удк 539.17 оценка сечений пороговых реакций, приводящих к

УДК 539.17
ОЦЕНКА СЕЧЕНИЙ ПОРОГОВЫХ РЕАКЦИЙ, ПРИВОДЯЩИХ К ОБРАЗОВАНИЮ
ДОЛГОЖИВУЩИХ РАДИОАКТИВНЫХ НУКЛИДОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ СТАЛЕЙ
НЕЙТРОНАМИ ТЕРМОЯДЕРНОГО СПЕКТРА
А.И. Блохин, Н.Н. Булеева, В.Н. Манохин,
М.В. Михайлюкова, С.М. Насырова, М.В.Скрипова
ГНЦ Физико-энергетический институт
имени А.И.Лейпунского
THE EVALUATION OF THRESHOLD REACTION CROSS SECTIONS LEADING TO LONGLIVED
RADIOACTIVE NUCLIDE PRODUCTION AT IRRADIATION OF STEALS BY NEUTRONS OF
THERMONCLEAR SPECTRUM. The present work is devoted to analysis and evaluation of threshold reaction cross sections leading to production of long-lived radioactive nuclides at irradiation of steals, containing
V, Ti, Cr, Fe and Ni, by neutrons of thermonuclear spectra. On the basis of empirical systematics new
evaluation of the (n2n), (n,p), (n,np), (n,a) and (n,na) excitation functions was made for all isotopes of V, Ti,
Cr, Fe and Ni and intermediate isotopes produced in the chain from irradiated isotopes up to production of
long-lived radionuclides 39Ar, 42Ar, 41Ca, 53Mn, 60Fe, 60Co, 59Ni, 63Ni. А comparison with the experimental
and other evaluated data is presented.
Введение
При облучении сталей, содержащих V, Ti, Cr, Fe и Ni, в результате пороговых реакций (n,2n), (n,p), (n,np),
(n,a), (n,na), (n,d), (n,t), (n,2p) и реакций радиационного захвата образуются долгоживущие радиоактивные нуклиды 39Ar, 42Ar, 41Ca, 53Mn, 60Fe, 60Co, 59Ni, 63Ni. Вклад отдельных изотопов и реакций в образование этих радионуклидов зависит от спектра падающих нейтронов. В данной работе приведены цепочки реакций, приводящих
к образованию указанных радионуклидов, а также вклады составляющих сталь изотопов в их образование для
нейтронов термоядерного спектра. Все эти данные взяты из работы [1].
Анализ имеющихся экспериментальных и оцененных данных показывает во многих случаях наличие существенных расхождений. Поэтому была проведена новая оценка, основанная на разработанных ранее систематиках [2], которые, на наш взгляд, приводят к более надежным выводам.
Реакции, определяющие активацию сталей
При облучении сталей, содержащих элементы V, Ti, Cr, Fe, Ni, нейтронами термоядерного спектра образуется ряд долгоживущих радиоактивных нуклидов, определяющих активацию сталей, которые могут быть использованы в качестве первой стенки термоядерного реактора. Перечень таких изотопов и реакций, приводящих к их образованию, дан в нижеследующих таблицах, составленных на основе цепочек реакций, приведенных в работе [1].
1. Ванадий. Естественный ванадий содержит два изотопа: 50V(0,25%) и 51V(99,75%). В результате облучения
естественного ванадия нейтронами термоядерного спектра образуются следующие долгоживущие радиоактивные нуклиды: 39Ar (269,0 лет), 42Ar (33,0 лет), 41Ca (1,0·105 лет).
Таблица 1.
Вклад изотопов ванадия в образование указанных долгоживущих нуклидов
Нуклиды
39
Ar
Вклад изотопов ванадия, %
51
V
V
3,44
95,56
50
42
Ar
0,61
99,38
41
Ca
1,08
98.92
Как видно, активация ванадия определяется изотопом 51V.
Из работы [1] следует, что требуется знать сечения 5 типов пороговых реакций на изотопах ванадия, титана, скандия, кальция и аргона (Таблица 2).
Перечень реакций и изотопов, приводящих к образованию нуклидов 39Ar, 42Ar и 41Ca
при активации ванадия
Реакция
Таблица 2.
Изотопы
n,2n
40
n,a
45
n,na
46
n,d
50
n,2p
47
42
43
44
47
50
Ar, Ca, Ca, Ca, Ti, V
Sc, 42Ca, 45Ca, 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50V, 51V
Sc, 43Ca, 44Ca, 46Ca, 51V
V
Ti
2. Титан. Естественный титан содержит 5 стабильных изотопов: 46Ti (80%), 47Ti (7,3%), 48Ti (73,8%), 49Ti
(5,5%), 50Ti (5,4%).
