Neutronenphysik. Prof. Dr. Sabine Prys. Physikalische Grundlagen Reaktorvorlesung by ps. Skripte etc.

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1 Neutronenphysik Prof. Dr. Sabine Prys Physikalische Grundlagen Reaktorvorlesung by ps Skripte etc. Literatur Übungsfragen 1

2 3 Radioaktivität Eigenschaft bestimmter Stoffe, sich ohne äußere Einwirkung umzuwandeln und dabei charakteristische Strahlung auszusenden Alpha-Zerfälle Beta-Zerfälle Gamma-Zerfälle Röntgenstrahlung Spontanspaltung Spallation u.a. Aussenden von He 2+ - Teilchen Aussenden von e -,e + aus dem Kern Aussenden von Photonen aus dem Kern Aussenden von Photonen aus inneren Elektronenschalen Spaltung eines Atomkernes Zertrümmerung eines Atomkernes 3.2 Strahlung Materie Wechselwirkung Ionisationsbremsung Zwischen Strahlung und Materie bestehen Wechselwirkungen Strahlung erfährt Absorption Schwächung Streuung Stossprozesse Materie erfährt Anregung Ionisation Kernreaktionen Die Wechselwirkung ist abhängig von Strahlenart und -energie 2

3 3.3 Strahlungsenergie 1 J = 1 Nm = 1 Ws 1 ev ist die Energie, die ein Elektron aufnimmt, wenn es beim freien Durchlaufen einer Spannung von 1 V beschleunigt wird 1 ev = 1, J Energieeinheiten Energieeinheiten J Joule 1 J = 1 N.m ev Elektronenvolt kwh Kilowattstunde 1 W = 1 kg.m 2 /s 3 = 1 J/s cal Kalorie erg Energieeinheit kg Kilogramm u atomare Masseneinheit 3

4 3.3.2 Umrechnungsfaktoren J MeV kwh cal erg kg 1 J 1 6,250E+12 2,778E-07 2,389E-01 1,000E+07 1,113E-17 1 MeV 1,600E ,450E-20 3,827E-14 1,602E-06 1,783E-30 1 kwh 3,600E+06 2,247E ,600E+05 3,600E+13 4,007E-11 1 cal 4,186E+00 2,613E+13 1,163E ,168E+07 4,660E-17 1 erg 1,000E-07 6,242E+05 2,778E-14 2,389E ,113E-24 1 kg 8,985E+16 5,610E+29 2,497E+10 2,146E+16 8,987E u 1,492E-10 9,320E+02 4,146E-17 3,546E-11 1,492E-03 1,661E-27 Quelle: Halliday, Resnik, Walker - Physik, Wiley-VCH Verlag 3.4 Strahlendosis Ionendosis Energiedosis Ortsdosis Personendosis Dosisleistung Abstandsgesetz 4

5 3.5 Das Abstandsgesetz Dosisleistung einer punktförmigen γ-strahlungsquelle H& = dh dt = Γ H A 2 r Nuklid Γ H 2 µsv m GBq h Co Cs I dh/dt Γ H A r = Gammadosisleistung = Gammadosisleistungskonstante (tabelliert) = Aktivität = Abstand zur Strahlungsquelle 4.6 Zerfall durch Spontanspaltung Kerne mit M 232 können durch Einwirkung kosmischer Neutronen spontan zerfallen 2 Tochterkerne mit Massenverhältnis 1,4 oder mehrere Bruchstücke (=Spallation) Freisetzung von Neutronen 5

6 4.6.1 Neutronen Begriffe und Einheiten Neutronenquellen Neutroneneigenschaften Messungen Rechnungen Begriffe und Einheiten Neutronenquellstärke S [n/s] Neutronenfluenz F [n/cm 2 ] Neutronenfluss Φ [n/s.cm 2 ] Neutronenenergie E [MeV] Dosiskonversionsfaktoren?? 6

7 Entstehung freier Neutronen Entstehung bei Ra-Be-Quellen: Be + 2α 6C n Entstehung bei Fusionsreaktionen 2 1 D T He + 17,58 MeV 1 0 n Neutronenquelle SUR Ra / Be -Präparat ~ 3, Bq a 222 Rn α γ 9 Be (α,n) 12 C γ 235 U bis 12 MeV 7

