PSI: Doktorandentag des Departements Nukleare Energie und Sicherheit 2022

Noemi Cerboni

1. Doktorandenjahr, Labor für Radiochemie
Herstellung von Atomlagen metallischer Radiolanthanide zur Messung der Energien von Auger-Elektronen sowie deren Verzweigungswahrscheinlichkeiten
Herstellung von fortschrittlichen Radionukliden für medizinische Behandlungen
Mit den jüngsten Fortschritten bei der Verwendung neuartiger Radiolanthanide (z.B. ¹⁵⁵Tb, ¹⁶¹Tb, ¹⁶¹Ho, etc.) für die gezielte Krebstherapie mit Auger-Elektronen, hat die präzise und kontrollierte Dosimetrie an Bedeutung gewonnen. Dies ist besonders wichtig, da noch keine oder nur sehr wenige experimentelle Daten über die Energie und die Verzweigungswahrscheinlichkeiten von Auger-Elektronen aus Lanthaniden bekannt sind. Eine der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit solchen Messungen ist die Herstellung eines gleichmäßigen, atomar dünnen Films von Lanthaniden in ihrem metallischen Zustand. Dies ist eine Voraussetzung, um Energieverluste der emittierten Auger-Elektronen durch Selbstabsorption zu vermeiden. Die hier vorgestellte Arbeit zielt auf die Dünnschichtabscheidung von metallischen Radiolanthaniden mittels Elektrochemie oder Edelmetall-gestützter, gekoppelter Reduktion ab.

David Breitenmoser

2. Doktorandenjahr, Abteilung Strahlenschutz
Bayessche Kalibrierung und Sensitivitätsanalyse von nicht-proportionalen Szintillationsmodellen für Aeroradiometrie-Systeme
Verbesserung der Radionukliddetektion und -messung durch den Einsatz neuer mathematischer Werkzeuge
Ziel dieser Studie war es, ein einfaches und zuverlässiges nicht-proportionales Szintillationsmodell (NPSM) für den Monte-Carlo-Transportcode FLUKA zu implementieren. Auf der Grundlage von Hochleistungsrechnersimulationen und Strahlungsmessungen mit einem Aeroradiometrie-Gamma-Spektrometer und mehreren Strahlungsquellen (⁵⁷Co, ⁶⁰Co, ⁸⁸Y, ¹⁰⁹Cd, ¹³³Ba, ¹³⁷Cs, ¹⁵²Eu) wurden eine Bayessche Kalibrierung und eine globale Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Parameter des NPSM-Modells mit Hilfe von Markov-Chain-Monte-Carlo-Methoden und kreuzvalidierten polynomischen Chaos-Expansionsmodellen abzuleiten. Die hier vorgestellte neuartige Methodik kann für einfache und zuverlässige NPSM-Implementierungen unter Verwendung von Monte-Carlo-Codes für beliebige anorganische Szintillator-Materialien verwendet werden. So können die detektorabhängigen Modellparameter ohne zusätzliche aufwändige Messungen der Elektronenantwort mit rein numerischen Methoden abgeleitet werden.