В результате облучения естественного титана нейтронами термоядерного спектра образуются следующие
долгоживущие радиоактивные нуклиды:
39
Ar (269.0 лет), 42Ar (33.0 лет), 41Ca (1.03.105 лет).
Таблица 3.
Вклад изотопов титана в образование нуклидов39Ar, 42Ar и 41Ca
Нуклиды
46
47
Вклад изотопов титана, %
48
49
Ti
Ti
2,08
3,35×10-3
50
Ti
97,06
Ti
0,86
42
Ar
13,90
0,35
84,65
1,09
5,41×10-3
41
Ca
84,45
0,50
15,04
1,14×10-2
4,45×10-5
39
Ar
Ti
3,54×10-5
Перечень реакций и изотопов, приводящих к образованию нуклидов 39Ar, 42Ar и 41Ca
при активации титана
Реакция
Таблица 4.
Изотопы
n,2n
40
n,a
45
n,na
43
n,d
46
n,2p
43
n,t
47
42
43
44
48
47
49
Ar, Ca, Ca, Ca, Ca, Ti, Ti, 50Ti
Sc 42Ca, 43Ca 45Ca, 46Ca, 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti
Ca, 44Ca, 46Ca,
Ti
Ca, 46Ti
Ti
3. Хром. Естественный хром содержит 4 стабильных изотопа:50Cr (4,345), 52Cr (83,789), 53Cr (9,501), 54Cr
(2,365).
В результате облучения естественного хрома нейтронами термоядерного спектра образуются следующие
долгоживущие радиоактивные нуклиды: 39Ar (269.0 лет),42Ar (33.0 лет), 41Ca (1.03.105 лет), 53Mn (3,697.106 лет).
Таблица 5.
Вклад изотопов хрома в образование нуклидов 39Ar, 42Ar, 41Ca, 53Mn
Нуклиды
Cr
98,26
Вклад изотопов хрома, %
52
53
Cr
Cr
1,74
4,09 10-3
Cr
1,42 10-4
42
Ar
17,50
82,32
0,17
1,37 10-3
41
Ca
92,33
7,66
1,05 10-2
5,80 10-4
53
Mn
0,
3,57 10-3
1,75
98,24
50
39
Ar
54
Перечень реакций и изотопов, приводящих к образованию нуклидов 39Ar, 42Ar, 41Ca и
53
Mn при активации хрома
Реакция
Таблица 6.
Изотопы
n,2n
40
n,a
45
n,na
46
n,d
50
42
43
44
46
47
49
50
53
Ar, Ca, Ca, Ca, Ca, Ti, Ti, Ti, Cr
Sc,42Ca,45Ca,46Ca,46Ti,47Ti,48Ti,49Ti,50Ti,49V,51V,50Cr,52Cr,53Cr, 54Cr
Sc,43Ca,44Ca,46Ca,50Cr,52Cr,53Cr,54Cr
Cr
4. Железо. Естественное железо состоит из 4 стабильных изотопов:54Fe (5.8%),56Fe (91.72%),57Fe (2.2%),58Fe
(0.28%).
В результате облучения естественного железа нейтронами термоядерного спектра образуются следующие
долгоживущие радиоактивные нуклиды:
53
Mn (3.697.106 лет), 60Fe (2,998.105 лет), 60Со (5,268 лет), 59Ni (7,495.104 лет), 63Ni (100.03 года)
Вклад изотопов железа в образование долгоживущих радиоактивных нуклидов 53Mn,
60
Fe, 60Со, 59Ni, 63Ni
Нуклиды
53
Fe
99,93
Mn
60
Вклад изотопов железа, %
56
57
Fe
Fe
0,07
1,22 10-5
54
58
Fe
8,08 10-6
Fe
0,0
0,08
1,83
98,09
Co
0,0
0,05
1,44
98,50
60
59
Ni
0,0
0,02
0,87
99,11
63
Ni
0,0
0,01
0,71
99,28
Перечень реакций и изотопов, приводящих к образованию нуклидов 53Mn,60Fe, 60Co,
59
Ni, 63Ni при активации железа
Реакции
Изотопы
n,2n
54
n,a
58
n,p
60
n,d
54
n,t
57
55
56
57
59
60
Mn, Mn, Fe, Fe, Fe, Ni
Fe
Co
Fe,56Fe
Fe,59Fe
Таблица 7.
