Determinación de secciones eficaces de reacciones con neutrones de reactor discriminando los aportes de los estados metaestable y fundamental
Las secciones eficaces de producción de reacciones nucleares son parámetros fundamentales de los distintos isótopos. En este trabajo se ha desarrollado una metodología de cálculo, el método de las rectas, que permite determinar simultáneamente las secciones eficaces de producción del estado excitado...
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| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2001
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| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/37/1/1Ribeiro.pdf |
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Ingeniería nuclear Neutron reactions Isomers Fission neutrons Integral cross section Neutrones fisión Isómeros Reacciones Neutrones Sección eficaz integral Ribeiro Guevara, Sergio Determinación de secciones eficaces de reacciones con neutrones de reactor discriminando los aportes de los estados metaestable y fundamental |
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Las secciones eficaces de producción de reacciones nucleares son parámetros fundamentales de los distintos isótopos. En este trabajo se ha desarrollado una metodología de cálculo, el método de las rectas, que permite determinar simultáneamente las secciones eficaces de producción del estado excitado y del fundamental de reacciones nucleares que generen un estado isomérico además del fundamental. Para ello se mide la evolución temporal de la emisión #gamma# asociada al decaimiento del estado fundamental. Con las mediciones de la emisión #gamma# que se estudia, efectuadas con diferentes tiempos de decaimiento, y los tiempos de irradiación, decaimiento y medición, es posible calcular dos variables que tienen una relación lineal. Los valores de estas variables pueden, por lo tanto, ajustarse por una función lineal, obteniéndose dos parámetros de ajuste que están relacionados con las secciones eficaces de producción de los estados fundamental y metaestable. El método de las rectas se puede aplicar en la determinación de secciones eficaces de cualquier reacción nuclear que genere un isómero, sin importar la energía o el tipo de partícula incidente. Una ventaja del método que estudiamos respecto de los usuales se encuentra en que, al no ser necesario medir emisiones asociadas al decaimiento del estado metaestable, permite la determinación de su sección eficaz de producción aunque no tenga emisiones g asociadas a su decaimiento. O también si, teniendo emisiones #gamma#, su medición es difícil por ser pequeña su producción o por plantear dificultades analíticas. Debido a que en el método de las rectas no es necesario establecer condiciones experimentales que dependen de los valores relativos de las vidas medias de los estados fundamental y metaestable, es posible por este método determinar la sección eficaz de producción del estado fundamental aun en los casos en que las vidas medias de ambos estados no difieren sustancialmente; o sea en aquellos casos en que no es lícito considerar que uno de los estados a decaído completamente. Empleando el método directo en los casos en que la vida media del estado fundamental es mucho mayor que la del metaestable sólo es posible determinar la sección eficaz de la reacción suma de la producción de ambos estados, pero para determinar la de producción del fundamental es necesario conocer la del metaestable. Aplicando el método de las rectas es posible determinar la sección eficaz de producción de ambos estados sin esta última condición. La principal limitación del método la encontramos en la necesidad de que las condiciones analíticas permitan medir la emisión #gamma# que estudiamos con diferentes tiempos de decaimiento. Por otra parte, del análisis de las ecuaciones en que se sustenta el método surge que hay un conjunto de condiciones en que el método no es aplicable, o su aplicación conlleva incertezas muy grandes, mientras que otro conjunto de condiciones resultan óptimas. Se aplicó el método de las rectas al estudio de cuatro reacciones umbral con neutrones, determinándose las secciones eficaces promediadas en flujo de fisión térmica de ^2^3^5U. Las determinaciones se efectuaron utilizando como monitor de flujo la reacción ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f^+^m (#sigma#=111 ± 3 mb; Baard et al., 1989). Las reacciones estudiadas plantean diferentes casos en la aplicación del método, tanto en las condiciones analíticas como en las condiciones intrínsecas de aplicación del método. Estas reacciones son: ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f y ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^m, ^5^4Fe(n,2n)^5^3Fe^f y ^5^4Fe(n,2n)^5^3Fe^m, ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^f y ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^m, y ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f y ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^m. El primer caso tiene secciones eficaces de producción relativamente grandes, la vida media del fundamental es mucho mayor que la del metaestable y es posible medirlas utilizando el monitor de flujo elegido como monitor interno. Los valores obtenidos son #sigma#_f = 74.8 #+-# 2.3 mb y #sigma#m = 36.6 #+-#1.2 mb. Las secciones eficaces de captura térmica de los productos de esta reacción son significativamente grandes. Por lo tanto, en aplicaciones del níquel como monitor de flujo rápido en un campo con componente térmica y epitérmica, y cuando su irradiación es prolongada, es necesario corregir los resultados por el “quemado” de ambos productos. Para efectuar esta corrección en ambos productos es necesario conocer la sección eficaz de producción de los dos isómeros. No se han encontrado referencias de mediciones previas a este trabajo de la sección eficaz de la reacción ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f, y sólo unas pocas de la reacción ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^m, con incertezas grandes.Las reacciones sobre el ^5^4Fe tienen secciones eficaces de producción muy pequeñas, la vida media del estado fundamental es mayor que la del metaestable pero la diferencia es pequeña, y es posible utilizar como monitor interno la reacción ^5^4Fe(n,p)^5^4Mn como control. Las principales dificultades para su estudio se encuentran en las condiciones analíticas, pero el método de las rectas se aplica en condiciones óptimas, lo que permite determinar secciones eficaces muy pequeñas. Los valores obtenidos son #sigma#_f = 1.14 #+-# 0.13 #mu#b y #sigma#_m = 0.52 #+-# 0.16 .