Oblast terče tříštivého zdroje neutronů SINQ (zdroj PSI)

Intenzivní zdroje neutronů jsou velmi užitečným nástrojem v materiálovém výzkumu i průmyslové praxi (hledání a příprava nových materiálů zvláště elektrotechnice) a mají řadu využití i ve výzkumu biologickém a medicínském. Jednou z možností jak produkovat toky neutronů s velmi vysokou hustotou i celkovou intenzitou jsou tříštivé reakce. Ty vznikají v interakci protonu urychleného na relativistickou energii (velikost jeho rychlosti se blíží k rychlosti světla a kinetická energie je srovnatelná s jeho klidovou energií) s jádrem. Proton s relativistickou energií se sráží s jednotlivými nukleony (protony a neutrony) v jádře a při těchto srážkách jim předává část své kinetické energie. Pokud je předaná energie vysoká, jsou nukleony z jádra vyraženy. Pokud je nižší, nukleony v jádře zůstanou a postupně se jejich energie v jádře rovnoměrně rozdělí. Dostaneme tak jádro s velkým přebytkem energie. Té se efektivně zbavuje pomocí „vypařování“ neutronů (protony jsou elektricky nabité a je pro ně problém překonat bariéru kterou vytváří celkový náboj jádra). Podobá se to intenzivnímu vypařování přehřáté kapky vody. V konečném důsledku v takových srážkách vzniká velké množství neutronů. Tříštivý zdroj neutronů se tak skládá z urychlovače protonů a tlustého terče z těžkých jader (aby měla co nejvíce nukleonů, které se při jeho tříštění a vypařování uvolňují).

 Hustota neutronů v reaktoru, který se velice často využívá jako jejich zdroj, je omezená tím, že je třeba udržovat řízenou řetězovou štěpnou reakci. Pokud by jejich hustota stoupla, zvýšil by se i počet štěpení a vzrostla by ještě více i hustota neutronů. To by vedlo k dalšímu vzrůstu počtu štěpení a k neřízené řetězová reakci, kterou známe z jaderné bomby. Hustota neutronů v reaktoru je tak velmi striktně dána. Chceme-li získat vyšší hustotu neutronů, musíme sáhnout po jiné možnosti – třeba po tříštivém zdroji neutronů.

Prstenec urychlovače protonů pro tříštivý neutronový zdroj SNS (zdroj ORNL).

Velmi často se ve výzkumu i v praxi využívají neutrony s velmi nízkou energií (tepelné, chladné, ultrachladné). V takovém případě je tříštivý terč obklopen tzv. moderátorem. To je látka, která je složena hlavně z lehkých jader, většinou tedy sloučenin s velkým zastoupením atomů vodíku. Neutron má totiž přibližně stejnou hmotnost jako proton a stejně jako v případě srážky stejných kulečníkových koulí umožňují zákonitosti kinematiky předat protonu maximální část kinetické energie neutronu. Moderátor tak neutrony velmi intenzivně zpomaluje. Připomenu jen, že na rozdíl od relativistických protonů a neutronů, nukleony s nižší energií neinteragují s jednotlivými nukleony v jádře, ale s jádrem jako celkem, a těžkému jádru mohou v pružné srážce předat mnohem menší část své energie než lehkému.

Stavba tříštivého zdroje SNS v laboratoři ORNL (zdroj ORNL)

