Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

18
1 Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010 Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache Direction pour l’Energie Nucléaire / Département d’Etudes des Réacteurs / Service de Physique des Réacteurs et du Cycle / Laboratoire d’Etudes Physiques Prompt neutron emission from Monte Carlo simulation

description

Prompt neutron emission from Monte Carlo simulation. Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache Direction pour l’Energie Nucléaire / Département d’Etudes des Réacteurs / Service de Physique des Réacteurs et du Cycle / Laboratoire d’Etudes Physiques. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

Page 1: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

1Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Olivier SEROT

Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

Direction pour l’Energie Nucléaire / Département d’Etudes des Réacteurs /

Service de Physique des Réacteurs et du Cycle / Laboratoire d’Etudes Physiques

Prompt neutron emission from Monte Carlo simulation

Page 2: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

2Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Prompt neutron emission from Monte Carlo simulation

Introduction

Initial input data needed

Calculation procedure

Preliminary results

Olivier LITAIZE + Olivier SEROT / CEA-Cadarache / DENCollaborations

252Cf(SF)

Page 3: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

3Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Context

• Prompt neutron and prompt gamma spectra and their multiplicities are very important data for nuclear applications

• The evaluation files (JEFF,…) are not satisfactory (lack of data, same data for various fissioning nuclei…)

Our aim is to develop a Monte Carlo code able to simulate statistical decay of the fission fragments:• Look at the physical quantities which can be assessed: (A,TKE), P(), E(A), N(,A)….

• Test models related to the emission process

Introduction

Page 4: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

4Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

S. Lemaire et al., [Phys. Rev. C, 72(2), 024601 (2005)];

hypothesis H1: RT=TL/TH=1: doesn’t work hypothesis H2: partitioning the excitation energy between the two fragments from experimenatl data: <>(A), <>(A) and <E>(A): less predictive

• P. Talou et al., [CNR 2009]RT values for each fission mode

Randrup and Vogt, [Phys. Rev. C80, 044611, 2009 + Phys. Rev. C80, 024601, (2009)]

Similar codes already exist:

Introduction

Page 5: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

5Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

80 100 120 140 160 180

2345678

[M

eV]

Pre-Neutron Mass, amu

40

60

80

100

KE

[M

eV]

80 100 120 140 160 1800

1

2

3

4

5

6

7

Yie

lds

[%]

Thèse N. Varapai, Université Bordeaux 2006

Ionisation chamber

NE213

Y(A,KE,Z)=Y(A) × Y(<KE>, KE) × Y(Z)

Initial input data / 252Cf(SF)

Allow to sample the mass, charge and KE of the fission

frament

Mass and KE distributions from Varapai’s thesis

work

Page 6: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

6Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Allow to sample the mass, charge and KE of the fission

frament

Mass and KE distributions from Varapai’s thesis

work

Nuclear charge distribution

Most probable charge taken from Walh evaluation: ZP

Charge dispersion:z assumed independent of the mass

/c)Z(Z 2pe

1Y(Z)

1/12)2(σc 2Z

Y(A,KE,Z)=Y(A) × Y(<KE>, KE) × Y(Z)

From Wahl, Phys. Rev. 126 (1962) 1112

Initial input data / 252Cf(SF)

Page 7: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

7Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Sampling of the light fragment: AL , ZL , KEL

Total Kinetic Energy

Total energy

Total Excitation Energy

HL KEKETKE

*H

*L EETKEQTXE

)Z,B(A)Z,B(A)Z,B(AQ CNCNHHLL

1 Then, the mass and charge of the heavy fragment are deduced:AH=252-AL

ZH=98-ZL

Its kinetic energy (KEH) is sampled on the experimental kinetic energy distribution AH , ZH , KEH

2

3 The Total Excitation Energy (TXE) available at scission can be deduced:

Calculation procedure

Page 8: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

8Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

** EU

W

a

a Level density parameterAsymptotic level density parameterEffective excitation energyShell corrections (Myers-Swiatecki, …)

*γU

*e1

U

δW1 aa

Ignatyuk’s model

4 Partitioning of the excitation energy between the two fragments

Calculation procedure

At scission: TXE=Eint+EdefThe main part of the deformation energy is assumed to be converted into intrinsic excitation energy (Ohsawa, INDS 251(1991)):

2HL,HL,

HL,def2

HL,0HL,HL,exc

Ta

ETaE

n

n

n

~10-20s~10-17s

~10-14s

scission

fully acc. FFNeutronemission

gammaemission

Page 9: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

9Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Weisskopf spectrum

Z)1,a(A

SZ)(A,E)EZ,1,T(A n

**

2ε/T

2e

T

εφ(ε)

where T is the temperature of the residual nucleus:

