Jak se zkoumají reakce neutronů v Uppsale

Vladimír Wagner

Spíše osobní povídání o tom, jak jsme měřili se studenty pravděpodobnosti reakcí neutronů v The Swedberg Laboratory (TSL) v Uppsale. A také o tom, jak je to s novou generací odborníků.

Vstup do laboratoře TSL Uppsalské university

Jak už jsem na Oslovi psal, je hlavním úkolem skupiny, kterou vedu, zkoumání možností, jak využít v budoucnu pokročilé jaderné technologie pro co nejefektivnější využití jaderného paliva a co největšího snížení radioaktivního odpadu produkovaného jadernou energetikou. Jedná se o problémy spojené s vývojem rychlých množivých reaktorů čtvrté generace a hlavně s případným využíváním urychlovačem řízených jaderných transmutorů. Připomenu, že v tomto případě je zdrojem neutronů pro štěpení terč z těžkého kovu ozařovaný protony či deuterony, které musí mít rychlosti blízké rychlosti světla. Tyto protony či deuterony pak tříští jádra v terči a během tříštivých reakcí vzniká velké množství neutronů. Ty pak mohou efektivně štěpit jádra uranu či transuranů v „reaktoru“, který obklopuje ozařovaný terč.

Jednou z hlavních vlastností, které odlišují rychlé reaktory od klasických, je to, že využívají nemoderované neutrony s mnohem vyššími kinetickými energiemi. V urychlovačem řízených transutorech se vyskytují neutrony s energiemi ještě vyššími. Pravděpodobnosti reakcí nízkoenergetických neutronů jsou poměrně velice dobře prostudovány a programy, popisující jejich transport, jsou velmi přesné.. Právě proto, že se využívají v klasických reaktorech, byly a jsou tyto reakce intenzivně studovány a programy využívané pro popis chování klasických reaktorů jsou již dlouho intenzivně ověřovány i při jejich provozování.

Jedním z nejdůležitějších nástrojů, který jsme používali, byl spektrometr záření gama.

Pro neutrony s vyššími energiemi je situace značně horší. Týká se to jak našich znalostí pravděpodobností reakcí těchto neutronů s různými jádry, tak přesnosti programů popisujících produkci a transport těchto neutronů. A právě tyto programy se využívají při projektování budoucích rychlých reaktorů či jaderných transmutorů. Zmiňované znalosti a programy potřebují nejen štěpné reaktory, ale i systémy využívající termojadernou fúzi. Tam při reakci tritia a deuteria vznikají také neutrony s relativně vysokými energiemi. Zdroje neutronů, založené na tříštivých reakcích protonů s těžkými jádry, se také začínají intenzivně využívat v biologickém i materiálovém výzkumu. Různé nové sestavy a systémy potřebují pro svou konstrukci i řadu nově a nestandardně využívaných materiálů, pro které nám chybějí údaje o reakcích neutronů s nimi.

Naše studie jednoduchých sestav testujících možnosti urychlovačem řízených transmutorů

To je důvod, proč se naše skupina v rámci mezinárodní spolupráce „Energie a transmutace“ zabývá studiem jednoduchých sestav, které jsou jistým předobrazem budoucích urychlovačem řízených transmutorů. Zkoumají se možnosti transmutace i štěpení různých radioaktivních jader pomocí takových zařízení. Jako zdroje protonů či deuteronů, které ozařují terče ve studované sestavě, využíváme urychlovače ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů v Dubně nedaleko (z ruského hlediska :-)) od Moskvy. Naše skupina se konkrétně zaměřuje na měření prostorového rozložení neutronů v sestavě. To je důležité, protože právě neutrony transmutují a štěpí radioaktivní jádra. K měření toku neutronů používáme aktivační detektory neutronů

Polovodičový detektor gama se musí udržovat na teplotě tekutého dusíku. Ten bylo třeba každé dva dny dolévat. Dolévání bylo dvoustupňové. Napřed z velké nádoby do menší a pak …

