Study of neutron induced reaction cross sections on Fe isotopes at the GELINA facility relevant to reactor applications

Abstract

Studies of neutron induced reactions are of considerable interest, not only for their importance to fundamental research in Nuclear Physics but also for practical applications. Iron is a major structural material, used widely in nuclear technology applications, especially nuclear reactors where steel alloy components are used for building the core's structural support and as reflectors. For this reason, accurate neutron data are indispensable for the design and reliable operation of such facilities. The lack of experimental data, especially in the fast neutron energy region, has created discrepancies between the current evaluated nuclear data libraries. New cross section measurements on Fe were carried out at the neutron time-of-flight facility GELINA. On the one hand, scattering experiments were performed to determine the differential cross section of neutron elastic and inelastic scattering on 54Fe and 56Fe in the fast neutron energy region (1-8 MeV), using enriched samples for both isotopes. For the detection of the scattered neutrons, the ELISA (ELastic and Inelastic Scattering Array) spectrometer was used. The array consists of 32 liquid organic scintillators for the detection of the scattered neutrons and a 235U fission chamber for the measurement of the neutron flux. On the other hand, transmission experiments on natFe were performed at the 50m measurement station of flight path 4. The moderated flux configuration was used providing a neutron spectrum with energies from a few eV to hundreds of keV. The neutrons were detected by a Li-glass scintillator enriched in 6Li. Two natural iron metallic discs of 1.2cm and 4.5cm thickness were measured. Finally, the direct radiative capture mechanism for 56Fe was explored in an effort to provide a physical interpretation behind changes that were made in the capture cross section of 56Fe. Specifically, two main changes were made in the evaluated cross sections. An artificial background was added in the resolved resonance region, in order to reproduce integral measurements in this energy range. The cross section above 850keV was also increased based on experimental data provided by the Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). The goal of the present work is to perform new experiments and theoretical calculations to study neutron induced reaction cross sections on iron in an effort to tackle issues reported in the evaluated files by providing new experimental/theoretical data for key reactions and neutron energy regions.

Οι μελέτες των αντιδράσεων νετρονίων παρουσιάζουν σημαντικό ενδιαφέρον, όχι μόνο για τη θεμελιώδη έρευνα στη Πυρηνική Φυσική αλλά και για πρακτικές εφαρμογές. Ο σίδηρος είναι ένα σημαντικό δομικό υλικό, που χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές πυρηνικής τεχνολογίας, ειδικά σε πυρηνικούς αντιδραστήρες όπου τα εξαρτήματα από κράμα σιδήρου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της δομικής υποστήριξης του πυρήνα και ως ανακλαστήρες. Για το λόγο αυτό, ακριβή πυρηνικά δεδομένα για τις αντιδράσεις νετρονίων στο σίδηρο είναι απαραίτητα για το σχεδιασμό και την αξιόπιστη λειτουργία τέτοιων εγκαταστάσεων. Η έλλειψη πειραματικών δεδομένων, ειδικά στην ενεργειακή περιοχή των ταχέων νετρονίων, έχει δημιουργήσει διαφορές μεταξύ των πυρηνικών δεδομένων στις διάφορες αξιολογημένες βιβλιοθήκες.Νέες μετρήσεις ενεργών διατομών αντιδράσεων νετρονίων στο Fe πραγματοποιήθηκαν στην εγκατάσταση χρόνου πτήσης GELINA. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σκέδασης για τον προσδιορισμό της διαφορικής ενεργού διατομής της ελαστικής και ανελαστικής σκέδασης νετρονίων στο 54Fe και 56Fe στην ενεργειακή περιοχή των ταχέων νετρονίων (1-8 MeV), χρησιμοποιώντας εμπλουτισμένα δείγματα και για τα δύο ισότοπα. Για την ανίχνευση των σκεδαζόμενων νετρονίων, χρησιμοποιήθηκε το φασματόμετρο ELISA (ELastic and Inelastic Scattering Array). Το ανιχνευτικό σύστημα αποτελείται από 32 οργανικούς υγρούς σπινθηριστές για την ανίχνευση των σκεδαζόμενων νετρονίων και έναν θάλαμο σχάσης 235U για τη μέτρηση της ροής νετρονίων. Επιπλέον, πειράματα διέλευσης σε natFe πραγματοποιήθηκαν στο σταθμό μέτρησης των 50m της διαδρομής πτήσης 4. Τα νετρόνια ανιχνεύθηκαν από έναν σπινθηριστή γυαλιού λιθίου εμπλουτισμένο σε 6Li. Μετρήθηκαν δύο δείγματα φυσικού σιδήρου 1.2cm και 4.5cm.Τέλος, πραγματοποιήθηκαν θεωρητικοί υπολογισμοί για τη μελέτη της άμεσης σύλληψης στον 56Fe σε μια προσπάθεια να παρασχεθεί φυσική ερμηνεία πίσω από τις αλλαγές που έγιναν στην ενεργό διατομή της αντίδρασης σύλληψης στο 56Fe. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν δύο κύριες αλλαγές στα δεδομένα των αξιολογημένων βιβλιοθηκών. Προστέθηκε ένα τεχνητό υπόβαθρο στην χαμηλοενεργειακή περιοχή, ώστε να αναπαραχθούν μετρήσεις πειραμάτων integral σε αυτό το ενεργειακό εύρος. Η ενεργός διατομή πάνω από τα 850keV επίσης αυξήθηκε βάσει πειραματικών δεδομένων που παρέχονται από το εργαστήριο Rensselaer Polytechnic Institute (RPI).Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η πραγματοποίηση νέων πειραμάτων και θεωρητικών υπολογισμών για τη μελέτη των ενεργών διατομών αντιδράσεων που προκαλούνται από νετρόνια στον σίδηρο σε μια προσπάθεια να αντιμετωπιστούν τα ζητήματα που αναφέρονται στις αξιολογημένες βιβλιοθήκες παρέχοντας νέα πειραματικά/θεωρητικά δεδομένα για βασικές αντιδράσεις και ενεργειακές περιοχές νετρονίων.

