[논문 리뷰] Evaluation of the total photoabsorption cross sections for actinides from photofission data and model calculations

I. Pshenichnov, B. L. Berman외 6명|CERN Bulletin|2003. 03. 27.

Nuclear Materials and Properties인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 광분열 데이터와 RELDIS 몬테카를로 모델을 사용하여 작용우라늄의 총 광흡수 단면적을 평가한다. 이 모델은 캐스케이드, 증발, 분열을 통해 광핵반응을 시뮬레이션한다. 연구 결과, 기립 에너지에서 분열은 광흡수의 55–95%만 차지하며, 특히 $^{232}$Th와 $^{238}$U와 같은 무거운 핵에서 분열 이외의 채널 기여가 크기 때문에 '일반 곡선' 개념이 도전받는다.

ABSTRACT

We have calculated the fission probabilities for 237-Np, 233,235,238-U, 232-Th, and nat-Pb following the absorption of photons with energies from 68 MeV to 3.77 GeV using the RELDIS Monte-Carlo code. This code implements the cascade-evaporation-fission model of intermediate-energy photonuclear reactions. It includes multiparticle production in photoreactions on intranuclear nucleons, pre-equilibrium emission, and the statistical decay of excited residual nuclei via competition of evaporation, fission, and multifragmentation processes. The calculations show that in the GeV energy region the fission process is not solely responsible for the entire total photoabsorption cross section, even for the actinides: ~55-70% for 232-Th, \~70-80% for 238-U, and ~80-95% for 233-U, 235-U, and 237-Np. This is because certain residual nuclei that are created by deep photospallation at GeV photon energies have relatively low fission probabilities. Using the recent experimental data on photofission cross sections for 237-Np and 233,235,238-U from the Saskatchewan and Jefferson Laboratories and our calculated fission probabilities, we infer the total photoabsorption cross sections for these four nuclei. The resulting cross sections per nucleon agree in shape and in magnitude with each other. However, disagreement in magnitude with total-photoabsorption cross-section data from previous measurements for nuclei from C to Pb calls into question the concept of a ``Universal Curve'' for the photoabsorption cross section per nucleon for all nuclei.

연구 동기 및 목표

• 실험적 광분열 데이터와 이론적 모델링을 사용하여 작용우라늄의 총 광흡수 단면적을 결정하기 위해.
• 모든 핵에 걸쳐 단위 뉴클론당 광흡수 단면적에 대한 '일반 곡선' 개념의 타당성을 평가하기 위해.
• 고에너지 광핵반응에서 비분열 붕괴 채널의 역할을 조사하기 위해.
• 기립 영역에서 무거운 핵에 대한 분열 확률 계산의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 향후 무거운 작용우라늄에서 총 광흡수 단면적의 직접 측정을 위한 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• RELDIS 몬테카를로 코드는 중간 에너지 광핵반응을 모델링하며, 핵내 캐스케이드, 평형 이전 방출, 증발, 분열, 다중편열분열을 포함한다.
• $^{237}$Np, $^{233,235,238}$U, $^{232}$Th, 및 $^{\text{nat}}$Pb에 대해 입사 광자 에너지(68 MeV에서 3.77 GeV)에 따른 분열 확률을 계산한다.
• SAL 및 JLab의 측정된 광분열 단면적과 계산된 분열 확률을 조합하여 총 광흡수 단면적을 유추한다.
• 모델은 다중입자 생성과 자극된 잔류핵에서 분열과 증발 간의 경쟁을 고려한다.
• 민감도 테스트는 합리적인 매개변수 변화 범위 내에서 분열 확률이 10% 이내로 안정적임을 확인한다.
• 총 광흡수 단면적을 단위 뉴클론당로 유도하기 위해 측정된 $\sigma_{\text{fission}}$와 계산된 $W_f$를 사용하여 $\sigma_{\gamma A}/A = \sigma_{\text{fission}}/W_f$를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기립 광자 에너지에서 작용우라늄의 총 광흡수에 분열이 어느 정도 기여하는가?
• RQ2 68 MeV에서 3.77 GeV의 에너지 범위에서 계산된 분열 확률은 실험적 광분열 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 기타 무거운 작용우라늄($^{237}$Np 및 $^{235}$U)에 대해 광흡수 단면적을 단위 뉴클론당로 하는 '일반 곡선' 개념은 타당한가?
• RQ4 고에너지 광핵반응에서 비분열 붕괴 채널(예: 증발)이 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 분열이 주요 붕괴 방식이 아닐 경우, 광분열 데이터로 총 광흡수 단면적을 신뢰성 있게 유추할 수 있는가?

주요 결과

• $^{233}$U, $^{235}$U, $^{237}$Np의 분열 확률은 기립 에너지에서 80–95%이며, $^{238}$U는 70–80%, $^{232}$Th는 55–70%이다.
• 1 GeV 이상의 광자 에너지에서는 분열 확률이 1에 수렴하지 않고, 오히려 저분열성 잔류핵 형성으로 인해 약간 감소한다.
• 기립 에너지에서의 깊은 광스파라션 반응으로 생성된 잔류핵은 낮은 $Z^2/A$ 값을 가지며, 증발보다 분열을 선호하지 않아 분열 확률이 감소한다.
• 4 GeV에서도 분열과 증발 간의 경쟁이 유의미하게 유지되어, 광분열 단면적만으로는 총 광흡수를 대체할 수 없음을 입증한다.
• 작용우라늄의 단위 뉴클론당 유도된 광흡수 단면적은 $^{237}$Np와 $^{233,235,238}$U 간 약 10% 이내로 일치하지만, $\Delta_{33}(1232)$ 공진해역에서는 '일반 곡선'보다 약 20% 높다.
• 분열 확률에 약 10%의 불확도와 광분열 데이터에 약 5%의 불확도가 존재함에도 불구하고, 일반 곡선과의 격리가 실험 오차로는 완전히 설명되지 않으며, 이는 무거운 핵에 대해 개념 자체의 근본적 붕괴를 시사한다.