Ty jsou velmi jednoduché. Jedná se o malé vzorky z různých čistých materiálů. Jsou složeny z jednoho prvku a dokonce jsou vybírány tak, aby obsahovaly pouze jeden izotop tohoto prvku. Tyto vzorky se upevní do různých míst sestavy, ve kterých chceme zjistit tok neutronů. Při průchodu neutronů vzorkem bude část z nich v reakcích s jádry produkovat radioaktivní jádra. Po skončení ozařování se vzorky vyjmou a umístí se na detektor záření gama. Pomocí záření gama můžeme identifikovat vzniklá radioaktivní jádra a zjistit, kolik jich v reakcích neutronů s jádry vzniklo. Pokud známe pravděpodobnosti jednotlivých reakcí, můžeme tak určit, kolik neutronů vzorkem proletělo. Hmotnost každého vzorku je totiž přesně známa. Různé reakce potřebují také různé energie neutronů, aby mohly nastat. Použitím aktivačních detektorů z různých materiálů a měřením různých radioaktivních jader, vznikajících v různých reakcích, tak můžeme určit i jakou mají měřené neutrony kinetickou energii.

Výhodou využití aktivačních detektorů je, že jsou velmi malé a můžeme je umístit do libovolného místa sestavy. Právě díky nim lze získat podrobnou a detailní informaci o prostorovém rozložení neutronů. Získaná experimentální data se srovnávají s výsledky simulací, získaných pomocí programů popisujících produkci a transport neutronů. Zjišťuje se tak přesnost a spolehlivost těchto programů a navrhují cesty k jejich vylepšení a zpřesnění.

… z malé nádoby do zásobníku detektoru. Tekutý dusík je docela těžký, takže i s malou nádobou musel Ondra Jitce pomáhat.

Chybějící data o pravděpodobnostech reakcí neutronů

Při těchto svých studiích jsme narazili na jeden problém. Pro řadu reakcí, které se snažíme využívat pro detekci neutronů, nejsou známy pravděpodobnosti reakcí hlavně v oblasti vyšších energií, které jsou pro nás ty nejzajímavější. Řada těchto reakcí je zajímavá i pro konstrukci budoucích jaderných zařízení, protože námi požité chemické prvky se budou vyskytovat i v materiálech, které se při jejich budování využijí. Tyto údaje o reakcích neutronů s vyššími energiemi jsou tak vzácné, protože není jednoduché získat neutrony s přesně danou energií. Neutrony nemají náboj a nedají se tak urychlovat. V případě nabitých protonů je můžeme urychlit na přesně danou energii a získat tak svazek protonů s přesně danou jednou hodnotou energie. U neutronů nic takového nejde provést.

Pro získání neutronů s přesně danou energií lze využít reakci protonů urychlených na přesně definovanou energii například s jádry lithia. Ovšem konstrukce takového neutronového zdroje není jednoduchá a v Evropě jich moc není. Jedním z nich je i neutronový zdroj využívající cyklotron našeho ústavu. Ten jsme začali pro studium pro nás zajímavých reakcí využívat. Bohužel však může produkovat jen neutrony s maximální kinetickou energií zhruba 37 MeV. My však potřebujeme znát i pravděpodobnosti reakcí neutronů s vyššími energiemi. Proto jsme se rozhodli využít možnosti, která se nám naskytla díky evropské spolupráci.

Ještě poslední úpravy a úklid v okolí detektoru po dolévání …

Evropská spolupráce a možnost využití neutronového zdroje v Uppsale

V rámci projektů pro podporu evropské vědecké spolupráce a integrace začal před čtyřmi lety fungovat projekt EFNUDAT. Jeho hlavním úkolem je podpora mezinárodního přístupu k měření na velkých evropských zařízeních, která umožňují získávat data o reakcích neutronů s jádry pro potřeby základního a aplikovaného výzkumu (hlavně pro rozvoj budoucí jaderné energetiky a dalších jaderných aplikací). Jednou ze složek tohoto výzkumu je financování experimentů na zařízeních zařazených v projektu. Dvakrát za rok se vyhlašuje mezinárodní soutěž o podporu konkrétních experimentů na konkrétních zařízeních. Jedním ze zařízení projektu EFNUDAT je i neutronový zdroj, který využívá protonový urychlovač v laboratoři TSL v Uppsale. Je velmi podobného typu, jako neutronový zdroj v našem ústavu v Řeži, ale umožňuje získat neutrony s energiemi až do 200 MeV.