Les études des réactions induites par les neutrons sont d'un intérêt considérable, non seulement pour leur importance dans la recherche fondamentale en physique nucléaire, mais aussi pour leurs applications pratiques. Le fer est un matériau structurel majeur, largement utilisé dans les applications nucléaires, en particulier dans les réacteurs nucléaires où les composants en 'acier sont utilisés pour construire le support structurel du cœur et du réflecteur. Pour cette raison, des données précises sur les neutrons sont indispensables pour la conception et le fonctionnement fiable de ces installations. Le manque de données expérimentales, notamment dans la région des énergies des neutrons rapides, a créé des divergences entre les bibliothèques de données nucléaires évaluées actuelles. De nouvelles mesures de sections efficaces sur le fer ont été réalisées à l'installation de temps de vol GELINA. D'une part, des expériences de diffusion ont été menées pour déterminer la section efficace différentielle de la diffusion élastique et inélastique des neutrons sur 54Fe et 56Fe dans la région des énergies des neutrons rapides (1-8 MeV), en utilisant des échantillons enrichis pour les deux isotopes. Pour la détection des neutrons diffusés, le spectromètre ELISA (ELastic and Inelastic Scattering Array) a été utilisé. L'ensemble se compose de 32 scintillateurs organiques liquides pour la détection des neutrons diffusés et d'une chambre à fission de 235U pour la mesure du flux de neutrons. D'autre part, des expériences de transmission sur natFe ont été réalisées à 50 m de la source de neutron (base de vol 4). La configuration de flux modéré a été utilisée, fournissant un spectre de neutrons avec des énergies allant de quelques eV à des centaines de keV. Les neutrons ont été détectés par un scintillateur en verre au lithium enrichi en $^6$Li. Deux disques métalliques en fer naturel de 1.2cm et 4.5cm d'épaisseur ont été mesurés. Enfin, le mécanisme de capture radiative directe pour le 56Fe a été exploré dans le but de fournir une interprétation physique des modifications apportées à la section efficace de capture de 56Fe. Plus précisément, deux modifications principales ont été apportées aux sections efficaces évaluées. Un fond artificiel a été ajouté dans la région des résonances résolues, afin de reproduire les mesures intégrales dans cette gamme d'énergie. La section efficace au-dessus de 850 keV a également été augmentée sur la base des données expérimentales fournies par le Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). Le but de ce travail est de réaliser de nouvelles expériences et des calculs théoriques pour étudier les sections efficaces des réactions induites par neutrons sur le fer, dans le but de résoudre les problèmes signalés dans les fichiers évalués en fournissant de nouvelles données expérimentales/théoriques pour des réactions clés et des régions d'énergie specifiques.