8 Neutronenstrahlen Teilchenart Neutronen Radionuklide spaltbare Nuklide Energie ev... MeV Reichweite energieabhängig Energieabgabe durch Moderation Wechselwirkungen Moderation, Konversion Gefahren Ganzkörperexposition Schutz Abschirmung mit B, Gd, Pb thermische und schnelle Neutronen Freie Neutronen τ ½ = ca. 11,5 min thermische Neutronen thermisches Gleichgewicht mit umgebendem Medium, Energie ca. 2, ev, Geschwindigkeit ca 2, m/s schnelle Neutronen Energie > 0,1 MeV bis ca. 2 MeV, Geschwindigkeit bis ca m/s 8

9 Neutronenenergien Neutronen Energiebereich Geschwindigkeit [km / s] Subthermisch < 0,02 ev < 2,2 Thermisch 0,0252 ev 2,2 Epithermisch < 0,5 ev < 9,8 Intermediär 0,5 ev 10 kev 9, Schnell > 10 kev > 1400 Relativistisch > 5 MeV Neutronengruppen MCNP Energiegruppen nach Foehn: DIN Thermische Neutronen E-06 MeV Epithermische Neutronen 0.625E E-03 MeV Intermediäre Neutronen 5.5E E-01 MeV Schnelle Neutronen 8.21E MeV Thermische Neutronen Epithermische Neutronen Intermediäre Neutronen Schnelle Neutronen 9

10 Neutronenspektrum des Reaktors SUR-100 (log/log) Total Neutron Core Spectrum 1.0E+08 Flux [n/s.cm 2 ] 1.0E E E E E E E E E E E+01 Energy [MeV] Neutronenspektrum des Reaktors SUR-100 (lin/log) 2,50E+07 2,00E+07 Neutronenfluss [n/cm2.s] 1,50E+07 1,00E+07 5,00E+06 0,00E+00 1,00E-09 1,00E-08 1,00E-07 1,00E-06 1,00E-05 1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 Energie [MeV] 10

11 Neutronenwechselwirkungen Die wichtigsten Wechselwirkungen zwischen Neutronenstrahlen und ihrer Umgebung sind Streuung σ scattering Elastische Streuung (10 kev - 1 MeV) σ scat, el ( Neutronenmoderation) σ scat, inel Inelastische Streuung (1 MeV - 10 MeV) Absorption σ absorption Einfang ( Neutronenaktivierung) σ capture Spaltung ( Kettenreaktion) σ fission Wirkungsquerschnitte I Der Wirkungsquerschnitt σ ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer (nuklearen) Reaktion Scheinbare Angriffsfläche eines Zielkerns für ein ankommendes Teilchen Dimension: Flächeneinheiten barn = 10 cm 11

12 Wirkungsquerschnitte II σ n. Scheinbare Angriffsfläche eines Zielkerns für ein ankommendes Teilchen kernartabhängig energieabhängig, temperaturabhängig reaktionsabhängig Spaltbare Materialien α - Strahler: Isotop τ½ Häufigkeit σ ther [barn] U-234 2, a 0,005 % U-235 7, a 0,720 % 582 U-238 4, a 99,275 % < 0,0005 Pu-239 2, a 743 Pu-240 6, a 0,03 Pu ,4 a 1009 Pu-242 3, a < 0,2 Pu-243 4,956 h

13 Spaltquerschnitte für Uran-235 thermische Neutronen: E = ev σ spalt ~ 1000 b E~ 10-1 ev σ spalt ~ 250 b schnelle Neutronen: E> 10 6 ev σ spalt ~ 1-2 b U-235 thermische Spaltung Spaltquerschnitte für Uran-238 thermische Neutronen: E = ev σ spalt ~ 0,0005 b schnelle Neutronen: E~ ev σ spalt ~ 0,5 b U-238 schnelle Spaltung 13

14 σ für U-235 und U Kettenreaktion 14

15 Neutronenabsorber Regelstäbe / -platten Cd In / Ag Hf B 4 C, B 2 O 3 Kernschutz Biologische Abschirmung (Kernreaktorsteuerung) 113 Cd (n,γ) 114 Cd 10 B (n,α) 7 Li (Kernreaktorstörfall) Na 2 B 10 O H 2 O (SUR-100): H 3 BO Neutronenstreuung Als Neutronenstreuung bezeichnet man den Zusammenstoß eines Neutrons mit einem Kern, wenn es zu keiner Absorption kommt. Die vom Neutron an den Kern abgegebene Energie ist am größten, wenn der Kern dieselbe Masse wie ein Neutron hat. Das ist bei Wasserstoff der Fall. Wasserstoffhaltige Materialien, wie H 2 O, PE, etc können deshalb als Neutronenmoderator eingesetzt werden um schnelle Neutronen auf die Geschwindig-keit thermischer Neutronen abzubremsen D 2 O, Graphit und Be haben ebenfalls große Streuquerschnitte 15

