Влияние интенсивности потока тормозных у-квантов на формирование трансмутационной цепочки изотопа 144Sm // Труды 6 межвузовской научной школы молодых специалистов, Москва, 2005. С. 92-96.68. http://ru.arxiv.org/abs/nucl-th/0306012

62. R. L. Bramblett, J. Т. Caldwell, G. F. Auchampaugh, and S. C. Fultz. Photo-neutron Cross Sections of 181Ta and 165Ho // Phys. Rev. -1963- T.129 C. 27232729.

63. R. L. Bramblett, J. T. Caldwell, R. R. Harvey, and S. C. Fultz Photoneutron Cross Sections of ,59Tb and 160 // Phys. Rev. -1964-T.B133 -C. 869-873.

64. J. H. Carver, D. C. Peaslee, and R. B. Taylor. Nuclear El Overtones // Phys. Rev. -1962-T.127-C. 2198-2205.

65. B. L. Berman, R. E. Pywell, S. S. Dietrich, M. N. Thompson, K. G. McNeill, J. W. Jury Absolute photoneutron cross sections for Zr, I, Pr, Au, and Pb // Phys. Rev. -1987- Т. C36, № 6 C. 1286-1292.

66. Горячев A. M. Залесный Г. M. Форма стабильных переходных ядер 1г и Pt. // Письма ЖЭТФ. -1978- Т. 26, № 2 С. 107-109.

67. В. L. Berman, D. D. Faul, R. A. Alvarez, P. Meyer, and D. L. Olson. Giant resonance in transitional nuclei: Photoneutron cross sections for osmium isotopes. И Phys. Rev. -1979-T, T.C19, № 4 1205-1223.

68. R. L. Bramblett, J. T. Caldwell, B. L. Berman, R. R. Harvey, and S. C. Fultz. Photoneutron Cross Sections of 141Pr and 127I from Threshold to 33 MeV // Phys. Rev. -1966-T. 148,-C. 1197-1205.

69. Гуревич Г. M., Лазарева Л. Е., Мазур В. М., Солодухов Г. В. О ширине гигантского резонанса в сечениях поглощения у-квантов ядрами в области 150<А<200. // Письма ЖЭТФ, -1976-Т. 23,- С. 411-415.

70. R. L. Bramblett, J. Т. Caldwell, G. F. Auchampaugh, and S. C. Fultz. Photoneutron Cross Sections of 181Ta and 165Ho // Phys. Rev. -1963- T.129 C. 27232729.

71. R. L. Bramblett, J. T. Caldwell, R. R. Harvey, and S. C. Fultz Photoneutron

72. Cross Sections of ,59Tb and ,60 II Phys. Rev. -1964-T.B133 -C. 869-873.

73. J. H. Carver, D. C. Peaslee, and R. B. Taylor. Nuclear El Overtones // Phys. Rev. -1962- T.127-C. 2198-2205.

74. B. L. Berman, R. E. Pywell, S. S. Dietrich, M. N. Thompson, K. G. McNeill, J. W. Jury Absolute photoneutron cross sections for Zr, I, Pr, Au, and Pb // Phys. Rev. -1987-Т. C36, № 6 C. 1286-12924.

75. B. L. Berman, D. D. Faul, R. A. Alvarez, P. Meyer, and D. L. Olson. Giant resonance in transitional nuclei: Photoneutron cross sections for osmium isotopes. // Phys. Rev. -1979-T, T.C19, № 4 1205-1223.

76. R. L. Bramblett, J. T. Caldwell, B. L. Berman, R. R. Harvey, and S. C. Fultz. Photoneutron Cross Sections of 141Pr and 127I from Threshold to 33 MeV // Phys. Rev. -1966-T. 148,-C. 1197-1205.