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 !