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 (blindagem de 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 10 20 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 (10 15 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 = 10 20 W/cm 2 )
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 (10 6 a 10 10 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)
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