Таблица 8.
5.
Никель. Естественный никель содержит 5 стабильных изотопов:
58
Ni(68.27%).60Ni(26.10%).61Ni(1.13%).62Ni(3.59%).64Ni(0.91%)
В результате облучения естественного никеля нейтронами термоядерного спектра образуются следующие
долгоживущие радиоактивные нуклиды:
60
Сo(5,268 лет), 59Ni(7,495.104 лет),63Ni(100.03 года)
Таблица 9.
Вклад изотопов никеля в образование нуклидов 60Сo, 59Ni, 63Ni
Вклад изотопов никеля, %
Нуклиды
58
Ni
60
60
Ni
61
62
Ni
Ni
64
Ni
10,86
88,60
0,33
0,21
1,43 10-4
59
61,26
38,72
1,79 10-2
3,7 10-4
6,82 10-7
63
2,35 10-6
4,27 10-3
0,11
66,89
33,00
Co
Ni
Ni
Таблица 10.
Перечень реакций и изотопов, приводящих к нуклидов 60Co,59Ni,63Ni при активации никеля
Реакция
Изотопы
n,2n
60
n,a
62
n,na
63
n,p
58
n,d
58
Ni,61Ni,62Ni,64Ni
Ni,64Ni,63Cu
Ni
Ni
Ni,61Ni
Метод оценки функций возбуждения
Оценка функций возбуждения пороговых реакций проводилась на основе систематик, разработанных ранее в Центре ядерных данных, подробное описание которых дано в работе [2]. Ниже представлены основные
критерии отбора и оценки данных:
Рекомендованные Функции возбуждения были оценены на основе систематик, развитых в работах [2,3].
Ниже даны основные характеристики этих систематик, процедуры и критерии оценки рекомендованных кривых.
1.Формы функции возбуждения реакции (n,2n) подобны в области энергий падающих нейтронов от порога
реакции (n,2n) до порога реакции (n,3n). Для Qn2n< Qnnp максимальное (предельное) сечение реакции (n,2n) определяется соотношением:
(1)
stop = 65.4 A2/3 мб,
где, Qn2n , Qnnp энергии реакций (n,2n) и (n,np) ,соответственно, А- массовое число.
Для Qn2n > Qnnp максимальное сечение реакции (n,2n) определяется из соотношения
stop= sn,2n + sn,np
(2)
Сечение реакции (n,2n) в области энергий от порога до максимума рассчитывается на основе универсальной нормированной функции [2].
Сечение реакции (n,2n) выше максимума рассчитывается вычитанием реакции (n,3n) из максимального сечения реакции (n,2n). В свою очередь, сечение реакции (n,3n) от порога до максимума рассчитывается с помощью нормированной функции и максимального сечения, определяемого из систематики максимальных сечений
реакции (n,3n) в зависимости от А.
2. Формы функции возбуждения реакции (n,р) подобны для изотопов, имеющих одинаковые (N-Z). Максимальные сечения реакции (n,р) в координатах (lns - А) уменьшаются линейно в зависимости от А для изотопов данного элемента и увеличиваются линейно в зависимости от Z для изотопов с одинаковыми (N-Z).
3. Формы функций возбуждения реакции (n,a) подобны для изотопов, имеющих одинаковые (N-Z). Максимальные сечения реакции (n,р) в координатах (lns - А) уменьшаются линейно в зависимости от А для изотопов данного элемента и увеличиваются линейно в зависимости от Z для изотопов с одинаковыми (N-Z).
4. Положение максимумов реакции (n,р) пропорционально разнице порогов реакций (n,np) и (n,p).
5. Положение максимумов реакций (n,a) пропорциoнально разнице порогов реакций (n,n a) (n,a).
Полученные в данном отчете функции возбуждения пороговых реакций, приводящих к образованию долгоживущих радиоактивных нуклидов, представлены в Приложении в виде графиков (Рис. 1-50) в сравнении с
имеющимися экспериментальными данными и оцененными функциями возбуждения из других библиотек оцененных ядерных данных.
Список литературы
1.
2.
3.
R.A.Forrest, D.A.J.Endacott, Activation data for some elements relevant to fusion reactors, Report AERE-R13402, 1989.
Блохин А.И., Манохин В.Н., Насырова С.М., Изучение функций возбуждения пороговых нейтронных реакций методом подобия: Препринт ФЭИ-2620, 1997, Обнинск.