Před dvěma lety jsme se rozhodli této šance využít a podali jsme návrh na zkušební měření pro tři energie neutronů na tomto zařízení. Navrhli jsme proměřit kolekci materiálů, které používáme jako aktivační detektory. Navíc pak i proměření reakcí neutronů s jódem, jehož radioaktivní izotop je často zmiňovanou složkou radioaktivního odpadu z jaderných reaktorů. Chtěli jsme opět využít aktivační metodu. Do svazku neutronů ze zdroje jsme chtěli umístit vzorky s přesně známou hmotností a po ozáření změřit záření gama produkované vzniklými radioaktivními jádry. V tomto případě je známa energie a intenzita svazku neutronů, takže lze určit pravděpodobnosti reakcí. Náš návrh výběrovou komisi zaujal a byl schválen pro realizaci. A tak jsme se v roce 2008 mohli vydat se dvěma PhD studenty do Uppsaly a navržené experimenty realizovat. Zjistili jsme, že podmínky v Uppsale jsou velice dobré a místní fyzikové nám dokázali vytvořit perfektní zázemí. Zároveň se ukázalo, že opravdu lze místní zdroj neutronů využít pro získání dostatečně přesných dat. Jednu z energií měřených v Uppsale jsme vybrali v oblasti nižších energií tak, aby se překrývala s našimi měřeními v Řeži. Po zpracování se ukázalo, že v výsledky měření v Uppsale a v Řeži velmi dobře souhlasí. Na základě prezentace výsledků nám zahraniční kolegové doporučili proměřit pomocí neutronového zdroje v Uppsale pravděpodobnosti reakcí pro další sérii energií.

… a Jitka s Martinem mohou po dolití tekutého dusíku začít další měření.

Měření v Uppsale v tomto roce

To byl důvod, proč jsme se rozhodli podat v minulém roce nový návrh ke komisi projektu EFNUDAT. Ten se týkal měření pravděpodobností reakcí neutronů v našich materiálech pro další čtyři energie. I tentokrát se nám podařilo uspět. V letošním únoru jsme se tak opět vydali do Uppsaly. Ze „staré gardy“ jsme zbyli dva, já a Ondra. Mitja už totiž svoji PhD práci obhájil a pracuje teď ve výzkumném ústavu v Karlsruhe. Náhradou jsme však měli posilu dvou našich diplomantů – Jitky a Martina. Náš čas na urychlovači v Uppsale vyšel na druhou polovinu února. Pro konec února jsem však slíbil přednášku v Plzni a Bratislavě. Proto jsme se dohodli, že nejdříve do Uppsaly pojedu já s Ondrou a vše připravíme. Těsně před ozařováním přijedou diplomanti a před koncem ozařování přenechám velení Ondrovi.

V Uppsale nemůžeme využít naše spektrometry záření gama a musíme využít jejich detektor záření gama. Používají jej pouze pro jedinou specifickou polohu měřeného zdroje vůči detektoru. Naše ozářené vzorky však mají jen velmi nízkou aktivitu. Musíme je tak měřit v poloze mnohem blíže u detektoru. Proto se musel udělat nový systém pro upevnění vzorků a provést kalibrace účinnosti detektoru v námi využívaných polohách. V Uppsale bohužel také neměli vhodné kalibrační radioaktivní zdroje pro takovou kalibraci. Takže jsme si ověřili, že zaslání radioaktivních vzorků z jednoho místa v Evropě do druhého je sice možné, ale není to jednoduché. Protože, po měření před dvěma lety, byla naše sestava rozebrána a nyní znovu složena, bylo třeba ověřit, zda se kalibrace nezměnila. Transport našich radioaktivních kalibračních vzorků jsme si tak zopakovali. Ani tentokrát to nebylo úplně jednoduché. Jedna výhoda takové akce tu však je. Když se pak kalibrační vzorky vracejí zpátky domů do Řeže, dají se k nim přibalit i vzorky ozářené a měřené v Uppsale. Pomocí našich domácích detektorů měřením dlouhodobých radioaktivních jader tak ověříme, zda byl detektor v Uppsale v pořádku.

