미국 에너지부 산하 로스앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 Chi-Nu 물리학 실험 결과는 원자력 안전 적용 강화, 임계 안전 이해, 고속 중성자 에너지 원자로 설계를 위한 이전에 볼 수 없었던 중요한 데이터를 제공합니다. 중성자 유발 핵분열에 의해 방출되는 중성자의 에너지 스펙트럼을 측정하는 수년간의 실험인 Chi-Nu 프로젝트는 최근 세 가지 주요 악티늄 원소인 우라늄-238, 우라늄-235 및 플루토늄-239에 대한 가장 상세하고 광범위한 불확도 분석을 완료했습니다.
Jaime Gomez(왼쪽)와 Keegan Kelly는 Chi-Nu 실험을 설정하여 탐지기의 거리를 보정하고 핵분열 계수 대상(가운데)을 위한 가스 파이프를 설치했습니다. 출처: 로스앨러모스 국립연구소
로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory)의 물리학자인 키건 켈리(Keegan Kelly)는 "핵분열과 관련 핵 연쇄 반응은 80여 년 전에 발견되었으며 실험자들은 여전히 주요 악티늄족의 핵분열 과정에 대한 완전한 그림을 제공하기 위해 노력하고 있습니다. 프로젝트 전반에 걸쳐 우리는 많은 경우 이전 실험에서 관찰되지 않았던 핵분열 과정의 뚜렷한 특징을 관찰했습니다."라고 말했습니다.
동위원소 우라늄-238에 대한 Los Alamos 팀의 최종 Chi-Nu 연구는 최근 Physical Review C 저널에 게재되었습니다. 이 실험은 우라늄-238의 순간 핵분열 중성자 스펙트럼, 즉 핵분열을 유도하는 중성자(핵에 부딪혀 핵을 쪼개는 것)의 에너지와 그에 따라 방출되는 중성자의 잠재적으로 넓은 에너지 분포(스펙트럼)를 측정했습니다. Chi-Nu 실험의 초점은 입사 중성자가 최대 수백만 전자 볼트의 에너지를 가지며 일반적으로 측정이 희박한 "빠른 중성자 유도" 핵분열입니다.
물리학자 키건 켈리(Keegan Kelly)는 Chi-Nu 실험을 위해 약 100mg의 관련 악티늄족 원소가 포함된 핵분열 계수 표적을 설치했습니다. 이 장치에는 다양한 에너지 범위의 중성자를 측정하기 위한 54개의 액체 섬광 중성자 탐지기와 22개의 리튬 유리 탐지기가 포함되어 있습니다. 출처: 로스앨러모스 국립연구소
핵분열 관련 작업을 위한 중요 데이터
우라늄-235 및 플루토늄-239에 대한 유사한 측정과 함께 Chi-Nu 실험의 결과는 이제 많은 경우 과도 핵분열 중성자 스펙트럼에 대한 현대적인 평가를 안내하는 실험 데이터의 주요 소스가 되었습니다. 이러한 데이터는 핵 모델, 몬테카를로 계산, 원자로 성능 계산 등의 기초를 제공합니다.
악티늄족과 그 가능한 연쇄 반응은 핵무기와 에너지 원자로에 중요합니다. (악티늄족 원소란 원자번호 89번부터 103번까지의 15개 원소를 말한다. 모두 방사성이다.) 핵이 분열하거나 분열할 때 여러 개의 중성자가 방출되는데, 이로 인해 인접한 핵의 분열이 일어나 연쇄반응이 일어날 수 있다. 연쇄 반응에서 후속 반응의 확률은 핵분열 중성자의 에너지에 따라 달라집니다.
LANSCE 실험 과정
LANSCE(Los Alamos Neutron Science Center)의 무기 중성자 연구 시설에서 수행된 Chi-Nu 실험은 다양한 에너지 범위를 테스트하는 정밀 장비를 사용합니다. LANSCE 양성자 빔은 텅스텐 타겟에 부딪히고 생성된 중성자는 비행 경로를 따라 Chi-Nu 장치를 향해 날아갑니다. 이들 중성자가 우라늄-238 동위원소에 부딪히면 핵분열 현상이 일어나 우라늄-238 핵이 쪼개지고 기록됩니다. 실험의 에너지 범위에 따라 핵분열 사건에 의해 방출된 중성자는 액체 신틸레이터 또는 리튬 유리 감지기 배열에서 측정되며, 둘 다 감지기 내에서 중성자가 유발하는 빛의 섬광을 기록합니다.
미래의 응용
연구자들은 계속해서 악티나이드 동위원소의 전체 그림을 개괄적으로 설명하고 있습니다. 핵 임계성 및 안전 프로그램의 지원을 받는 인접 작업에서 Chi-Nu 실험팀은 현재 플루토늄-240과 우라늄-233에 대한 데이터를 수집하고 분석하고 있습니다.
이제 실험과학실 측정 작업이 완료됨에 따라 팀은 핵분열 중성자 측정에서 얻은 기술과 방법을 다양한 다른 동위원소 측정에 적용하려고 합니다. 그들은 또한 중성자 산란 반응에 의해 방출되는 중성자를 측정하는 방향으로 움직이고 있습니다. 이러한 반응에서 중성자는 물질을 통과하면서 에너지를 축적합니다. 방출된 중성자와 감마선의 에너지 및 각도 스펙트럼을 측정하는 것과 함께 중성자 산란 단면적이라고 불리는 반응이 발생할 확률도 측정됩니다.