Badanie przemiany beta produktów rozszczepienia z wykorzystaniem spektrometru pełnej absorpcji

Prezentowana praca przedstawia wyniki badań przemiany beta ośmiu produktów rozszczepienia, tj. 86 Br, 89,90 Kr, 89,90gs,90m,92 Rb i 139 Xe, z wykorzystaniem Modularnego Spektrometru Pełnej Absorpcji (MTAS). Detektory pełnej absorpcji dzięki dużej wydajności na detekcję promieniowania γ stanowią unikalne narzędzie do badania rozpadów β, a dokładnie rozkładu prawdopodobieństw zasilenia poziomów wzbudzonych w jądrze córki. Znajomość schematu rozpadu została wykorzystana do określenia średniej energii promieniowania γ i β a także rozkładu antyneutrin emitowanych w rozpadzie. Te zaś stanowią podstawę do obliczenia ciepła powyłączniowego, czyli energii emitowanej z produktów rozszczepienia oraz całkowitego strumienia antyneutrin reaktorowych, w tym także spodziewanej liczby oddziaływań antyneutrin z materią. Opisane badania wykonano w Holifield Radioactive Ion Beam Facility (HRIBF) w Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Wykorzystano protonową wiązkę o energii 40 MeV, która zderzając się z tarczą z 238 UCx , indukowała rozszczepienie. Produkty rozszczepienia były selekcjonowane z użyciem separatora masowego OLTF, implantowane na taśmę, a następnie wprowadzane do środka detektora MTAS, gdzie mierzono ich rozpady. Ważnym elementem pracy było opracowanie metody analizy danych, obejmujące stworzenie modelu detektora MTAS z wykorzystaniem pakietu Geant4, w celu znalezienia jego funkcji odpowiedzi na promieniowanie γ i β oraz zaimplementowanie algorytmu dopasowującego zasilenia przejść β do danych eksperymentalnych. Dla większości zmierzonych nuklidów uwzględnienie danych z detektora MTAS spowodowało wzrost zasilenia wysoko leżących poziomów, a w konsekwencji zwiększenie średniej energii promieniowania γ w rozpadzie i zmniejszenie energii cząstek β i antyneutrin. Zmiana energii antyneutrin doprowadziła do redukcji przewidywanej liczby oddziaływań tych cząstek z materią. Uzyskane wyniki zostały wykorzystane do określenia rozkładu ciepła powyłączeniowego towarzyszącego rozszczepieniu 235 U i 239 Pu, nieznacznie poprawiając zgodność elektromagnetycznego komponentu z punktami eksperymentalnymi, wyrażoną w funkcji chi kw., z 211 do 167 dla 235 U oraz z 152 do 146 dla 239 Pu. Ponadto potwierdzono oczekiwaną tendencję wzrostu elektromagnetycznego komponentu ciepła powyłączeniowego po uwzględnieniu wyników pomiarów techniką pełnej absorpcji. Obliczenia całkowitej liczby oddziaływań antyneutrin reaktorowych z materią przyniosły jej spadek w stosunku do wyników obliczeń bazujących na dotychczasowych schematach rozpadów o: 1,5%; 0,7%; 0,9%; 0,6% odpowiednio dla rozszczepienia: 235 U, 238 U, 239 Pu i 241 Pu.

The dissertation presents the results of the β decay measurement of eight fission products, ie. 86 Br, 89,90 Kr, 89,90gs,90m,92 Rb and 139 Xe using the Modular Total Absorption Spectrometer (MTAS). Thanks to its high efficiency for the detection of γ-radiation, total absorption spectroscopy is an ideal technique to establish the true β-decay feeding. The knowledge of the decay scheme is then used to determine the average γ and β energy as well as the distribution of antineutrino energy released in the decay. The average γ and β energies are an important observable for the calculation of the decay heat released from fission products. The antineutrino energy spectrum is used to calculate the total antineutrino flux emitted by reactor cores and the number of reactor antineutrino interactions with the detector matter. The experiment was performed at the Holifeld Radioactive Ion Beam Facility (HRIBF) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). The 40 MeV proton beam impinged on a 238 UC x target placed inside the plasma ion source. Fission products were mass selected by means of magnetic separation and implanted into a moving tape that transported the radioactive samples into the center of MTAS where they were measured, and then moved them away. An important part of this work was the development of the methodology for the analysis of data from the MTAS spectrometer. A Monte Carlo simulation code was developed by means of the Geant4 toolkit to reproduce the response function of the MTAS detector and the experimental spectrum reconstruction algorithm was implemented. For most of the measured nuclides, the average electromagnetic energy from experimental MTAS data was obtained and found to be larger than the value deduced from the ENSDF database, while the average β and antineutrino energies were decreased. This led to a reduction of the number of antineutrino interactions with the matter. The results were used to determine of the decay heat release from fission products of 235U and 239Pu. The improvement between the experimental points and the calculated curve for the electromagnetic component of the decay heat was achieved. The least-squares estimator changed from 211 to 167 for 235 U and from 152 to 146 for 239 Pu. In addition, the expected growth of the electromagnetic component of the decay heat after taking intoaccount the results of the total absorption spectroscopy measurement was proved. When compared with the current ENSDF data, the calculated total number of reactor antineutrino interactions with the matter was reduced by 1.5%, 0.7%, 0.9%, 0.6% for the fission of 235 U, 238 U, 239 Pu and 241 Pu respectively.