5 Neutron evaporation

Energy limit for the neutron emission:

rotnn* ES(J)SE

J2

1)J(J EE

2

Yrastrot

0.31β1 MR5

2 2rigid J

22Fluide βMR

9J

)/B1/2)((J 22

1)e(2JP(J)

: Myers-Swiatecki

Spin distributions

Inertia momentum• Appoximation of the rotational energy• Erot allows to simulate competition neutron-gamma

(Vandenbosch – Huizenga)B= 8 forl LF B=9 for HF

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2

4

6

8

10

12

Yie

ld (

arbi

trar

y un

it)

Spin

Distribution initial spins Light Heavy

JES(J)SE rotnnlim

Calculation procedure

Page 10: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

10Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Modèle RTLH E*lim inertie <>L <>H <>tot <E*>L <E*>H

A 1.00 Sn - 1.82 2.44 4.26 15.79 18.11

B 1.25 Sn - 2.28 1.93 4.21 19.64 14.23

Vorobyev et al. (2004) 2.05 1.70 3.76 - -

80 100 120 140 160 1800

1

2

3

4

5

Pro

mp

t n

eutr

on

mu

ltip

licit

y

Mass

Model A Budtz_Jorgensen

With model A: saw-tooth not reproduced and more neutrons from heavy fragment

With model B: ratio L:H in better agreement with experiment

Preliminary results

Page 11: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

11Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Modèle RTLH E*lim inertie <>L <>H <>tot <E*>L <E*>H

C 1.25 Sn+EYrast Jrigid 2.16 1.85 4.01 19.65 14.24

D 1.25 Sn+EYrast Jfluid 1.06 0.46 1.52 19.66 14.24

E 1.25 Sn+EYrast 0.4 Jrigid 1.98 1.71 3.69 19.64 14.22

Vorobyev et al. (2004) 2.05 1.70 3.76 - -

Strong impact of the rotational energy:

With rigid model: overestimation of the total neutron multilplicity With fluid model: completely wrong! Intermediate: satisfactory

Preliminary results

Page 12: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

12Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Preliminary results

Modèle RTLH E*lim inertie <>L <>H <>tot <E*>L <E*>H

F RT(A)=0.0116A Sn+EYrast 0.4 Jrigid 2.08 1.70 3.78 19.66 14.28

G RT(A) Sn+EYrast 0.4 Jrigid 2.06 1.70 3.76 19.89 14.27

Vorobyev et al. (2004) 2.05 1.70 3.76 - -

120A si 13.60.10A

120A si 1.830.029A )(AR

LL

LLLT

Model G:

RT=TL/TH

LLT 0.0116A)(AR

Model F (test)

Page 13: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

13Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Preliminary results

(A,TKE) (model G)

80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

140

160

180

200

220

240

140

160

180

200

220

240 Qmax TKE

Mass Number

TK

E [

Me

V]

0.10000.50000.90001.3001.7002.1002.5002.9003.3003.7004.1004.5004.9005.3005.7006.100

Page 14: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

14Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

80 100 120 140 160 1800

1

2

3

4

P

rmo

pt

ne

utr

on

mu

ltip

lic

ity

Mass

Model G Budtz

Preliminary results

(A) (model G)

Reasonable agreement

except in the [155-170] mass

region

Page 15: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

15Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Preliminary results

(TKE) (model G)

140 150 160 170 180 190 200 210 2200

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Pro

mp

t n

eu

tro

n m

ult

iplic

ity

TKE [MeV]

-light -Heavy -Total

Contributions of the light and heavy fragment needed to

understand the (TKE) behaviour

Reasonable agreement except in the very high

TKE energy

Page 16: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

16Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

(A) (modèle G)

80 100 120 140 160 1800.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

ModelG Budtz

Mass

Me

an

Ne

utr

on

En

erg

y [

Me

V]

Preliminary results

Page 17: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

17Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Preliminary results

P () model G

Léger Lourd Total

Modèle G: Vorobiev:

Reasonable agreement

Modèle RTLH E*lim inertie <>L <>H <>tot <E*>L <E*>H

G RT(A) Sn+EYrast 0.4 Jrigid 2.06 1.70 3.76 19.89 14.27

Vorobyev et al. (2004) 2.05 1.70 3.76 - -

Page 18: Olivier SEROT Commissariat à l’Energie Atomique – Centre de Cadarache

18Workshop Espace de Structure Nucléaire Théorique / 12-16 April, 2010

Energy spectrum in the lab. (modèle G)

<E> = 2.13 MeV (Budtz)<E> = 2.20 MeV (modèle G)

Maxwellienne (T=1.42 MeV):Modèle G:

Preliminary results