ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 4, с. 472-477
УДК 539.173,621.039
ИНТЕНСИВНЫЙ НЕЙТРИННЫЙ ИСТОЧНИК НА ОСНОВЕ ИЗОТОПА 7Ьк РЕАКТОРНАЯ И УСКОРИТЕЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИИ
© 2015 г. В. И. Ляшук1, 2, Ю. С. Лютостанский2
Е-шаП: lyashuk@itep.ru
Предлагается создание интенсивного антинейтринного источника с жестким уе-спектром — на основе реакции активации нейтронами изотопа лития — 7Ы(и, у)8Ы. Образующийся Р--активный изотоп 8Ы при распаде испускает жесткие vе с Еу до 13 МэВ при средней энергии ~6.5 МэВ. Этот vе-ис-
точник может быть создан на базе ядерного реактора с бланкетом из высокочистого 7Ы. Возможны: стационарный и динамический режимы, когда литий прокачивается в замкнутом цикле через объемный резервуар (литиевый конвертор) вблизи активной зоны реактора и далее — к удаленному v е—детектору. Рассмотрена также ускорительная реализация уе-источника в установке на основе тандема ускорителя с нейтронно-производящей мишенью внутри литиевого конвертора. Обсуждается вариант с вольфрамовой мишенью на ускорителе протонов с энергий до 300 МэВ. Представлены результаты расчетов выхода нейтронов из мишени, образования изотопа 8Ы и уе-потоков. БО1: 10.7868/80367676515040225
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в нейтринных исследованиях получено много экспериментальных свидетельств, указывающих на необходимость расширения Стандартной Модели и включения в модель массовых состояний нейтрино для описания осцилляций. В последние годы получены важнейшие результаты в нейтринной физике (в дополнение к уже известным 012 и ©23) установлено значение угла смешивания ©13. Сначала в ускорительном эксперименте T2K было исключено нулевое значение 013 [1], подтвержденное в эксперименте MINOS [2]. Затем в реакторных экспериментах Double Choos [3], Daya Bay [4] и Reno [5] была набрана большая статистика и получено значение sin2(2©13) ~ 0.092 [5], что соответствует углу ~9°.
Однако модель осцилляций далека от завершения. Так, в экспериментах LSND [6], MiniBooNe [7], SAGE [8], GALLEX [9] и реакторных экспериментах [10] получены результаты с аномальными значениями, не укладывающиеся в модель нейтрино с тремя массовыми состояниями, что может указывать на существование стерильных нейтрино (не принимающих участия в слабых взаимодействиях), но участвующих в осцилляциях активных нейтрино. Для расширения стандарт-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение На-
циональный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва.
ной модели предложены схемы с одним, двумя и тремя типами стерильных нейтрино [11—14].
Необходимы новые более точные экспериментальные данные для выяснения иерархии (нормальной или инверсной) массовых состояний нейтрино и получение их значений, поиска возможных СР-нарушений. Проведение осцилляци-онных экспериментов также требует уточнения разности квадратов масс известных флейворов нейтрино.
Для осцилляционных экспериментов необходим интенсивный источник нейтрино с хорошо определенным спектром. При энергии нейтрино в несколько МэВ в качестве такого источника традиционно используется ядерный реактор. Однако спектр реакторных антинейтрино характеризуется рядом недостатков. Кратко укажем на них.
Практически весь V-поток реактора (99.8% для реактора типа ВВЭР) обеспечивается четырьмя изотопами: 235и, 239Ри, 238и, 241Ри [15]. На рис. 1 представлены данные измерений равновесных V -спектров ядер — продуктов деления этих четырех изотопов (спектры нормированы на одно деление) [16—18]. Экспериментальные данные по 238и были опубликованы только в 2014 г. [18]. Вклад 238и в суммарный нейтринный спектр реактора типа ВВЭР ^ЯМ-П реактор в Гарчинге, Германия) оценен в 10% [18]. Как видно на рис. 1, все четыре спектра быстро падают с ростом энергии, что резко снижает эффективность измерений (особенно пороговых реакций) из-за квадратич-
ной зависимости сечения взаимодействия ней-
2
трино от энергии — av ~ ЕС-
Следующим недостатком реакторных -спектров является их зависимость от состава ядерного топлива, который меняется со временем как в период работы, так и при необходимых остановках. С изменением состава меняются и Уе-потоки, которые пересчитываются с помощью поправочных коэффициентов для четырех изотопов [19, 20]. Дополнительные неучтенные ошибки в определении V-потока возникают при остановке реактора между кампаниями из-за постоянного присутствия на реакторах бассейна отработанного топлива, вклад которого достигает 1% [15].
Экспериментальные Vе-спектры от Р--распа-дов ядер-продуктов деления 235и, 239Ри, 238и, 241Ри восстанавливаются из Р--спектров этих изотопов. Прямая регистрация Р--спектра по электронам возможна только для части распадных цепочек, а остальные идентифицируются по у-квантам. При больших ветвлениях восстановление вероятностей каналов, неизвестных схем распада и конечных продуктов методами у-спектроскопии становится проблематичным. Для решения проблемы в работах [21—24] проведены модельные расчеты Уе-спектров, рассмотрена параметризация эффективного заряда фрагментов [21], анализируется влияние поправок (радиационные, кулоновские, слабый магнетизм) [22], исследуется вклад запрещенных переходов [23].
