Exakta fissionsutbyten för framtida nukleära energisystem

Ali Al-Adili
Ali al-Adili. Foto: Camilla Thulin.

Vetenskapsrådet fattade den 31 oktober 2019 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom ny kärnteknik. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 5 600 000 SEK för perioden 2019-2022 för ett projektbidrag och ett etableringsbidrag.

Projektbeskrivning

Projekttitel: Exakta fissionsutbyten för framtida nukleära energisystem
Huvudsökande: Ali Al-Adili, avdelningen för tillämpad kärnfysik
Beviljade medel: 3 200 000 SEK för perioden 2019-2022
Finansiär: Etableringsbidrag inom ny kärnteknik från Vetenskapsrådet

Kärnklyvning upptäcktes för drygt 75 år sedan. Alltsedan dess har man bombarderat tunga atomkärnor med neutroner. När en kärna klyvs så alstras enorma mängder energi som människan har lärt sig att tämja och utnyttja för energiproduktion. Efter att en neutron absorberas i kärnan, så deformeras den sistnämnda till den grad att den starka kärnkraften inte förmår att hålla ihop kärnan. De två fragment som bildas är väldigt neutronrika och emitterar snabbt neutroner för att nå en högre stabilitet. Överskottsenergi frigörs därefter genom gamma-emission samt beta-sönderfall.

Fissionsforskningen är fortfarande långt ifrån avklarad. Än har man svårt att beskriva hela fördelningen av de isotoper som bildas i fission, deras energier och vinklar samt excitationsfördelningar. Hur klyvs kärnor vid höga excitationsenergier samt vid närvaro av resonanser? Hur varierar antalet partiklar som emitteras och deras energier? En fulländad teoretisk fissionsmodell som upprätthålls med stöd av experimentell evidens lyser med sin frånvaro!

Innovativa reaktorlösningar behöver nya kärndata för förbättrad operation och säkerhet. Fyra av sex generation-IV-koncept bygger på ett snabbt neutronspektrum, där de inducerande neutronerna har en hög energi. Fission med snabba neutroner är mycket viktig att förstå för en rad olika aktinider. Kärndata behövs på: tvärsnitt (sannolikheter för reaktioner), fissionsutbyten, neutronemission och γ-emission. Främst behöver man förbättra och testa de avancerade modellerna som används vid beräkning av reaktoregenskaper. Dessutom används kärndata med dess viktiga osäkerhetsanalys, vid evalueringar som producerar databibliotek för en rad olika applikationer. Ur ett kärnfysikaliskt perspektiv är fissionsprocessen ett fundamentalt ”laboratorium”. Man har möjlighet att verifiera komplicerade teoretiska modeller; studera hur kärnor hålls ihop av de grundläggande fysikaliska krafterna, kartlägga diverse exciterade tillstånd, samt delvis förklara existensen av en mängd exotiska kärnor i universum.

Huvudmålet för detta projektet är att studera fissionsutbytet för en rad olika kärnor (olika isotoper av U, Pu och Th), genom att utnyttja en lovande teknik vid namn ”2E-2v”. Tekniken är världsledande och går ut på att mäta både hastigheter och energier för de två fissionsfragment som bildas i fission. Man kan bestämma deras massor med bra noggrannhet, bättre än mycket av det data som finns tillgängligt. Dessutom studeras hur fissionsutbytet och neutronemissionen från fragmenten påverkas när excitationsenergin ökar. Hur excitationsenergin fördelas och hur detta påverkar neutronemissionen är ett olöst problem som har skapat kontroverser bland fissionsteoretiker på senare tid. Korrelationsexperiment på olika observabler utgör det fulländade testet för många fissionskoder då de bär mycket mer information än mätningar med enstaka observabler.

Utfallet av våra experiment kommer att ha stort inflytande på de rådande fissionsmodelleringarna och vår förståelse av fission. Dessutom kommer kärndata att ha direkt användning vid beräkningar på reaktordriften, reaktorförgiftning, energieffektivisering samt slutförvar, genom att ingå i viktiga evalueringsdata. Utöver länken till Gen-IV, så kan grundläggande kärnfysikaliska frågeställningar utnyttja våra data för nukleosyntesen inom astrofysiken samt grundläggande kärnstrukturfysik.