Why in News?

• Researchers in the U.S. have conducted only the second-ever measurement of the Prompt Fission Neutron Spectrum (PFNS) from neutron-induced fission of Pu-240.

• It is the first such measurement using neutrons above 0.85 MeV.

• The study found significant differences between experimental results and existing theoretical models.

Background — India’s Nuclear Programme:

• India’s first stage uses Pressurised Heavy Water Reactors (PHWRs) and uranium fuel to produce energy and Pu-239.

• The second stage focuses on plutonium-based fast breeder reactors.

• The Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR) at Kalpakkam is part of this second stage.

• PFBR uses plutonium recovered from CANDU spent fuel, which contains significant amounts of Pu-240.

What is Pu-240:

• Pu-239 is produced when U-238 captures neutrons in a reactor.

• Pu-239 can further capture a neutron and become Pu-240.

• Pu-240 is therefore commonly found in spent nuclear fuel.

• It can undergo spontaneous fission and emits alpha particles.

What is PFNS:

• PFNS = Prompt Fission Neutron Spectrum.

• It describes the energy distribution of neutrons emitted immediately after induced nuclear fission.

• PFNS is important for understanding how energy and radiation are distributed during fission.

Major Findings:

• Measured PFNS showed significant deviations from model predictions.

• Researchers observed a higher-than-expected rate of second-chance fission.

• There were also indications of third-chance fission, although this was difficult to directly establish.

• The findings suggest that existing nuclear data libraries and models may need refinement.

What is Second-Chance Fission:

• In some reactions, the nucleus initially does not undergo fission.

• It first emits a neutron, after which the remaining nucleus becomes capable of fission.

• This is called second-chance fission.

Experimental Setup:

• Researchers worked at the Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE), USA.

• Proton pulses were directed at a tungsten target to produce neutrons.

• These neutrons were directed towards a highly pure Pu-240 sample.

• Liquid scintillator detectors measured the emitted neutrons and other fission products.

• A small 20 mg Pu-240 sample was used to reduce alpha-particle emissions.

Nuclear Data Libraries:

Nuclear reaction models depend on large databases called nuclear data libraries.

• ENDF/B-VIII.0 — U.S. National Nuclear Data Center

• JEFF-3.3 — OECD Nuclear Energy Agency

• JENDL-5.0 — Japan Atomic Energy Agency

The study found differences between experimental observations and the treatment of multi-chance fission and pre-equilibrium neutron emission in these libraries.

Significance:

Nuclear Reactor Design:

• Better nuclear data can improve reactor modelling, safety and efficiency.

Radiation Shielding:

• Accurate neutron-energy information helps design better radiation protection systems.

Nuclear Medicine:

• Improved understanding of radiation can help in radiation-dose calculations.

Nuclear Security:

• Better nuclear data can support the detection and analysis of nuclear materials.

India’s Nuclear Programme:

• The findings are particularly relevant because Pu-240 will be present in the fuel cycle associated with India’s fast breeder programme.

Prelims Link:

• Pu-239: Produced from U-238 through neutron capture.

• Pu-240: Formed when Pu-239 captures a neutron.

• PFNS: Prompt Fission Neutron Spectrum.

• PFBR: Prototype Fast Breeder Reactor.

• LANSCE: Los Alamos Neutron Science Center, USA.

• CANDU: Canadian-designed Pressurised Heavy Water Reactor.

• JENDL-5.0: Japan Atomic Energy Agency.

• JEFF-3.3: OECD Nuclear Energy Agency.

• ENDF: U.S. nuclear data library.

Mains Link:

Accurate nuclear data is essential for the safe and efficient development of nuclear energy. Improved understanding of Pu-240 fission can strengthen reactor design, radiation safety and India’s transition towards the second stage of its nuclear programme.

Pu-240 विखंडन अध्ययन — नया परमाणु डेटा:

समाचार में क्यों?

• अमेरिका के शोधकर्ताओं ने Pu-240 के न्यूट्रॉन-प्रेरित विखंडन से निकलने वाले Prompt Fission Neutron Spectrum (PFNS) का अब तक का केवल दूसरा प्रत्यक्ष मापन किया है।

• यह 0.85 MeV से अधिक ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन का उपयोग करने वाला पहला ऐसा अध्ययन है।

• अध्ययन में प्रयोगात्मक परिणामों और मौजूदा सैद्धांतिक मॉडलों के बीच महत्वपूर्ण अंतर पाया गया।

भारत के परमाणु कार्यक्रम की पृष्ठभूमि:

• भारत के पहले चरण में Pressurised Heavy Water Reactors (PHWRs) में यूरेनियम ईंधन का उपयोग करके ऊर्जा और Pu-239 का उत्पादन किया जाता है।