Таким образом, значительные неопределенности в антинейтринных спектрах ядерных реакторов и указания работ [15, 21—24] на неучтенную добавку к суммарному Уе-спектру (до 6%) серьезно осложняют интерпретацию осцилляционных экспериментов.
1. АНТИНЕЙТРИННЫЙ ИСТОЧНИК НА БАЗЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
Неопределенности, возникающие при реакторном Vе-спектре можно значительно снизить, используя (п, Уе)-конвертор из высокочистого изотопа 7Ы: при активации 7Ы(п, у)8Ы реакторными нейтронами образующийся короткоживу-щий изотоп 8Ы(Т1/2 = 0.84 с) испускает в Р--рас-паде жесткие антинейтрино с максимальной энергией Ет"х = 13.0 МэВ. Спектр хорошо определен и имеет среднюю энергию Ео = 6.5 МэВ (см. рис. 1). Работа на таком жестком спектре позволяет увеличить сечение av во много раз, благодаря квадратичной зависимости сечения нейтринного взаимодействия от энергии: av ~ Конвертор представляет собой литиевый бланкет и устанавливается вблизи активной зоны реакто-
Рис. 1. Антинейтринный спектр от р--распадов изотопа 8Li и реакторных изотопов. 1 — v e-спектр от 8Li. Экспериментальные vе-спектры от распадов изотопов урана и плутония [16—18]: 2 — 238U (сплошная линия); 3 — 235U, (прямые кресты); 4 — 241Pu (черные кружки); 5 — 239Pu (светлые кружки).
ра для активации. Благодаря Р--распаду образующегося изотопа 8Li суммарный Ve-спектр (от активной зоны реактора плюс конвертора) становится значительно жестче в сравнении с исходным реакторным Ve-спектром. Такой режим работы литиевого конвертора назван статическим [25].
Впервые использование изотопа 8Li в реакторе со стационарным потоком рассмотрено в работе
[26], а для реактора с импульсным режимом — в
[27]. В работах [25, 28] рассмотрены две основные сферические геометрии конвертора с инверсной очередностью его слоев относительно активной зоны (AZ): 1) геометрия A (AZ — слой конвертора (толщиной LC = 130, 150 и 170 см) — слой тяжелой воды Э2О (толщиной LW = 30 см); 2) геометрия B (AZ — слой тяжелой воды Э2О (толщиной LW < < 15 см) — слой конвертора (толщиной LC = 130, 150 и 170 см). Радиус активной зоны — RAZ = 23 см соответствует объему 51 л, как и в высокопоточном реакторе ПИК [25, 28]. Тяжелая вода в геометрии A действует как отражатель, а в геометрии B — как эффективный замедлитель.
Природный литий состоит из изотопов 7Li(92.5%) и 6Li(7.5%). Для нейтронов с тепловой энергией отношения поглощений на литиевых изотопах равно aaAi(6Li)/aBy(7Li) = 937/0.045, что диктует необходимость высокой очистки от паразитного поглощения на изотопе 6Li. Рассмотрена зависимость нейтронной эффективности конвер-
тора кп от чистоты по изотопу 7Ы. Под эффективностью кп понимается число атомов 8Ы, образующихся в конверторе на один нейтрон, вылетающий из А^. В расчетах полагалось, что на одно деление из источника выходит один нейтрон.
Предложенная чистота Р7 = 99.99% по изотопу 7Ы технологически доступна и использована во всех расчетах литиевого конвертора. В расчетах (по монте-карловской программе МАМОНТ) показано, что геометрия А обеспечивает более высокую эффективность конвертора к в сравнении с В. Так, при Ьс = 150 см значение кп = 0.070 и 0.056 для геометрии А и В соответственно [25, 28].
Достижение высоких значений эффективности конвертора путем использования больших масс высокочистого изотопа 7Ы ведет к сильному росту стоимости установки. Возможен альтернативный путь, связанный с использованием химических литиевых соединений с высокой замедляющей способностью и малым паразитным поглощением. Перспективными кандидатами на использование в качестве вещества конвертора могут быть тяжеловодные растворы гидроксида лития (ЫОЭ, ЫОЭ • Э2О) и дейтерид лития ЫЭ [29, 30]. Наиболее перспективно использование тяжеловодных растворов ЫОЭ. Данные растворы позволяют снизить толщину конвертора Ьс до ~1 м и резко сократить необходимую массу лития: например, при 7Ы с чистотой 99.99% для достижения уровня эффективности кп = 7.5% в случае тяжеловодного раствора ЫОЭ (с концентрацией 9.46%) потребуется лития в ~350 раз меньше в сравнении с конвертором, содержащим изотоп 7Ы именно в металлическом состоянии.
Резко увеличить жесткость суммарного антинейтринного спектра можно за счет геометрического фактора в установке с литиевым конвертором, работающим в динамическом режиме [31—33]: жидкий литий прокачивается в непрерывном цикле через конвертор (расположенный вблизи А^) и далее активированный литий прокачивается к удаленному Vе-детектору и возвращается в конвертор. Для обеспечения большего потока жестких литиевых антинейтрино предусмотрен прокачиваемый резервуар вблизи V-детектора. Получены аналитические выражения для интегрального потока литиевых антинейтрино, испускаемых из конвертора, прокачиваемого резервуара и каналов доставки [31—33]. Использование в такой установке тяжеловодного раствора ЫОЭ вмес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.