Andrea Cavaliere

3. Doktorandenjahr, Labor für Nuklearmaterialien
FEM-Wärmeübertragungsmodellierung basierend auf eine tomographiegestützter SiCf/SiC-Einheitszelle
Einsatz fortschrittlicher Analyse- und Modellierungswerkzeuge zur Untersuchung und Entwicklung der nächsten Generation von Hüllrohren
Siliciumcarbid-Faser-verstärktes Siliciumcarbid-Hüllrohr (SiCf/SiC) ist ein Hauptkandidat in der Forschung zu weniger störfallanfälligen Brennstoffen (accident tolerant fuel - ATF). Doch müssen Unsicherheiten im thermischen Verhalten beseitigt werden, um den sicheren Betrieb bzw. die sichere Verwendung im Kernreaktor zu gewährleisten. Da es sich um einen Verbundwerkstoff handelt, hängen die Eigenschaften von SiCf/SiC nicht nur von der Charakteristik der Matrix und der Fasern ab, sondern auch von der Orientierung der Fasern, dem Porenanteil und der Porenmorphologie. Mit der Phasenkontrast-Tomographie werden die Poren, Fasern und die Matrix im Verbund kenntlich gemacht und anschliessend in einzelne Datensätze zerlegt. Einzelne Poren und Fasern werden als zylindrische Objekte parametrisiert, um eine repräsentative "Einheitszelle" des Materials zu schaffen. Mit einem FEM-Modell, das stationäre und dynamische Wärmetransportsimulationen umfasst, werden die effektiven thermischen Eigenschaften der Einheitszelle extrahiert. Diese Ergebnisse werden zusammen mit den Daten über die größeren strukturellen Merkmale, z.B. grosse Poren, welche in der Einheitszelle nicht berücksichtigt wurden, zu realistischen makroskopischen Eigenschaften des vorliegenden SiCf/SiC Verbundes führen, und wesentlich zum Verständnis des Wärmeflusses beitragen. Die experimentelle Validierung wird mit einer neu entwickelten, Laser-basierten Wärmeleitfähigkeitsmesseinrichung erfolgen, wobei direkt hohlzylindrische Proben gemessen werden können.

Mario Veicht

4. Doktorandenjahr, Labor für Radiochemie
Bestimmung der Halbwertszeit von ³²Si: wie das PSI zur Lösung eines langjährigen Problems beiträgt.
Herstellung der weltweit grössten Menge eines seltenen Isotops, das als Geochronometer (Artefakt-Datierung) verwendet werden kann
Die radiometrische Datierung gilt als etablierte Technik und ermöglicht es, absolute Altersbestimmungen durchzuführen. Hierfür ist es jedoch erforderlich, dass die Halbwertszeit (T_1/2) der einzelnen Nuklide mit hoher Genauigkeit bekannt ist. Obwohl diverse Zeiträume (von einigen Jahren bis Millionen Jahren) mit dieser Methode abgedeckt werden können, existiert eine Datierungslücke, sodass der Zeitraum von 100 bis 1000 Jahren vor heute nicht abgedeckt ist. Exakt für diesen Zeitraum, gibt es jedoch ein potenzielles Radionuklid, das diese Datierungslücke schliessen könnte: Silizium-32 (³²Si). Das Problem ist jedoch die gegenwärtig sehr ungenau bestimmte T_1/2 von 153 ± 19 Jahren und aufgrund dessen eine Verwendung für radiometrische Datierung nicht erlaubt.
Im Rahmen des SNF-finanzieren Projekts SINCHRON (³²Si: A New Chronometer) steht daher die Neubestimmung der Halbwertszeit von ³²Si im Fokus. Hierfür wurde am PSI ³²Si künstlich hergestellt und ein neuartiges, nasschemisches Trennsystem entwickelt, das die selektive Abtrennung und anschliessende Aufreinigung von ³²Si aus mit Protonen bestrahlten Vanadium-Scheiben ermöglicht. Dadurch wurde es möglich, eine weltweit einzigartige Menge (≈ 20 Megabecquerel) an ³²Si zur Verfügung zu stellen und somit ebenfalls Proben mit einer ausserordentlich hohen ³²Si-Aktivität. In Zusammenarbeit mit multinationalen Metrologie-Instituten (u.a. die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB, Braunschweig, Deutschland), Institute de radiophysique (IRA, Lausannen, Schweiz) et cetera) werden diverse Messungen durchgeführt, um in absehbarer Zeit einen neuen, empfohlenen Wert für die 32Si-Halbwertszeit mit einer geringen Unsicherheit (< 5%) präsentieren können. Somit konnte dank der unternommenen experimentellen Anstrengungen, die Arbeitsgruppe von Dr. Schumann (PSI), einen wertvollen Beitrag zur Lösung des Problems, nämlich der Neubestimmung der ³²Si-Halbwertszeit, leisten.