Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4071
Pohl, Christoph
Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung der thermischen Neutronenflüsse an einem Target-Moderator-Reflektorsystem einer Spallationsneutronenquelle
125 S., 2003
In dieser Arbeit werden die experimentellen Ergebnisse der Messung von wellenlängen- und
zeitabhängigen Neutronenflugzeitspektren an einem 1:1 Modellexperiment einer Target -
Moderator - Reflektor - Anordnung der vorgeschlagenen Europäischen Spallationsneutronenquelle
(ESS) dargestellt und diskutiert. Mit den Ergebnissen können kerntechnische
und strahlenschutztechnische Fragestellungen sowohl für die Auslegung eines Target -
Moderator - Reflektorsystems einer hochintensiven Spallationsneutronenquelle als auch für
den Betrieb der an dieser Quelle vorgesehenen Experimente sicher beantwortet werden. Dazu
wurde das am COSY -Beschleuniger aufgebaute JESSICA - Experiment (Jülich
Experimental Spallation Target Setup In Cosy Area) verwendet. In parallel durchgeführten
Monte-Carlo-Simulationen wird die Neutronenerzeugung, der Teilchentransport und die
Wechselwirkung der Neutronen mit dem Moderatormaterial über einen Energiebereich von
zwölf Größenordnungen - von der Einschußenergie der Protonen im GeV-Bereich bis hin zu
kalten Neutronen im meV-Bereich - beschrieben. Die experimentellen und theoretischen
Ergebnisse ermöglichen eine Optimierung der Moderatoreffizienz und eine Erhöhung der
Strahlenschutzsicherheit. Als Moderatoren wurden Wasser und Polyethylen bei T = 300 K
und Eis bei T = 70 K und 20 K eingesetzt. Erstmalig wurden Neutronenflugzeitspektren von
Methanhydrat bei T = 20 K studiert und ausgemessen. Bei der Verwendung von Methanhydrat
zeigten sich die erwarteten Vorteile im Spektralverhalten in der Superposition von kaltem
Methan und Wassereis bei T = 20 K. Das Zeitverhalten der wellenlängenabhängig gestreuten
Neutronen konnte durch die Ermittlung der Abklingzeit und der Halbwertsbreite mit einer
statistischen Genauigkeit von 10 % bestimmt werden. Die gewonnenen Daten des
JESSICA- Experimentes wurden für die Validierung von Neutronentransport- und
Streuwirkungsquerschnitten für Monte Carlo Programme verwendet. Während für Wasser
und Polyethylen eine gute Übereinstimmung von Experiment und Simulation erreicht werden
konnte, wurden insbesondere für kalte Eis-Moderatorsysteme bei T = 70 K und 20 K
spektrale Unterschiede zwischen Experiment und Simulation festgestellt. Die Bedeutung des
Experimentes für die Sicherheit einer Hochleistungsspallationsneutronenquelle wird diskutiert.
In this thesis the neutron time-of-flight spectra of a target-moderator-reflector-system of a
spallation neutron source was investigated. With these results questions concerning nuclear
technology and radiation protection issues both for the design of a target-moderator-reflector-
system of a high intensive spallation neutron source and the operation of foreseen experiments
could be answered. With the JESSICA-experiment (Jütich Experimental Spallation Target
Set-up In COSY Area) installed at the Jülich proton accelerator COSY the neutron time-of-
flight spectra were measured. In accompanying Monte Carlo simulations the neutron
generation, the particle transport, and the interaction of neutrons with moderator materials
over a broad energy range - from 1.334 Ge V incident energy of the protons down to the meV
range of the cold neutrons - was simulated. Both the experimental and theoretical results allow
to optimise the efficiency of moderators and increasing the safety regarding radiation
protection. As moderator materials water and polyethylene at T = 300 K and ice at 70 K and
20 K were used. For the first time the neutron time-of-flight spectra of methane-hydrate at
20 K was measured. By applying a methane-hydrate moderator the expected advantages due
to the spectral characteristic of the thermal and cold neutrons was observed. The time
response of the wavelength dependent neutrons was determined by investigating the decay
time and pulse width with an accuracy of about 10 %. The gathered data of the JESSICA
experiment were used to vatidate neutron transport- and scattering cross sections for Monte
Carlo systems. Whereas for water and polyethylene experimental results and simulations are
in a good agreement, for the cold ice moderator systems at 70 K and 20 K spectral differences
were observed. The relevance of the experiment for radiation safety issues of a high power
spallation neutron source will be discussed.
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