#mu#b. Las reacciones ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^f y ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^m se producen con secciones eficaces relativamente grandes, y la vida media del estado fundamental es mucho menor que la del metaestable. En este caso es posible determinar en forma directa la sección eficaz de producción del estado metaestable, siendo este valor #sigma#_m = 19.9 #+-# 3.0 mb, consistente con el obtenido con el método de las rectas. Los valores obtenidos son #sigma#_f = 27.3 #+-# 1.3 mb y #sigma#_m = 22.0 #+-# 2.7 mb. Las reacciones ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f y ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^m tienen secciones eficaces de producción relativamente pequeñas y la relación de vidas medias de los isómeros es similar a la del caso del ^5^8Ni. En este caso para aplicar el método de las rectas es necesario estudiar una emisión asociada al decaimiento del ^8^9Y^m, que no es una emisión instantánea, y por lo tanto es necesario modificar las ecuaciones deducidas para el caso general. No se obtuvieron resultados satisfactorios a través de la aplicación del método de las rectas. Se determinaron en forma directa las secciones eficaces de producción del estado metaestable y de la reacción suma, ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f^+^m. En este caso se puede considerar que la sección eficaz de la reacción ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f^+^m es igual a la suma de las secciones eficaces de producción de cada estado, y por lo tanto por diferencia podemos determinar la sección eficaz del estado fundamental. Los valores medidos son #sigma#_f_+_m = 119.6 #+-# 3.4 #mu#b y #sigma#_m = 13.86 #+-# 0.40 #mu#b, mientras que #sigma#_f = 105.8 #+-# 3.4 #mu#b |
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I25-R131-372010-04-27T15:19:21Z Determinación de secciones eficaces de reacciones con neutrones de reactor discriminando los aportes de los estados metaestable y fundamental Simultaneous determination of averaged cross sections for the formation of ground and metastable state when using reactor neutrons as bombarding Particles: the straight line method Ribeiro Guevara, Sergio Ingeniería nuclear Neutron reactions Isomers Fission neutrons Integral cross section Neutrones fisión Isómeros Reacciones Neutrones Sección eficaz integral Las secciones eficaces de producción de reacciones nucleares son parámetros fundamentales de los distintos isótopos. En este trabajo se ha desarrollado una metodología de cálculo, el método de las rectas, que permite determinar simultáneamente las secciones eficaces de producción del estado excitado y del fundamental de reacciones nucleares que generen un estado isomérico además del fundamental. Para ello se mide la evolución temporal de la emisión #gamma# asociada al decaimiento del estado fundamental. Con las mediciones de la emisión #gamma# que se estudia, efectuadas con diferentes tiempos de decaimiento, y los tiempos de irradiación, decaimiento y medición, es posible calcular dos variables que tienen una relación lineal. Los valores de estas variables pueden, por lo tanto, ajustarse por una función lineal, obteniéndose dos parámetros de ajuste que están relacionados con las secciones eficaces de producción de los estados fundamental y metaestable. El método de las rectas se puede aplicar en la determinación de secciones eficaces de cualquier reacción nuclear que genere un isómero, sin importar la energía o el tipo de partícula incidente. Una ventaja del método que estudiamos respecto de los usuales se encuentra en que, al no ser necesario medir emisiones asociadas al decaimiento del estado metaestable, permite la determinación de su sección eficaz de producción aunque no tenga emisiones g asociadas a su decaimiento. O también si, teniendo emisiones #gamma#, su medición es difícil por ser pequeña su producción o por plantear dificultades analíticas. Debido a que en el método de las rectas no es necesario establecer condiciones experimentales que dependen de los valores relativos de las vidas medias de los estados fundamental y metaestable, es posible por este método determinar la sección eficaz de producción del estado fundamental aun en los casos en que las vidas medias de ambos estados no difieren sustancialmente; o sea en aquellos casos en que no es lícito considerar que uno de los estados a decaído completamente. Empleando el método directo en los casos en que la vida media del estado fundamental es mucho mayor que la del metaestable sólo es posible determinar la sección eficaz de la reacción suma de la producción de ambos estados, pero para determinar la de producción del fundamental es necesario conocer la del metaestable. Aplicando el método de las rectas es posible determinar la sección eficaz de producción de ambos estados sin esta última condición. La principal limitación del método la encontramos en la necesidad de