DE4410587C1 - Verfahren zur Bestimmung der Transmutationsquerschnitte von Aktiniden für die Transmutation langlebiger Aktiniden durch Spallation - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestim­ mung der Transmutationsquerschnitte (Wirkungsquerschnitte für die Zerstörung) von Aktiniden für die Transmutation langlebi­ ger Aktiniden durch Spallation zur nuklearen Entsorgung.

Die Zerstörung langlebiger radioaktiver Elemente, wie z. B. verschiedener Curium-, Americium- oder Plutonium-Isotope durch Transmutation u. a. in Beschleunigern, wird seit langem z. B. in der DE-OS 41 23 145 vorgeschlagen, da die Transmutation die einzige Methode zur nuklearen Entsorgung langlebiger Akti­ nide ist. In Frage kommen dafür Spallation oder Kernspaltung. Dabei werden bei Beschuß mit relativistischen leichten Teilchenstrahlen, wie Protonen und α-Teilchen, die schweren Kerne der Aktiniden in kurzlebigere Fragmente aufgebrochen. Die Zahl der entstehenden radioaktiven Isotope übersteigt da­ bei die Zahl von 1500, wobei ihre Erzeugungsquerschnitte im wesentlichen unbekannt sind und vor Inbetriebnahme von nuklea­ ren Transmutationsanlagen bestimmt werden müssen. Ein Transmu­ tationsverfahren, auf welches vorstehendes zutrifft, ist unter Verwendung eines Beschleunigers z. B. auch aus der US-PS 5 160 696 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun, ein Verfahren zur Messung dieser Transmutationsquerschnitte anzugeben. Zur Lö­ sung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfah­ ren vor, wie es in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 angegeben ist. Besonders vorteilhafte Merk­ male des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Merkmalen der Unteransprüche 2 und 3 zu sehen.

Weitere Einzelheiten des neuen Verfahrens werden im folgenden näher erläutert:

Wie bereits erwähnt, dient das Verfahren zur Bestimmung der Transmutationsquerschnitte, d. h. der Wirkungsquerschnitte für die Zerstörung von Aktiniden durch Transmutation zur nuklearen Entsorgung. Dabei ist vor allem an die Transmutation durch Spallation oder Kernspaltung von langlebigen Aktiniden wie den sog. "minor actinides (MA)" gedacht. Diese werden u. a. von ²³⁷Np, ²³⁸Np, ²⁴¹Am, ²⁴³Am sowie den Curiumisotopen ²⁴²Cm und ²⁴⁴Cm gebildet, da diese neben den Spaltprodukten im wesentli­ chen die Radiotoxizität von bestrahltem Kernbrennstoff nach der Entladung aus einem Reaktor bilden.

Der Grundgedanke des Verfahrens besteht darin, daß die Aktinidenkerne beschleunigt und durch Kollision in inverser Ki­ nematik mit leichten Kernen transmutiert, die entstehenden Fragmente durch Messung von magnetischer Steifigkeit, Flugzeit und Energieverlust getrennt und ihre Transmutationsquer­ schnitte über die Einzelteilchenzählung bestimmt werden kön­ nen. Dabei wird als Prototyp eines Aktinidenkernes das Isotop ²³⁸U oder ²³²Th gewählt, dessen Kerne auf eine Energie um 1 GeV/u beschleunigt werden, wobei u "unit" oder "atomic mass unit", d. h. pro Einheit bedeutet und unter dem Begriff "Proto­ typ für die Aktiniden" die Tatsache zu verstehen ist, daß bei der Messung stellvertretend für alle nur die Isotope ²³⁸U oder ²³²Th als Aktiniden verwendet werden.

Anschließend werden die Aktiniden dann zur Kollision mit z. B. den leichten Kernen ¹²C, ⁹Be, ²H oder ¹H gebracht. Dabei hat sich bei der experimentellen Untersuchung der Kernspaltung mit einem Schwerionenbeschleuniger die breite Anwen­ dungsmöglichkeit vor allem des inversen Systemes ²³⁸U, ⁹Be ge­ zeigt. Das Neue und die besonderen Vorteile bestehen in einer Trennung der einzelnen Isotope, der relativistischen Fokussie­ rung, dem schmalen magnetischen Steifigkeitsband sowie einer einfachen absoluten Eichung.

Bei der Messung nach dem neuen Verfahren haben die Fragmente im Laborsystem Geschwindigkeiten, die der ursprünglichen Strahlgeschwindigkeit nahezu entsprechen. Dies erlaubt eine eindeutige Bestimmung ihrer Ordnungszahl und Masse in Zeiten von einigen hundert Nanosekunden. Zur Messung der Ordnungszahl werden Ionisationskammern, zur Messung der Masse Sortierung im Magnetfeld kombiniert mit Flugzeitmethoden eingesetzt.

Die Relativistik (v=0,8c) führt zu einer Fokussierung der Fragmente in Vorwärtsrichtung. Das Raumwinkelelement im relativistischen Bezugsystem schrumpft um einen Faktor (β_F/β_o)², wobei β_F und β_o die auf die Lichtgeschwindigkeit be­ zogenen Geschwindigkeiten der Fragmente im ruhenden System, bzw. die Geschwindigkeit des Projektiles sind. Dies führt zu einer Effizienz im Nachweis von Produkten aus der Spaltung des Aktinids von rund 4% oder von etwa 40% aus seiner Spalla­ tion.

Die magnetische Steifigkeit der Reaktionsprodukte, B_p≈A/Z_*v, variiert in inverser Kinematik nur wenig, da alle Reaktions­ produkte Z-fach geladen sind, damit A/Z nur in kleiner Band­ breite variiert und die Geschwindigkeiten sich nur wenig von der Projektilgeschwindigkeit unterscheiden. Alle Reaktionspro­ dukte liegen dabei in einem Fenster von 30% um die Steifigkeit des Projektilstrahles.

Die Registrierung von zeitlich getrennten, einzelnen Reaktionsereignissen mit anschließender Isotopenidentifikation erlaubt die Messung einer Vielzahl von Transmutationsquer­ schnitten in einer Einstellung des Magnetsystemes. Die Abso­ luteichung der Querschnitte erfolgt über eine Strommessung des einfallenden ²³⁸U-Strahls, der Tagetdicke und der Nachweis­ wahrscheinlichkeiten des Magnet- und Detektorsystems.

Claims (3)

1. Verfahren zur Bestimmung der Transmutationsquerschnitte (Wirkungsquerschnitte für die Zerstörung) von Aktiniden für die Transmutation langlebiger Aktiniden durch Spallation zur nuklearen Entsorgung, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Kerne der Aktiniden beschleunigt und in inverser Kinematik durch Kollision mit leichten Kernen transmutiert, die entstehenden Fragmente durch Messung von magnetischer Steifigkeit, Flugzeit und Energieverlust getrennt und über die Einzelteilchenzählung die Transmutationsquerschnitte bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prototyp stellvertretend für alle Aktiniden lediglich die Isotope ²³⁸U oder ²³²Th gewählt werden, deren Kerne auf eine Energie um 1 GeV/unit beschleunigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leichten Kerne ¹²C, ⁹Be, ²H oder ¹H sind.