16 Neutronenmoderation Abbremsen schneller Neutronen auf thermische Geschwindigkeit Beispiele Element σ einf σ streu H-1 0,33 38 (Gas) H-2 0, B Gd

17 Wirkungsquerschnitte III σ ges = σ tot = σ el + σ inel + σ einf + σ spalt Streuquerschnitt σ s : σ scattering Streuquerschnitt für elastische Streuung Streuquerschnitt für inelastische Streuung Absorptionsquerschnitt σ einf : σ absorption, σ capture Einfangquerschnitt ohne Spaltung Spaltquerschnitt σ spalt : σ fission Neutronenaktivierung Neutronenaktivierungsanalyse Zerstörungsfrei Materialanalysen Qualitätssicherung Aber auch: Strahlenbelastungen 17

18 Aktivierungsarten Aktivierung durch Neutronenquellen, z.b. Cf-252 t 1/2 = 2,638 a 96,8 % α und 3,1 % sf 3,8 n / sf 2, Neutronen / s. g Moderator Spaltprodukte Kernreaktoren Spaltprodukte Beschleunigte Teilchen O( p, α) N( λ, n) N Hochenergetische Photonen N σ ~1mbarn Thermische Neutronenaktivierung Wirkungsquerschnitte σ n,th [barn] Fe-56 2,8 Cu-63 4,5 Cu-65 2,2 Mn-55 13,4 As-75 4,5 Mn-55 18

19 Nukliderzeugung thermische Neutronenaktivierung M Z A + n B + γ M + 1 Z M Z A( n, γ ) M + 1 Z Beispiele Mo-98 (n,γ) Mo-99 Te-130 (n,γ) Te-131 B Neutronenaktivierung mit anschließendem β-zerfall Masse = M + 1 Ordnungszahl = Z+ 1 19

20 Mn-55 Aktivierung Aktivierung durch thermische n: ,58h 56 Mn( n, γ ) Mn Fe+ β + γ γ - Energie γ - Intensität 0,84660 MeV 99,00 1,81120 MeV 30,00 2,11260 MeV 15, Beispiel 1 26,3 h 75 As (n,γ) 76 As 76 Se + β + γ γ - Energie γ - Intensität 0,55910 MeV 44,6 0,56280 MeV 1,60 0,65710 MeV 6,40 20

21 Beispiel 3 12,8 h 63 Cu (n,γ) 64 Cu 64 Ni K / β /β + /γ γ - Energie γ - Intensität 0,00756 MeV 14,0 1,34576 MeV 0,48 4,4 h 79 Br (n,γ) 80m Br 80 Br + γ γ - Energie γ - Intensität 0,03700 MeV 40 0,04890 MeV 0, Beispiel 4 2,7 d 197 Au (n,γ) 198 Au 198 Hg + β + γ γ - Energie γ - Intensität 0,00999 MeV 1,27 0,07082 MeV 1,38 0,41180 MeV 95,53 14,3 d 32 S (n,p) 32 P 32 S + β 21

22 Spezifische Aktivität nach Probenbestrahlung ' m H σ NL Φ A( t, t ) = e M λt' λ t ( 1 e ) A = erzeugte Aktivität (Bq) t = Bestrahlungszeit (s) t' = Zerfallszeit (s) m = Masse des Mutternuklids (g) H = Isotopenhäufigkeit des Mutternuklids (%) N L = Avogadro s Zahl (mol -1 ) σ = Wirkungsquerschnitt (barn) Φ = Neutronenflussdichte (n.cm -2.s -1 ) M = Atommasse des Mutternuklids (g.mol -1 ) λ = ln2 / t 1/ Sättigungsaktivität bei konstantem Φ Bestrahlung mit thermischen Neutronen während t / t 1/2 m H σ N A = M L Φ t t1/ 2 A 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, t / t 1/2 22