que las condiciones analíticas permitan medir la emisión #gamma# que estudiamos con diferentes tiempos de decaimiento. Por otra parte, del análisis de las ecuaciones en que se sustenta el método surge que hay un conjunto de condiciones en que el método no es aplicable, o su aplicación conlleva incertezas muy grandes, mientras que otro conjunto de condiciones resultan óptimas. Se aplicó el método de las rectas al estudio de cuatro reacciones umbral con neutrones, determinándose las secciones eficaces promediadas en flujo de fisión térmica de ^2^3^5U. Las determinaciones se efectuaron utilizando como monitor de flujo la reacción ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f^+^m (#sigma#=111 ± 3 mb; Baard et al., 1989). Las reacciones estudiadas plantean diferentes casos en la aplicación del método, tanto en las condiciones analíticas como en las condiciones intrínsecas de aplicación del método. Estas reacciones son: ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f y ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^m, ^5^4Fe(n,2n)^5^3Fe^f y ^5^4Fe(n,2n)^5^3Fe^m, ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^f y ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^m, y ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f y ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^m. El primer caso tiene secciones eficaces de producción relativamente grandes, la vida media del fundamental es mucho mayor que la del metaestable y es posible medirlas utilizando el monitor de flujo elegido como monitor interno. Los valores obtenidos son #sigma#_f = 74.8 #+-# 2.3 mb y #sigma#m = 36.6 #+-#1.2 mb. Las secciones eficaces de captura térmica de los productos de esta reacción son significativamente grandes. Por lo tanto, en aplicaciones del níquel como monitor de flujo rápido en un campo con componente térmica y epitérmica, y cuando su irradiación es prolongada, es necesario corregir los resultados por el “quemado” de ambos productos. Para efectuar esta corrección en ambos productos es necesario conocer la sección eficaz de producción de los dos isómeros. No se han encontrado referencias de mediciones previas a este trabajo de la sección eficaz de la reacción ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f, y sólo unas pocas de la reacción ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^m, con incertezas grandes.Las reacciones sobre el ^5^4Fe tienen secciones eficaces de producción muy pequeñas, la vida media del estado fundamental es mayor que la del metaestable pero la diferencia es pequeña, y es posible utilizar como monitor interno la reacción ^5^4Fe(n,p)^5^4Mn como control. Las principales dificultades para su estudio se encuentran en las condiciones analíticas, pero el método de las rectas se aplica en condiciones óptimas, lo que permite determinar secciones eficaces muy pequeñas. Los valores obtenidos son #sigma#_f = 1.14 #+-# 0.13 #mu#b y #sigma#_m = 0.52 #+-# 0.16 .#mu#b. Las reacciones ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^f y ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^m se producen con secciones eficaces relativamente grandes, y la vida media del estado fundamental es mucho menor que la del metaestable. En este caso es posible determinar en forma directa la sección eficaz de producción del estado metaestable, siendo este valor #sigma#_m = 19.9 #+-# 3.0 mb, consistente con el obtenido con el método de las rectas. Los valores obtenidos son #sigma#_f = 27.3 #+-# 1.3 mb y #sigma#_m = 22.0 #+-# 2.7 mb. Las reacciones ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f y ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^m tienen secciones eficaces de producción relativamente pequeñas y la relación de vidas medias de los isómeros es similar a la del caso del ^5^8Ni. En este caso para aplicar el método de las rectas es necesario estudiar una emisión asociada al decaimiento del ^8^9Y^m, que no es una emisión instantánea, y por lo tanto es necesario modificar las ecuaciones deducidas para el caso general. No se obtuvieron resultados satisfactorios a través de la aplicación del método de las rectas. Se determinaron en forma directa las secciones eficaces de producción del estado metaestable y de la reacción suma, ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f^+^m. En este caso se puede considerar que la sección eficaz de la reacción ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f^+^m es igual a la suma de las secciones eficaces de producción de cada estado, y por lo tanto por diferencia podemos determinar la sección eficaz del estado fundamental. Los valores medidos son #sigma#_f_+_m = 119.6 #+-# 3.4 #mu#b y #sigma#_m = 13.86 #+-# 0.40 #mu#b, mientras que #sigma#_f = 105.8 #+-# 3.4 #mu#b Cross sections of nuclear reactions are fundamental parameters of the different isotopes. In this work we develop a methodology, the straight-line method, which allows simultaneous determination of cross sections for the ground and metastable states of nuclear reactions that generate, besides the ground state, one isomeric state. The method involves the measurement of the time dependent g emissions associated with the ground state decay.Through these measurements, performed at different time intervals, two variables-that are functions of the irradiation, decay and counting times-and that are linearly correlated, can be calculated. The values obtained for these two variables are fitted with a straight line, and the coefficients obtained have a known relationship with the cross sections of the metastable and ground state. The straight-line method can be used to determine cross sections of any nuclear reaction that generates two different states, regardless of the type and energy of the incident particle. An advantage of this method is that we