Protony, které v reakci s lithiem produkují neutrony, nám dodává urychlovač laboratoře TSL

Další věcí, kterou bylo potřeba před začátkem experimentu připravit, byl stojánek na vzorky, který se stavěl do svazku neutronů. Bylo třeba také připravit přesný plán jejich rychlého sesbírání po konci ozařování a přenesení z experimentální haly do místnosti s detektorem gama. Snažili jsme se měřit i radioaktivní jádra s dobou života v řádu několika minut, takže bylo potřeba transport provést co nejrychleji. Proti nám hrála vzdálenost obou míst a relativní komplikovanost systému zabezpečení přístupu do experimentální haly urychlovače. Ta sice zajišťuje úplnou bezpečnost všech, kteří zde něco dělají, ale zvyšuje náročnost procedur při vstupu do haly a při jejím opouštění. Po důkladném nacvičení se nám transport vzorků dařil provádět v řádu několika minut.

Hned po příjezdu jsme také připravili sestavu okolo detektoru. Námi měřené vzorky mají velmi malou aktivitu, proto je potřeba detektor co nejlépe odstínit od přirozeného radioaktivního pozadí. To vzniká díky kosmickému záření a pak také rozpadem radioaktivních jader, které nám zde zůstaly z doby tvorby naší Sluneční soustavy. Z těchto rozpadů pochází například známý radon. Nejlepší na odstínění záření gama je olovo. Detektor se tak zasunul do olověného cilindru a místo se vzorkem se obložilo ještě dalšími cihlami olova. Důležitou povinností, kterou jsme měli, bylo každé dva dny dolít zásobník chladícího systému detektoru tekutým dusíkem. Detektor byl malý a přenosný, proto měl zásobník malý objem. Doprovodné obrázky textu jsou ve většině případů právě z jednoho takového dolévání tekutého dusíku.

Jitka u ústí neutronového zdroje, odtud vyletují neutrony směrem k našim vzorkům (pochopitelně, že ne v době, kdy tam Jitka stojí :-))

I tentokrát jsme se mohli spolehnout na perfektní práci a podporu kolegů z Uppsaly. Jen díky nim pracoval během našich ozáření urychlovač bez chybičky a plně se povedla i další měření, která probíhala celý následující týden po ozařování (měřila se radioaktivní jádra se stále delší dobou života). Z předběžných výsledků zpracování se zdá, že i tentokrát budou měření v Uppsale úspěšná. Organizace transportu kalibračních vzorků zpět právě probíhá. Jak jsem už zmínil, budou se i tentokrát měřit ozářené vzorky také pomocí našich detektorů v Řeži.

V roce 2008 jsme byli v Uppsale v létě, tentokrát nás zde čekaly závěje sněhu a i přes den mrazy okolo mínus patnácti. I přesto se ve volném čase mohli studenti porozhlédnout nejen po Uppsale, ale i po blízkém Stockholmu. Stejně jako tehdy jsme byli ubytování u velmi sympatické rodiny starousedlíků, kteří ubytovávají pro Universitu v Uppsale už od poloviny minulého století. Paní nám povídala, kolik že u ní přespávalo nositelů Nobelových cen. Je také pravda, že snídaně servírovaná na historickém porcelánu není úplně běžným servisem.

Na zpracování získaných měření se bude podílet hlavně Jitka, která se právě takovým typem experimentů v Řeži a Uppsale zabývá ve své diplomové práci. Doufáme, že se rozhodné pokračovat v naší skupině jako PhD. Do zpracování plánujeme zapojit i zahraniční studenty, kteří u nás dělají letní praxi. Za patnáct let, co máme ve skupině každoročně nejméně jednoho na dvou až tříměsíční stáž, už máme zkušenost, že udělají kus práce a spolupráce s našimi studenty obohacuje obě strany.

Dovolil bych si teď studentům poděkovat za perfektní prácí v Uppsale a úspěšně provedené experimenty. Zároveň jim také letos popřát úspěšnou obhajobu PhD práce a diplomových prací.

