Desafios na metrologia de nêutrons
Evaldo Simões da Fonseca
Congresso Brasileiro de Metrologia das Radiações Ionizantes
CBMRI 2016
Visão geral sobre os futuros desafios
• International Tokamak Experimental Reactor –ITER
• International Fusion Material Irradiation Facility – IFMIF
• Fontes de nêutrons baseadas em laser
• Radioterapia com nêutrons e ions (blindagemde aceleradores de alta energia)
• Padrões de seções de choque para nêutrons
International Tokamak Experimental Reactor – ITER
ITER (caminho em latim)
www.iter.org
Raio ~ 6 m
1020 n/s
Lançado em 1985
5 países membros 30 colaboradores
Fator de amplificação Q > 10
Entrada 50 MW saída 500 MW
O QUE É FUSÃO?
Fusão é a fonte de energia do Sol e das estrelas. No tremendo calor e gravidade no núcleo desses corpos estelares, núcleos de hidrogênio colidem, fundindo-se em
átomos mais pesados de hélio e liberando enormes quantidades de energia nesse processo.
Os estudos sobre fusão no século XX identificaram que a reação de fusão mais eficiente no ambiente de laboratório é entre os dois isótopos de hidrogénio,
deutério (D) e trítio (T). A reação de fusão DT produz o maior ganho de energia para as "mais baixas" temperaturas.
Três condições devem existir para obter a fusão em um laboratório: temperatura muito elevada (da ordem de 150 milhões ° Celsius); suficiente densidade de
partículas de plasma (para aumentar a probabilidade de que as colisões ocorram); e tempo de confinamento suficiente (para manter o plasma, que tem uma propensão
para se expandir, dentro de um volume definido).
A temperaturas extremas, os elétrons são separados dos núcleos e esse gás denominado plasma, muitas vezes é chamado de quarto estado da matéria. Plasmas
de fusão proporcionam o ambiente em que os elementos leves podem fundir-se e produzir energia.
Num dispositivo Tokamak, campos magnéticos fortes são usados para limitar e controlar o plasma.
Diagrama de 1 bobina de contenção
Bobina de contenção
Instrumentação para o ITER
• Contadores e espectrômetros
• Câmaras de fissão para nêutrons
• Cintiladores para raios gama e nêutrons
• Diamantes naturais e CVD (chemical vapor deposition)
Desafios da metrologia de nêutrons nas experiências de fusão
• Desenvolvimento e caracterização de monitores e espectrômetros para fluxos de nêutrons intensos (monitores da emissão, espectrômetros (ativos e passivos))
• Otimização da espectrometria com folhas de ativação (avaliação das sessões de choque e covariâncias)
• Produção e caracterização de conjuntos de referência com múltiplas folhas
International Fusion Material Irradiation Facility – IFMIF
Instalação para teste de materiais candidatos a serem usados em reatores de fusão
Japão, União Europeia, USA, and Russia, and IAEA (Gerenciamento)
http://www.ifmif.org/
Desafios da metrologia de nêutrons nas experiências de fusão
• Calibração de detectores e espectrômetros até 60 MeV (monitores da emissão, espectrômetros (ativos e passivos))
• Medições de (n,xNn) – seções de choque de ativação da reação
• Produção e caracterização de conjuntos de referência com múltiplas folhas (para espectrômetros com múltiplas folhas de ativação até 60 MeV)
Fontes de radiação baseadas em laser
• Ions e fontes de nêutrons baseados em laser (dd- e dt-fusion, (gama,n), (p,n), ...)
• ATLAS, PQ Garching, D VULCAN, Rutherford Lab, UK POLARIS, U Jena, e muitos outros
Science and Technology Facilities Council - STFC
http://www.clf.stfc.ac.uk/CLF/12248.aspx
Vulcan é uma instalação com laser (Petawats (1015 Watts) disponível para o UK e para a comunidade internacional
de pesquisadores.
Produção de prótons rápidos a partir da irradiação com laser com de um
alvo de Al (10 um)
Os prótons interagem com um alvo de Cu e Pb (1 mm)
(W = 1020 W/cm2)
Desafios da metrologia de nêutrons nas experiências baseadas em laser
Condições das medições de nêutrons nas fontes de radiação baseadas em laser
• Pulsos muito curtos (sub ns a sub ps)
• Frequência de repetição baixa (10 Hz a 1/100 Hz)
• Aumento da produção de nêutrons com a energia do laser (106 a 1010 n/pulso)
• Radiação de fundo gama alta, pequenas distâncias
Detectores rápidos para múltiplos eventos, espectrometria de tempo
de voo
Monitoração e espectrometria com sistemas de detectores passivos (folhas de ativação,
TLD, ...)
Desafios futuros
• Radioterapia com nêutrons de alta energia (< 60 MeV)
• Radioterapia com prótons e íons pesados
• Problemas de blindagem em aceleradores de alta energia
Desafios da metrologia de nêutrons em aceleradores de alta energia
• Desenvolvimento, caracterização e calibração para energias desde térmicos até 200 Mev(monitores de emissão, espectrômetro – ativo e passivo, dosímetros individuais e de área)
• Instrumentos de referencia para calibração de dosímetros para (n+gama)-dose absorvida no tecido (calorímetro de água, TEPC vs TE-IC + Mg-IC)
Desafios da metrologia de nêutrons nos campos de calibração (ISO 8529)
Espectro de fluência dos campos térmicos
Nêutrons monoenergéticos de 144 keV < En < 19 MeV (feixes filtrados de reatores (Bi, U, Sc, Fe, Si))
Para as fontes radioisotópicas a caracterização do espectro de fluência (necessidade de espectrometria)
Obrigado !