do not have to measure emissions associated to the decay of the metastable state, thus allowing for the measurement of the production cross section of this state even if it has no emissions or if the emissions are weak or difficult to measure.Since in the straight-line method it is not necessary to impose experimental conditions which are dependent on the relative values of the isomeric and ground states half lives, it is then possible to determine, by this method, the production cross section for the ground state even in those cases where the assumption that one of the states has decayed completely, cannot be warranted. In cases where the ground state half life is much longer than that of the isomeric state, when employing direct methods, it is only possible to determine the sum cross section for the production of both states; therefore, if the metastable production cross section is known, then it is possible to determine, by subtraction, the ground state production cross section. When using the straight-line method, both cross sections can be determined separately. The main limitation of the method is the need to measure the g emission associated to the ground state decay at different time intervals. A parametric analysis of the equations associated to the method shows that under certain conditions it is not possible to apply the method, while under other conditions the method delivers optimum results. The method was applied to the study of four neutron threshold reactions, measuring cross sections averaged over a ^2^3^5U fission neutron spectrum. The measurements were performed using the monitor reaction ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f^+^m (#sigma#=111 #+-# 3 mb; Baard et al., 1989).These reactions involve different analytical conditions and different situations in the application of the method. The reactions studied are: ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f and ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^m, ^5^4Fe(n,2n)^5^3Fe^f and ^5^4Fe(n,2n)^5^3Fe^m, ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^f and ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^m, and ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f and ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^m. The first case has cross sections that are rather large, the half life of the ground state is much longer than that of the metastable state, and the monitor reaction used is an internal monitor. The values obtained are #sigma#_f =74.8 #+-# 2.3 mb and #sigma#_m = 36.6 #+-# 1.2 mb.The capture cross section of the products ^5^8Co^f and ^5^8Co^m for neutrons in the thermal range, are large. Therefore, when the monitor reaction ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f^+^m is used in a neutron flux with thermal component, and when the irradiation time is large, the results have to be corrected by burn-up of both products. To perform the correction, it is necessary to know the production cross section of both isomers. No previous reference to this work informing the cross section of the reaction ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^f was found, and few of the reaction ^5^8Ni(n,p)^5^8Co^m, with large uncertainties. The ^5^4Fe reactions have small cross sections, the half life of the metastable state is slightly longer than that of the ground state, and the reaction ^5^4Fe(n,p)^5^4Mn can be used as an internal monitor to check the results.The values obtained are #sigma#_f = 1.14 #+-# 0.13 #mu#b and #sigma#_m=0.52 #+-# 0.16 #mu#b.In this case the main difficulties are associated with the analytical conditions but the method is applied in optimal conditions, allowing for the determination of very small cross sections. ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^f and ^4^6Sc(n,2n)^4^5Sc^m reactions have relatively large production cross sections, and the ground state half life is much shorter than that of the metastable state.In this case the metastable state production cross section can be determined by usual methods with the results #sigma#_m=19.9 #+-# 3.0 mb, value that is consistent with that obtained applying the straight-line method.The cross sections obtained applying the straight-line method are #sigma#_f=27.3 #+-# 1.3 mb and #sigma#_m = 22.0 #+-# 2.7 mb.^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f and ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^m reactions have relatively small production cross sections, and the half life relation of the products is similar to the ^5^8Ni case.To apply the straight-line method in this case, we have to study the gamma emission of the ^8^9Y^m.This emission is not instantaneous, and a modification of the general equations was required.The application of the straight-line method did not give satisfactory results.Direct methods were applied to determine the metastable state production cross section and the cross section for the reaction ^9^0Zr(n,2n)^8^9Zr^f^+^m. In this case the cross section of this reaction is equal to the sum of the production cross section for each state, and we can determine the ground state production cross section by subtraction. The values obtained are #sigma#_f_+_m=119.6 #+-# 3.4 #mu#b and #sigma#_m=13.86 #+-# 0.40 #mu#b, while #sigma#_f=105.8 #+-# 3.4 #mu#b 2001-11-19 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/37/1/1Ribeiro.pdf es Ribeiro Guevara, Sergio (2001) Determinación de secciones eficaces de reacciones con neutrones de reactor discriminando los aportes de los estados metaestable y fundamental / Simultaneous determination of averaged cross sections for the formation of ground and metastable state when using reactor neutrons as bombarding Particles: the straight line method. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/37/ |