[論文レビュー] Evaluation of the total photoabsorption cross sections for actinides from photofission data and model calculations

I. Pshenichnov, B. L. Berman+6 more|CERN Bulletin|Mar 27, 2003

Nuclear Materials and Properties被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、光分裂データとRELDISモンテカルロモデルを用いてアクチノイドの全光吸収断面積を評価する。このモデルは、カスケード、蒸発、分裂を含む光核反応をシミュレートする。その結果、ギガエレクトロン・ボルト（GeV）エネルギー域では分裂が光吸収の55–95％を占めるにとどまり、特に $^{232}$Th や $^{238}$U などの重い核において、分裂以外の過程からの寄与が顕著であるため、「ユニバーサル・カーブ」概念に疑問を呈する。

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.

研究の動機と目的

• 実験的光分裂データと理論的モデリングを用いて、アクチノイドの全光吸収断面積を特定すること。
• 全核種にわたる核子当たり光吸収断面積の「ユニバーサル・カーブ」概念の妥当性を検証すること。
• 高エネルギー光核反応における非分裂崩壊経路の役割を調査すること。
• 重い核においてギガエレクトロン・ボルト領域での分裂確率計算の信頼性を評価すること。
• 今後の重いアクチノイドにおける全光吸収断面積の直接測定のためのベンチマークを提供すること。

提案手法

• RELDISモンテカルロコードは、核内カスケード、準平衡放出、および蒸発・分裂・マルチフラグメンテーションを含む中間エネルギー光核反応をモデル化する。
• $^{237}$Np、$^{233,235,238}$U、$^{232}$Th、および $^{\text{nat}}$Pb について、入射光子エネルギー（68 MeV から 3.77 GeV）の関数としての分裂確率を計算する。
• SALおよびJLabで測定された光分裂断面積と、計算された分裂確率を組み合わせることで、全光吸収断面積を推定する。
• モデルは、多粒子生成と励起された残渣核における分裂と蒸発の競合を考慮する。
• 感度解析により、妥当なパrameterの変動下でも分裂確率が10％以内で安定していることが確認された。
• 全光吸収断面積（核子当たり）は、測定された $\sigma_{\text{fission}}$ と計算された $W_f$ を用いて $\sigma_{\gamma A}/A = \sigma_{\text{fission}}/W_f$ として導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ギガエレクトロン・ボルトエネルギー域におけるアクチノイドの全光吸収において、分裂はどの程度の寄与を示すか？
• RQ2 68 MeV から 3.77 GeV のエネルギー範囲で、計算された分裂確率は実験的光分裂データとどの程度一致するか？
• RQ3 重いアクチノイド（例：$^{237}$Np や $^{235}$U）において、核子当たり光吸収断面積の「ユニバーサル・カーブ」は有効か？
• RQ4 高エネルギー光核反応における非分裂崩壊経路（例：蒸発）の役割は何か？
• RQ5 分裂が主要な崩壊モードでない場合、光分裂データは全光吸収断面積を信頼性高く推定できるか？

主な発見

• $^{233}$U、$^{235}$U、$^{237}$Np では、ギガエレクトロン・ボルトエネルギー域で分裂確率が80–95％であるが、$^{238}$U では70–80％、$^{232}$Th では55–70％にとどまる。
• 光子エネルギーが1 GeVを超えると、分裂確率は1に近づかず、むしろ低分裂性の残渣核が形成されるためわずかに低下する。
• ギガエレクトロン・ボルト域での深さのある光分割反応によって生成される残渣核は、$Z^2/A$ 値が低く、蒸発が分裂よりも優位になるため、分裂確率が低下する。
• 4 GeVですら、分裂と蒸発の競合が顕著に残っており、光分裂断面積だけでは全光吸収を代表できないことが示された。
• アクチノイドの核子当たり光吸収断面積は、$^{237}$Np と $^{233,235,238}$U で約10％の誤差内で一致するが、$\Delta_{33}(1232)$ 共鳴領域では「ユニバーサル・カーブ」より約20％高い値を示す。
• 分裂確率の不確実性が約10％、光分裂データの不確実性が約5％であるにもかかわらず、ユニバーサル・カーブとの乖離は実験誤差では完全に説明できず、重い核においてこの概念に根本的な欠陥がある可能性を示唆する。