Beta-decay total absorption spectroscopy measurements for reactor decay heat calculations

Abstract

En un reactor nuclear, un flujo controlado de neutrones induce la fisión de un núcleo produciendo núcleos de menor masa (productos de fisión) y nuevos neutrones. Aproximadamente el 8% del total de la energía generada durante el proceso de fisión está relacionado con las energías de desintegración gamma y beta emitidas durante la desintegración natural de los productos de fisión. Cuando un reactor nuclear es apagado, esta fuente de energía permanece y proporciona la mayor parte del calor residual producido. Dicho calor residual varía en función del tiempo de enfriamiento y puede ser determinado en teoría a partir de datos nucleares, mediante cálculos basados en la cantidad de núcleos creados durante el proceso de fisión y en sus propiedades de desintegración radiactiva. El cálculo del calor residual requiere bases de datos que contengan toda la información necesaria como secciones eficaces, vidas medias, tasas de fisión, las energías medias gamma y beta emitidas en la desintegración, etc. Sin embargo, muchos de los datos de desintegración usados en las bases de datos nucleares sufren de lo que se conoce como Efecto Pandemonio. Este efecto está relacionado con la dificultad experimental para construir un esquema de niveles basado en datos de alta resolución, debido a la baja eficiencia de los detectores de Ge. A causa de este problema, la probabilidad de transición beta a niveles a alta energía de excitación en el núcleo hijo es asignada erróneamente a niveles a baja excitación. Esto tiene consecuencias directas en los cálculos del calor residual puesto que se subestima la energía media gamma y se sobrestima la energía media beta emitidas en la desintegración. La única manera de evitar el efecto Pandemonio es aplicar la técnica de absorción total. Esta técnica se basa en la detección de toda la cascada de rayos gamma, emitida después de la desintegración beta en lugar de detectar los rayos gamma de manera individual como es común en la técnica de alta resolución. En esta tesis, la técnica de espectroscopía de absorción total (TAS) ha sido empleada en el estudio de las propiedades de desintegración beta de una serie de núcleos ricos en neutrones (102,104,105,106,107Tc, 105Mo y 101Nb) que han sido identificados como importantes contribuyentes al calor residual de los reactores nucleares. Es de particular interés que estas medidas se han realizado en la instalación IGISOL de la Universidad de Jyväskylä, donde por primera vez se utilizó la trampa de iones JYFLTrap como separador de masas de alta resolución combinada con una estación experimental TAS. Las energías medias gamma y beta obtenidas para los núcleos estudiados tienen un impacto considerable en la componente electromagnética del calor residual de la fisión del 239Pu. Una vez introducidos los resultados de nuestras medidas en las bases de datos, aproximadamente dos terceras partes de la discrepancia que existía en la descripción del calor residual en el rango de 300 a 3000 segundos son resueltas y también la descripción en el rango de 10 a 100 segundos mejora considerablemente para este combustible nuclear. En resumen, el uso de la técnica de espectroscopía de absorción total aplicado al estudio de la desintegración beta de núcleos ricos en neutrones interesantes desde el punto de vista del calor residual nos permite mejorar la información existente en las bases de datos y por tanto, mejorar la estimación del calor residual en reactores. Esto tiene impacto a nivel práctico tanto para fijar los protocolos de extracción y manipulación del combustible gastado de un reactor nuclear como para el diseño de futuros reactores más eficientes y seguros.