Další možností budoucího využití tříštivých zdrojů neutronů by mohly být i tzv. urychlovačem řízené transmutační systémy. Taková zařízení by v budoucnu mohla umožnit přeměnu nebezpečných radioizotopů ve vyhořelém palivu z klasických jaderných reaktorů a radikálně by zefektivnila využití štěpitelného materiálu (stejně jako rychlé reaktory by umožnila využití izotopů ²³⁸U a ²³²Th, kterých je v přírodě o několik řádů větší množství než izotopu ²³⁵U používaného v klasických jaderných reaktorech). Reakce s neutrony a následné rozpady jader mohou přeměňovat jeden izotop na jiný. Můžeme tak záchytem neutronu přeměnit nebezpečný dlouhodobě radioaktivní izotop v jaderném odpadu na krátkodobý nebo stabilní. Lze také přeměnit těžce štěpitelné jádro na jádro štěpitelné lehce a záchytem neutronu ho i rozštěpit a získat energii. Proto, aby takové procesy probíhaly efektivně, je však potřeba hustota neutronů zhruba o dva řády vyšší než je v jaderných reaktorech. Urychlovačem řízený transmutor by se skládal z urychlovače protonů a tříštivého terče umístěného v zařízení podobném jadernému reaktoru. Protony dopadající na tříštívý terč by produkovaly velmi intenzivní pole neutronů, které by transmutovalo a štěpilo radioaktivní materiál v reaktoru. Štěpením by se produkovala energie, která by se klasickým způsobem využívala k výrobě elektrické energie. Ta by se využila částečně k pohonu urychlovače a její  většina by se posílala do sítě.  

Rtuťový terč neutronového zdroje SNS v laboratoři ORNL (zdroj ORNL).

Problémem při přípravě tříštivého terče je odvod vyprodukovaného tepla. Na produkci neutronů totiž připadá  jen část energie protonu. Proton je nabitá částice a při průchodu materiálem terče interaguje elektrickou silou s atomovým obalem a vyráží z něj elektrony – ionizuje jej. Energie předaná terči v podobě těchto ionizačních ztrát i část energie předané jádru protonem v tříštivé reakci se v konečném důsledku přemění na teplo a terč ohřeje. Většina současných tříštivých zdrojů neutronů je složena z materiálu v pevné fázi. Často se využívá například wolfram, tantal nebo olovo. Pro budování velmi intenzivních zdrojů neutronů, kdy je velmi intenzivní i svazek protonů, který na terč dopadá, však takové řešení nevyhovuje. Nelze totiž dostatečně efektivně odvádět vznikající teplo a zabránit roztavení, poškození či úplnému zničení terče. Účinnější odvod umožňují terče kapalné, ve kterých cirkuluje roztavený materiál, který je tak ozařován jen určitou dobu a pak putuje do tepelného výměníku, kde se tepla efektivně zbaví.  Jako terčový materiál lze použít například rtuť, která je kapalná už za pokojové teploty nebo olovo, jehož teplota tání je zhruba 328oC. Například jeden z největších neutronových zdrojů SNS (Spallation Neutron Source), který pracuje v laboratoři v Oak Ridge (ORNL) v USA, využívá terč ze rtuti.

Původní pevný terč neutronového zdroje SINQ je z olova v pevné fázi chlazeného vodou (zdroj PSI).

V minulém roce velmi úspěšně proběhla v Ústavu Paula Scherrera (PSI) ve švýcarském Villigenu ozařovací fáze projektu MEGAPIE (Megawatt Pilot Experiment) zaměřený na vývoj velmi  intenzivního kapalného tříštivého terče. V tomto ústavu je totiž jeden z největších tříštivých zdrojů v Evropě – SINQ (Swiss Spallation Source), který využívá velmi výkonný urychlovač. Ten urychluje protony na kinetickou energii 575 MeV (to je více než polovina klidové energie protonu spojené s jeho hmotností známým Einsteinovým vztahem) a celkový výkon protonového svazku může být až 1 MW. Doposud se zde používaly pouze pevné olověné terče. MEGAPIE měl demonstrovat možnost využití terče kapalného. Jeho náplň bylo 920 kg kapalného dvojsložkového eutektika (roztoku), které obsahovalo olovo a bismut a bylo uzavřeno v ocelovém pouzdru.  Díky konvekci kapalina terče cirkulovala přes tepelný výměníku, kde se ochlazovala. Tím se velmi efektivně odvádělo teplo z terčové oblasti. Protony s danou energií se v terči dostanou do hloubky zhruba 27 cm, než se vlivem ionizačních ztrát zastaví. Velká část z nich však stihne za tu dobu interagovat tříštivou reakcí s jádry olova nebo bismutu. Na jeden proton se vyprodukuje zhruba jedenáct neutronů. Celkově tak terč produkoval řádově 10¹⁷ neutronů za sekundu. Bylo to o 80% více než je možné s pomocí pevných olověných terčů a toto zvýšení bylo dvojnásobné oproti tomu, co se původně očekávalo. Pozdější detailnější výpočty umožnily toto zvýšení v simulacích reprodukovat. Zdroj fungoval plánovanou dobu čtyř měsíců přesně podle předpokladů a zajišťoval dodávku neutronů pro materiálové zkoumání pomoci neutronového rozptylu. Bylo tak postupně obsluhováno okolo 260 experimentů v standardním režimu práce SINQ zdroje neutronů. Byla uskutečněna řada plánovaných vypnutí a opětných naběhnutí zdroje. Neplánovaných přerušení práce zdroje byl jen velmi malý počet. Během činnosti nedošlo k vážnějším problémům nebo poškození terče. Na základě těchto pozitivních zkušeností byla trvalá záměna pevného terče u SINQ zdroje neutronů za kapalný označena za hlavní budoucí prioritu.