• दूसरे चरण में प्लूटोनियम आधारित Fast Breeder Reactors पर जोर है।

• कलपक्कम में Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR) भारत के दूसरे चरण का महत्वपूर्ण हिस्सा है।

• PFBR में CANDU spent fuel से प्राप्त प्लूटोनियम का उपयोग किया जाता है, जिसमें Pu-240 मौजूद होता है।

Pu-240 क्या है:

• रिएक्टर में U-238 न्यूट्रॉन ग्रहण करके Pu-239 बनाता है।

• आगे Pu-239 एक और न्यूट्रॉन ग्रहण करके Pu-240 में बदल सकता है।

• इसलिए Pu-240 spent nuclear fuel में पाया जाता है।

• Pu-240 में स्वतः विखंडन (spontaneous fission) की क्षमता होती है और यह alpha particles उत्सर्जित करता है।

PFNS क्या है:

• PFNS = Prompt Fission Neutron Spectrum।

• यह न्यूक्लियर विखंडन के तुरंत बाद निकलने वाले न्यूट्रॉनों की ऊर्जा-वितरण प्रणाली को दर्शाता है।

• इससे विखंडन के दौरान ऊर्जा और विकिरण के वितरण को समझने में मदद मिलती है।

प्रमुख निष्कर्ष:

• मापा गया PFNS मौजूदा मॉडलों की भविष्यवाणी से काफी अलग पाया गया।

• Second-chance fission की अपेक्षा से अधिक दर देखी गई।

• Third-chance fission के भी संकेत मिले, हालांकि इसे सीधे प्रमाणित करना कठिन था।

• इससे संकेत मिलता है कि मौजूदा nuclear data libraries और models में सुधार की आवश्यकता हो सकती है।

Second-Chance Fission क्या है:

• कुछ स्थितियों में न्यूक्लियस तुरंत विखंडित नहीं होता।

• पहले वह एक न्यूट्रॉन उत्सर्जित करता है।

• इसके बाद बचा हुआ न्यूक्लियस विखंडन करने में सक्षम हो जाता है।

• इसे Second-Chance Fission कहा जाता है।

प्रयोग की व्यवस्था:

• शोध Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE), USA में किया गया।

• प्रोटॉन की pulses को tungsten target पर डाला गया, जिससे न्यूट्रॉन उत्पन्न हुए।

• इन न्यूट्रॉनों को अत्यधिक शुद्ध Pu-240 sample की ओर भेजा गया।

• Liquid scintillator detectors द्वारा उत्सर्जित न्यूट्रॉनों और अन्य fission products को मापा गया।

• alpha-particle emissions को कम करने के लिए केवल 20 mg Pu-240 का छोटा sample इस्तेमाल किया गया।

Nuclear Data Libraries:

न्यूक्लियर रिएक्शन के मॉडल बड़े डेटाबेस अर्थात Nuclear Data Libraries पर आधारित होते हैं।

• ENDF/B-VIII.0 — U.S. National Nuclear Data Center

• JEFF-3.3 — OECD Nuclear Energy Agency

• JENDL-5.0 — Japan Atomic Energy Agency

अध्ययन में multi-chance fission और pre-equilibrium neutron emission के संबंध में इन libraries और प्रयोगात्मक परिणामों के बीच अंतर पाया गया।

महत्व:

परमाणु रिएक्टर डिजाइन:

• बेहतर nuclear data से reactor modelling, safety और efficiency में सुधार होगा।

Radiation Shielding:

• न्यूट्रॉन की ऊर्जा को सही ढंग से समझने से बेहतर radiation protection systems बनाए जा सकते हैं।

Nuclear Medicine:

• बेहतर डेटा से radiation dose calculation अधिक सटीक हो सकती है।

Nuclear Security:

• Nuclear materials की पहचान और निगरानी में सहायता मिल सकती है।

भारत का परमाणु कार्यक्रम:

• यह अध्ययन भारत के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि Fast Breeder Programme से जुड़े fuel cycle में Pu-240 मौजूद रहेगा।

Prelims Link:

• Pu-239: U-238 के neutron capture से बनता है।

• Pu-240: Pu-239 द्वारा एक और neutron capture करने से बनता है।

• PFNS: Prompt Fission Neutron Spectrum

• PFBR: Prototype Fast Breeder Reactor

• LANSCE: Los Alamos Neutron Science Center, USA

• CANDU: Canadian-designed Pressurised Heavy Water Reactor

• JENDL-5.0: Japan Atomic Energy Agency

• JEFF-3.3: OECD Nuclear Energy Agency

• ENDF: U.S. Nuclear Data Library

Mains Link:

सटीक nuclear data परमाणु ऊर्जा के सुरक्षित और कुशल विकास के लिए आवश्यक है। Pu-240 के विखंडन की बेहतर समझ से reactor design, radiation safety और भारत के परमाणु कार्यक्रम के दूसरे चरण को मजबूत किया जा सकता है।