从237Np(n,f)反应产生的中子能谱，其中反应能量E_n >= 3 MeV

《Annals of Nuclear Energy》：Prompt neutron spectrum from 237Np(n,f) reaction at 〈 E n 〉 =" 3 MeV

　　

摘要

使用平均能量为3 MeV的固定入射准单能中子，对²³⁷Np的快中子诱导裂变进行了瞬发裂变中子谱（PFNS）的测量。裂变事件通过含有²³⁷Np样品的双层电离室检测，而发射的中子则由有机液体闪烁体EJ-301探测器捕获。为了估算EJ-301的脉冲高度响应和效率，进行了GEANT4模拟。从测量的飞行时间（TOF）谱中估算了平均中子多重性和平均中子能量的PFNS特性。

引言

由于在先进核技术中的新兴应用，理解快中子诱导的核裂变（特别是在数百keV以上的能量范围内）变得越来越重要。第四代快中子反应堆概念和加速器驱动的亚临界系统需要准确的裂变数据，以用于超铀系元素的转化，包括²³⁷Np、²⁴¹Am和²⁴³Am等同位素。这些技术旨在解决核能可持续性、废物管理、经济可行性和防扩散目标等关键挑战（Abram和Ion, 2008; Locatelli等人, 2013; Kelly, 2014）。这些放射性废物的长半衰期和显著的放射性对核能的可持续发展产生了重大影响。特别是²³⁷Np，由于其较高的产额和2.144 × 10⁶年的长放射性半衰期，在乏核燃料的再处理中被视为关键的超铀系元素（Rovira等人, 2020; Qin等人, 2024）。在这些核的快中子诱导裂变中，裂变产物的平均总动能（TKE）和质量分布，以及及时发射的粒子（来自裂变产物）的平均特性（如平均多重性、平均能量、总能量）尤其值得关注。

全面了解瞬发粒子的性质，如平均瞬发伽马/中子能量、多重性及其分布，不仅在反应堆管理中起着关键作用（Rimpault等人, 2006; Peneliau等人, 2014; Capote等人, 2016），也为理解裂变机制提供了窗口（Bleuel等人, 2010; Wang等人, 2016; Wilson等人, 2021）。PFNS有助于探索裂变时刻碎片间总激发能量分配的复杂动态。最近关于²³⁷Np的研究广泛探讨了快中子诱导的裂变截面（Shcherbakov等人, 2002; Furman等人, 2005; Tovesson和Hill, 2007; Diakaki等人, 2016）、碎片产额（Tamashiro等人, 2024; Martin等人, 2021）以及TKE和质量分布（Pica等人, 2020; Connolly等人, 2022）。然而，中子和伽马可观测量的实验研究相对较少。唯一一篇将这些参数作为入射中子能量函数的参考文献是Thulliez等人的理论研究（2019），该研究使用了FIFRELIN裂变碎片退激代码来探讨碎片初始状态模型对裂变可观测量的影响。对²³⁷Np的实验研究尤其重要，因为快中子诱导的裂变会产生²³⁸Np这种奇-奇裂变系统。这样的测量补充了之前关于偶-奇（例如^235,239U）和偶-偶（例如²⁴⁰Pu, ^234,236U）裂变系统的研究（Connolly等人, 2022）。

鉴于²³⁷Np(n,f)的全面PFNS数据集仍然有限，我们使用平均入射中子能量约为3 MeV进行了²³⁷Np(n,f)反应的瞬发裂变中子谱的测量。在接下来的部分，我们将详细阐述所采用的实验程序和分析方法以及获得的结果，提供所开展工作的全面概述。

节片段

实验

实验在印度Mumbai的Folded Tandem Ion Accelerator (FOTIA)设施进行。5 MeV能量的质子束照射在厚度约为4.0 mg/cm²的天然锂金属箔靶上，通过⁷Li(p,n)⁷Be反应产生平均能量约为3 MeV的准单能中子。实验使用了以空气为工作介质的双层平行板裂变触发探测器，该探测器具有近4π的立体角，用于检测裂变事件。

分析与结果

计算了入射质子能量为5 MeV时的⁷Li(p,n)⁷Be反应产生的中子能量分布。图2显示了模拟的发射中子谱，这些中子照射在²³⁷Np靶上。对于2.37 MeV以上的质子能量，除了来自基态⁷Be的中子外，还会出现另一组由⁷Li(p,n)⁷Be^?（⁷Be的0.431 MeV激发）反应产生的中子，其能量较低。积分截面（Liskien和Paulsen, 1975）来自

总结

使用通过⁷Li(p,n)⁷Be反应产生的3 MeV准单能中子，测量了²³⁷Np(n,f)反应的瞬发裂变中子谱。中子由两个EJ-301液体闪烁体探测器与双层电离室裂变触发器同时检测到。通过ODR拟合，得到PFNS谱的最大麦克斯韦温度（T = 1.33 ± 0.13 MeV）。由此推导出平均中子能量为2.0 ± 0.2 MeV。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢FOTIA工作人员在实验期间的支持以及加速器的顺利运行，同时也感谢TIFR的Rohan Turbhekar先生为实验准备了锂箔。

G. Mishra|Sukanya De|G. Mohanto|Ajay Kumar|R. Tripathi|R.G. Thomas