Spolupracují s námi i středoškoláci

Při měření záření gama je třeba pro každý detektor provést řadu kalibrací a co nejpřesněji ocenit jeho vlastnosti, které ovlivňují přesnost měření. Uvedení co nejspolehlivějšího odhadu nepřesnosti naměřených dat je tou nejdůležitější nezbytností. Při měření se musí provádět korekce na to, že neměříme bodové zdroje záření, ale zdroje s konečnou tloušťkou a rozměrem. Měříme také v různých vzdálenostech od zdroje. Tyto korekce je možné spočítat pomocí programů, které dokáží chování detektoru popsat. Ovšem upřesnění některých vlastností konkrétního detektoru a ověření spolehlivosti simulací a nepřesnosti jejich předpovědí je třeba provést experimentálně. A na těchto studiích se v naší skupině podílejí i šikovní středoškoláci. Právě v tomto roce nám hodně pomohl jeden z Českých Budějovic, shodou okolností také Ondra. Pomocí kalibračních vzorků, získaných ozářením zlata v poli neutronů vznikajícím okolo cyklotronu a v reaktoru, proměřil a analyzoval vlastnosti jednoho z našich detektorů gama v Řeži. A právě toho, který slouží pro naše měření pravděpodobností reakcí neutronů. Tento čtvrtek večer mi psal, že právě úspěšně obhájil svoji práci v soutěži AVAMET a z regionálního kola, kde skončil jako druhý, postoupil do kola celostátního. Ale asi nejdůležitější je, že jeho práce je sice malým, ale důležitým, střípkem v naší práci a dobře nám poslouží i při analýze našich dalších měření.

Se vzorkem zlata ozářeným v poli neutronů okolo cyklotronu v Ústavu jaderné fyziky v Řeži šup do olověného kontejneru. Náš středoškolský student bude moci začít s měřením pro svůj projekt pro soutěž AVAMET.

Navíc lze na jeho příkladu dokumentovat, že stále existují nadšení a velice šikovní středoškoláci, kteří budou schopni vystudovat i opravdu náročnou vysokou školu. Naše experimenty v Uppsale spadly zrovna do doby, kdy Ondřej dokončoval zpracování svých měření a začal sepisovat výslednou zprávu. Přes internet přece jen nejsou konzultace tak efektivní jako při přímém kontaktu. Takže jsme hledali možnost, kdy a jak se sejít. Nakonec zbývala jediná možnost. Hned po návratu ze Švédska musel jet na přednášku do Plzně a zůstala tak jediná skulina. Schůzka v Praze na nádraží a konzultace při cestě vlakem do Plzně. Přednáška na Západočeské univerzitě byla naštěstí o urychlovači LHC a jeho „opětném spouštění“. Byla určená středoškolákům a budoucím středoškolským pedagogům. Takže něco, co by mohlo být zajímavé i pro Ondřeje. Když jsem mu takové setkání navrhoval, tak jsem mu zdůraznil, že je to plán totálně ustřelený. Spíše jsem předpokládal, že návrh odmítne. Zvláště, když musel putovat až z Českých Budějovic. Ale dopadlo to nakonec tak, že jsme se jeden čtvrtek po poledni setkali na hlavním nádraží v Praze. Dvě hodiny ve vlaku jsme rozebírali řešení diferenciální rovnice popisující rozpady jader a počítání s experimentálními chybami. Pak se svižným krokem přesunuli do posluchárny, kde si Ondřej poslechl tu moji přednášku. A po páté hodině jsme se rozloučili. On spěchal na vlak do Českých Budějovic a já na autobus do Bratislavy, abych tam dorazil do jedné hodiny v noci a aspoň se trochu na to povídání tam vyspal.

Vzdělávání, vědecký výzkum i energetika je běh na velmi dlouhou trať

Které z výsledků, na kterých v současné době pracujeme, budou podstatné pro rozvoj budoucích jaderně energetických systémů, je těžké říci. První reaktory IV. generace tu budou nejspíše až za desítku let. Reaktory založené na tekutých solích, na jejichž přípravě se svými simulacemi podílí Martin tu budou ještě mnohem později. Pokud se začnou používat urychlovačem řízené transmutory, tak nejspíše až v druhé polovině tohoto století. Ve vědě i v energetice je třeba uplatňovat dlouhodobou strategii. A stejné je to i ve vzdělávání.

