[논문 리뷰] Voluminous D2 source for intense cold neutron beam production at the ESS

E. B. Klinkby, K. E. Batkov외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 23.

Nuclear Physics and Applications참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유럽 스파라션 소스(ESS)의 타겟 아래에 부피가 큰 액체 D₂ 중성자 둔화재를 도입하여 기본 물리 실험을 위한 강력한 냉중성자 비례를 제공하는 것을 제안한다. MCNPX 시뮬레이션을 통해, 관통형 비례관 내에 25 cm × 25 cm × 20.6 cm 크기의 D₂ 중성자 둔화재가 최적의 위치에 놓일 경우, 기본으로 사용되는 파라수소 중성자 둔화재 대비 3~4배 높은 중성자 비례 강도(A×B)를 제공함을 입증하였으며, 주로 산산화 중성자 둔화재의 밝기에는 최소한의 영향을 미친다.

ABSTRACT

The development of the flat moderator concept at ESS recently opened up the possibility that a single flat moderator above the target could serve all the scattering instruments, that rely on high brightness. This would allow for the introduction of a fundamentally different moderator below the target for the complementary needs of certain fundamental physics experiments. To facilitate experiments depending on the total number of neutrons in a sizable beam, the option of a voluminous D2 moderator, in a large cross-section extraction guide is discussed and its neutronic performance is assessed.

연구 동기 및 목표

• ESS 타겟 아래에 대용적 D₂ 중성자 둔화재를 도입하여 기본 물리 실험을 위한 냉중성자 비례 강도를 향상시키는 실현 가능성 탐색.
• 이러한 중성자 둔화재가 중성자 산산화 기구에 사용되는 주요 평판형 파라수소 중성자 둔화재의 성능에 미치는 영향 평가.
• 다양한 반사판 및 사전 둔화재 구성 조건을 가진 관통형 비례관 내 D₂ 중성자 둔화재의 중성자 이동 및 밝기 성능 평가.
• 기존 산산화 비례선에 영향을 최소화하면서 비례 실험을 위한 중성자 수확량을 극대화할 수 있도록 D₂ 중성자 둔화재의 기하학적 형상과 재질 최적화.
• D₂ 중성자 둔화재가 비례 강도에 의존하는 실험에서 기준 TDR 파라수소 중성자 둔화재 대비 총 중성자 유량 측면에서 뚜렷한 우월성을 보일 수 있는지 확인.

제안 방법

• 25 cm × 25 cm × 20.6 cm 크기의 직육면체 액체 D₂ 중성자 둔화재(19 K, 1/3 파라디테륨, 2/3 올리고디테륨)를 ESS 타겟 휠 아래의 관통형 비례관에 모델링.
• 중성자 둔화재는 3 mm 두께의 알루미늄으로 둘러싸여 있으며, 중성자 추출면을 제외한 모든 면에 대해 두께가 가변적인 물 pre-moderator(1–4 cm)로 둘러싸여 있음.
• 중성자 이동을 모의하기 위해 MCNPX를 사용하며, 기준 설계에서 강철 대신 납 반사판(130 cm 직경)을 사용하여 중성자 재순환 및 밝기를 향상시킴.
• 세 가지 시나리오를 시뮬레이션: 기준(중성자 둔화재 없음), 케이스 1a(D₂ 중성자 둔화재를 비례관 상단에 위치), 케이스 1b(D₂ 중성자 둔화재를 10 cm 아래로 이동).
• 5 m 거리에서 F5 탈루를 통해 밝기 평가하며, 0–5 meV 범위의 유량을 통합하여 비교를 위한 A×B(비례면적 × 밝기) 계산.
• 12 cm × 12 cm 추출 개구부를 사용하여 D₂ 중성자 둔화재의 성능을 ESS 기술설계보고서(TDR)의 파라수소 중성자 둔화재와 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ESS 타겟 아래에 배치된 대용적 D₂ 중성자 둔화재가 기본 물리 실험을 위한 냉중성자 비례 강도를 뚜렷이 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 D₂ 중성자 둔화재가 중성자 산산화 기구에 사용되는 주요 파라수소 중성자 둔화재의 밝기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 D₂ 중성자 둔화재의 위치(케이스 1a 대비 1b)가 상부 파라수소 중성자 둔화재의 밝기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 강철 대신 납 반사판을 사용할 경우 D₂ 중성자 둔화재 및 상부 중성자 둔화재 성능 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 D₂ 중성자 둔화재의 A×B 제품(비례면적 × 밝기)이 기준 TDR 파라수소 중성자 둔화재를 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 케이스 1a(비례관 상단에 D₂ 중성자 둔화재 위치)에서 D₂ 중성자 둔화재는 기준 사례 대비 상부 파라수소 중성자 둔화재의 밝기를 약 15% 감소시킴.
• D₂ 중성자 둔화재를 10 cm 아래로 이동시킨 케이스 1b에서는 상부 파라수소 중성자 둔화재의 밝기 손실이 미미하여 거의 없어짐.
• 케이스 1a에서 D₂ 중성자 둔화재의 A×B 제품은 4.27 × 10¹⁵ n/sr/s이며, TDR 파라수소 중성자 둔화재의 1.17 × 10¹⁵ n/sr/s보다 3.6배 높음.
• 케이스 1b에서는 A×B 제품이 2.85 × 10¹⁵ n/sr/s로 여전히 TDR 기준 대비 2.4배 향상됨.
• A×B 성능 향상은 더 큰 중성자 둔화재 면적과 납 반사판의 사용 덕분으로 중성자 재순환 및 밝기가 향상된 데 기인함.
• 본 연구는 부피가 큰 D₂ 중성자 둔화재가 최적의 위치에 놓일 경우, 기준 TDR 파라수소 중성자 둔화재 대비 3–4배 높은 냉중성자 비례 강도를 제공할 수 있으며, 산산화 기구 성능에 거의 영향을 주지 않는 것으로 확인함.