[論文レビュー] $^{235}$U(n, f) Independent Fission Product Yield and Isomeric Ratio Calculated with the Statistical Hauser-Feshbach Theory

Shin Okumura, Toshihiko Kawano+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Nuclear physics research studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、235U(n,f)裂変における独立した裂片生成物yield（YI(A)）および同素体比（IR）を計算する決定論的Hauser-Feshbachモデル、HF3Dを提案する。約1,000個の一次裂片に対して統計的崩壊理論を適用し、実験的中性子多重度および質量依存性に合わせてパラメータを調整することで、JENDL/FPY-2011データとYI(A)について良好な一致を達成した。一方、同素体比（IR）はMadland-Englandモデルと比較して低めに予測されたが、5 MeVまでの入射中性子エネルギーに対しては、IRがほとんどエネルギー依存性を示さないことが判明した。

ABSTRACT

We have developed a Hauser-Feshbach fission fragment decay model, HF$^3$D, which can be applied to the statistical decay of more than 500 primary fission fragment pairs (1,000 nuclides) produced by the neutron induced fission of $^{235}$U. The fission fragment yield $Y(A)$ and the total kinetic energy TKE are model inputs, and we estimate them from available experimental data for the $^{235}$U(n$ m_{th}$,f) system. The model parameters in the statistical decay calculation are adjusted to reproduce some fission observables, such as the neutron emission multiplicity $\overlineν$, its distribution $P(ν)$, and the mass dependence $\overlineν(A)$. The calculated fission product yield and isomeric ratio are compared with experimental data. We show that the calculated independent fission product yield $Y_I(A)$ at the thermal energy reproduces the experimental data well, while the calculated isomeric ratios tend to be lower than the Madland-England model prediction. The model is extended to higher incident neutron energies up to the second chance fission threshold. We demonstrate for the first time that most of the isomeric ratios stay constant, although the production of isomeric state itself changes as the incident energy increases.

研究の動機と目的

• モンテカルロ法の代替としての決定論的アプローチの開発により、希少な裂片生成物状態の効率的かつ包括的なサンプリングを可能にする。
• 現実的な初期裂片状態を組み込んだ統計的Hauser-Feshbach崩壊を用いることで、235U(n,f)における独立した裂片生成物yield（YI(Z,A)）および同素体比（IR）の精度を向上させること。
• 235U(n,f)における同素体比のエネルギー依存性を5 MeVまで評価し、現在の核データライブラリにおける空白を埋めること。
• 同時に累積yieldおよび質量チェーンyieldを予測可能な、裂片生成物崩壊と崩壊データライブラリを統合する一貫性のあるフレームワークを提供すること。

提案手法

• HF3Dモデルは、235U(n,f)からの約500個の一次裂片ペア（1,000個の核種）に対して統計的Hauser-Feshbach理論を適用し、モンテカルロサンプリングではなく決定論的サンプリングを用いる。
• 入力パラメータには、一次裂片質量分布（5つのガウス分布でモデル化）、全運動エネルギー（TKE）、および最も確実な電荷（Zp）モデルによる電荷分布が含まれる。
• 初期裂片励起エネルギー、スピン・パリティ分布、および非等温パラメータRTは、平均的プロンプト中性子多重度ν̄、その質量依存性ν̄(A)、および中性子放出多重度分布P(ν)の実験データを用いて調整される。
• モデルは、軽いおよび重い両方の裂片からの中性子蒸発を計算し、各核種が最終的な基底状態または準安定状態に至るまでの進化を追跡する。
• 同素体比は、基底状態と準安定状態のスピン差に基づき、RIPLデータベースからの原子核構造データを用いて計算される。
• モデルは、実験的傾向に基づくエネルギー依存性のあるTKEおよび裂片分布入力を用いて、入射中性子エネルギーを5 MeVまで拡張している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 決定論的Hauser-Feshbachアプローチは、モンテカルロサンプリングを用いずに、235U(n,f)における独立した裂片生成物yield（YI(A)）を正確に再現できるか？
• RQ2 HF3Dモデルが予測する同素体比（IR）は、広く用いられるMadland-Englandモデルおよび実験データとどのように比較されるか？
• RQ3 235U(n,f)における同素体比は、特に第二の再裂変閾値に達するまで、入射中性子エネルギーにどのように依存するか？
• RQ4 235U(n,f)における実験的ν̄、ν̄(A)、およびP(ν)を再現するためのスケール因子fおよび非等温パラメータRTの最適値は何か？
• RQ5 HF3Dモデルは、崩壊データライブラリと結合することで、独立および累積の両方の裂片生成物yieldを一貫して予測できるか？

主な発見

• 235U(n,th,f)の計算された独立した裂片生成物yield YI(A)は、JENDL/FPY-2011の評価済みデータと良好に一致しており、特に一次裂片からのプロンプト中性子放出に起因するA ≈ 93、96、134における二峰性ピークが顕著に再現された。
• モデルはMadland-Englandモデルと比較して、同素体比（IR）を低めに予測しており、標準的手法とは一貫した乖離を示しており、特に136Iのような核種では顕著な差が認められた。
• 100Yや138Csなどの特定の核種について、熱的から5 MeVまでの入射中性子エネルギー範囲で同素体比がほぼ一定であることが判明したが、基底状態と準安定状態の割合の変化にもかかわらず、その傾向は維持された。
• 非等温パラメータRTは、中性子多重度の質量依存性ν̄(A)に敏感であるのに対し、スピン分布におけるスケール因子fは主にP(ν)分布の形状に影響を与えることが分かった。
• モデルは、実験的平均的プロンプト中性子多重度ν̄およびその質量依存性ν̄(A)を良好に再現しており、初期裂片パラメータの調整が妥当であることが検証された。
• 本研究では、235U(n,f)における同素体比が一般に入射中性子エネルギーに依存しないため、核データライブラリにおいてエネルギー依存性のないIR値を用いることが妥当であると示唆された。