Studenti, kteří průběžně dělali své diplomky či PhD práce v naší skupině dříve, jsou již dnes ve výzkumných ústavech či na universitách v USA, v laboratoři v CERN či jiných evropských zařízeních. Ti starší pomáhali mladším a zároveň se tím učili vychovávat a učit. Udržovali tak kontinuitu a připravovali podmínky pro své nástupce. Takže třeba Tonda, který připravil z největší části návrh prvních experimentů v Uppsale, už je s námi ani neprováděl, protože už končil s obhajobou a začal pracovat na jiných tématech. Teď je ve výzkumném ústavu v Belgii. Letos se bude obhajovat Ondra. Ten trochu koketuje s místem na jaderné elektrárně. Doufám, že ho ještě nějakou dobu udržím u nás. Alespoň, než se Jitka a Martin od něj vše potřebné naučí a kontinuita našeho zkoumání vlastností neutronových reakcí se zachová. Na druhé straně vím, že pokud budou na jaderných elektrárnách tak kvalitní a spolehlivý odborníci, jako je Ondra, bude to velice dobře.

Přednáším na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT už přes deset let a za tu dobu jsem na zkouškách i u státnic „trápil“ řadu studentů. Dnes je potkávám na různých jaderných zařízeních. Jsem rád, že jsou to dobří odborníci. Ale hlavně, že jsou také ochotni pomoci při vzdělávání svých mladších následovníků, kteří jsou na středních či vysokých školách. Tisk i internet jsou v současnosti zahlceny tím, jak jde vše k špatnému a jak úroveň žáků a studentů upadá. Chtěl jsem jen na jednom konkrétním příkladu ukázat, že nadšení a šikovní mladí lidé existují pořád. Kolegové by určitě uvedli řadu mnohem vhodnějších příkladů. Pokud však chceme, aby bylo dostatek našich následovníků, kteří třeba pomohou v budoucnosti i s řešením energetických problémů, musíme na tom pracovat sami. Nelze spoléhat na politiky. Právě naopak. Za současný pokles úrovně základního i středního školství a za to, že jen velice těžce bojujeme na fakultě o udržení nároků a kvality studia, mohou právě politici. A to, co předváděla současná ministryně školství při degradaci práce učitelů na všech stupních škol a při svém tažení proti vědě nejen v minulém roce, už nemá cenu ani komentovat.

Pokud si například energetické firmy stěžují, že mají rostoucí nedostatek kvalitních odborníků, musí se o řešení tohoto problému starat samostatně. Pokud bych jim měl doporučit, tak jim navrhnu, aby alespoň část peněz, které věnují na sponzorování sportu, věnovaly na sponzorování středních i základních škol a hlavně konkrétních učitelů. Těch, o kterých ví, že jsou nároční a dokáží žáky nadchnout pro svůj obor, i když mají vysoké požadavky na jejich práci. Takovým učitelům je třeba zajistit kvalitní vybavení učeben, přiměřený počet žáků pro kvalitní výuku a dostatečně stimulující finanční zázemí. Jen tak se docílí toho, že půjde dostatek studentů na náročné vysoké školy (kde se nestuduje pouze pro papír), tedy i k nám na fakultu. A druhá rada by byla, aby firmy podpořily vědu. A teď myslím opravdu vědu (tedy základní a aplikovaný výzkum) a doporučuji sponzorování s vizí a nadhledem. Jedině tak se vytvoří kvalitní a stimulující prostředí pro budoucí odborníky. Stav našeho školství by si zasloužil hlubší rozbor, ale to už je na jindy a pro jiné periodikum.

Pokud má někdo zájem prohlédnout si práce (diplomové, PhD) studentů, kteří pracovali na problémech popsaných v příspěvku, najde je zde. Práce zahraničních studentů na praxi v naší skupině pak zde. Shrnující článek o našich dosavadních výsledcích v rámci spolupráce „Energie a transmutace“ teď vyšel v časopise Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 615 (2010) 70-77.

V Řeži 24. 3. 2010

---