Манохин В.Н., Some criteria for selection of evaluated threshold reaction excitation functions. Report
INDC(CCP)-397, 1997, Vienna.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Графики Функций возбуждения пороговых реакций, приводящих к образованию долгоживущих радиоактивных нуклидов при облучении сталей, содержащих V, Ti, Cr, Fe и Ni, нейтронами термоядерного спектра
(Рис. 1-50).
Обозначения библиотек, используемых для сравнения с выполненными в настоящей статье оценками:
ADL-3 – Библиотека активационных данных (Россия)
BROND-2 – Библиотека рекомендованных оцененных нейтронных данных, версия 2 (Россия)
JENDL-3.2 – Японская библиотека оцененных ядерных данных, версия 3.2
ENDF-B6 – Библиотека оцененных ядерных данных, версия 6 (США)
JEF-2 – Объединенная европейская библиотека, версия 2 (Западная Европа)
Рис. 1. Сечение реакции 40Ar(n,2n)39Ar.
Рис. 2. Сечение реакции 42Ca(n,2n)41Ca.
Рис. 3. Сечение реакции 42Ca(n,a)39Ar.
Рис. 4. Сечение реакции 43Ca(n,2n)42Ca.
Рис.5.Сечениереакции43Ca(n,a)40Ar
Рис. 6. Сечение реакции 43Ca(n,na)39Ar.
Рис. 7. Сечение реакции 44Ca(n,2n)43Ca.
Рис. 8. Сечение реакции 44Ca(n,na)40Ar.
Рис. 9. Сечение реакции 45Ca(n,a)42Ar.
Рис. 10. Сечение реакции 46Ca(n,2n)43Ca.
Рис. 11. Сечение реакции 46Ca(n,a)43Ar.
Рис. 12. Сечение реакции 46Ca(n,na)42Ar.
Рис. 13. Сечение реакции 48Ca(n,2n)43Ca.
Рис. 14. Сечение реакции 45Sc(n,a)42K.
Рис. 15. Сечение реакции 46Sc(n,na)42K.
Рис. 16. Сечение реакции 46Ti(n,a)43Ca.
Рис.17. Сечение реакции 47Ti(n,2n)46Ti.
Рис. 18. Сечение реакции 47Ti(n,a)44Ca.
Рис. 19. Сечение реакции 48Ti(n,a)45Ca.
Рис. 20. Сечение реакции 49Ti(n,2n)48Ti.
Рис. 21. Сечение реакции 49Ti(n,a)46Ca.
Рис. 22. Сечение реакции 50Ti(n,2n)49Ti.
Рис. 23. Сечение реакции 50Ti(n,a)47Ca.
Рис. 24. Сечение реакции 49V(n,a)46Sc.
Рис. 25. Сечение реакции 50V(n,2n)49V.
Рис. 26. Сечение реакции 50V(n,a)47Sc.
Рис. 27. Сечение реакции 51V(n,a)48Sc.
Рис. 28. Сечение реакции 51V(n,na)47Sc.
Рис. 29. Сечение реакции 50Cr(n,a)47Ti.
Рис. 30. Сечение реакции 50Cr(n,na)46Ti.
Рис. 31. Сечение реакции 52Cr(n,a)49Ti.
Рис. 32. Сечение реакции 52Cr(n,na)48Ti.
Рис. 33. Сечение реакции 53Cr(n,a)50Ti.
Рис. 34. Сечение реакции 53Cr(n,na)49Ti.
Рис. 35. Сечение реакции 54Cr(n,a)51Ti.
Рис. 36. Сечение реакции 54Cr(n,na)50Ti.
Рис. 37. Сечение реакции 55Mn(n,2n)54Mn.
Рис. 38. Сечение реакции 56Fe(n,2n)55Fe.
Рис. 39. Сечение реакции 57Fe(n,2n)56Fe.
Рис. 40. Сечение реакции 58Fe(n,2n)57Fe.
Рис. 41. Сечение реакции 58Fe(n,a)55Cr.
Рис. 42. Сечение реакции 59Co(n,p)59Fe.
Рис. 43. Сечение реакции 58Ni(n,p)58Co.
Рис. 44. Сечение реакции 60Ni(n,2n)59Ni.
Рис. 45. Сечение реакции 61Ni(n,2n)60Ni.
Рис. 46. Сечение реакции 62Ni(n,2n)61Ni.
Рис. 47. Сечение реакции 62Ni(n,a)59Fe.
Рис. 48. Сечение реакции 63Ni(n,na)58Fe.
Рис. 49. Сечение реакции 64Ni(n,2n)63Ni.
Рис. 50. Сечение реакции 64Ni(n,a)61Fe.