Nádrž z moderátorem (využívá se těžká voda), který umožňuje pomocí SINQ zdroje získat tepelné neutrony (zdroj PSI)

Ozařovací fáze projektu MEGAPIE skončila na konci minulého roku. Konečná a nejdůležitější fáze experimentu však teprve nastává. Je třeba prozkoumat vlastnosti a stav jednotlivých součástí terče, případná poškození, korozi i další změny fyzikálních i chemických vlastností. Nejdůležitější je asi z tohoto hlediska zkoumání stavu okénka, kterým do terče vstupoval svazek protonu. To je nejvíce namáhaná část a tedy kritická pro životnost terče.  Terč se ztuhlou náplní je však po ozařování silně radioaktivní a i studium této radioaktivity a  produkovaných radioizotopů je velmi důležité. Zároveň je třeba terč dva roky skladovat než radioaktivita poklesne natolik, aby bylo umožněno jeho intenzivní fyzikální a chemické testování. Očekávané výsledky by měly být klíčové pro stavbu nových intenzivních zdrojů neutronů pro výzkum a průmyslové aplikace a měly by umožnit postavit první prototypy jaderných transmutorů.

Instalace kapalného terče MEGAPIE o délce 5m (zdroj PSI)

Bez zajímavosti není, že se na realizaci projektu MEGAPIE účastní prostřednictvím firmy Škoda JS i český průmysl. Tomuto podniku se podařilo získat zakázku na výrobu speciálního kontejneru na bezpečnou přepravu ozářeného terče, který je silně radioaktivní, z laboratoře PSI do meziskladu Zwilag určeného pro ukládání jaderných materiálů. Kontejner bude mít  40 tun, průměr 1,1 metru, délku téměř šest metrů. Je složen z kovaného ocelového tělesa, vnitřní vestavby, primárního a sekundárního víka. Dodán by měl být začátkem roku 2008.

Plnění terče MEGAPIE eutektikem složeným z olova a bismutu (zdroj PSI)

Úplně nakonec bych se ještě zmínil o dalším možném využití popsaných terčů. Ty mohou být nejen zdrojem neutronů, ale také radioaktivních jader, které lze následně urychlovat v dalším urychlovači. Získané svazky různých radioaktivních jader jsou důležitým nástrojem pro studium astrofyzikálních reakcí. Neméně významná je i produkce velmi intenzivních svazků neutrin, těch téměř nepolapitelných obyvatelů světa elementárních částic, a to všech jejich třech typů. Intenzivní neutrinové zdroje umožňují studovat nejen vlastnosti samotných neutrin (jejich oscilace – přeměnu jednoho typu na jiný). V budoucnu by se pomocí nich mohla studovat struktura zemského nitra a třeba dojde i k praktičtějším aplikacím těchto částic. Ale o tom až někdy jindy.

 
Stránky autora: http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/