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Exotic Radionuclides from Accelerator Waste for Science and Technology - ERAWAST II: the half-lives of long-lived lanthanides

English title Exotic Radionuclides from Accelerator Waste for Science and Technology - ERAWAST II: the half-lives of long-lived lanthanides
Applicant Schumann Dorothea
Number 178749
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Nuclear Physics
Start/End 01.12.2018 - 28.02.2021
Approved amount 297'160.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Nuclear Physics
Inorganic Chemistry

Keywords (5)

LSC; MC-ICP-MS; nuclear data; half-life; alpha-spectrometry

Lay Summary (German)

Lead
Exotic Radionuclides from Accelerator Waste for Science and Technology (ERAWAST) II: Die Halbwertszeit von langlebigen Lanthaniden
Lay summary

Lead

Radionuklide mit  langen Halbwertszeiten sind für viele wissenschaftliche und gesellschaftspolitische Bereiche von Bedeutung. Beispielsweise müssen die Halbwertszeiten für U- und Pu-Isotope wegen ihrer potentiellen Endlagerung möglichst genau bekannt sein. Andere Radionuklide wie 60Fe oder eben Isotope von einigen Lanthaniden spielen als sogenannte „Branching points“ eine Rolle für die Erklärung der Elementsynthese bei stellaren Prozessen. Erstaunlicherweise sind die kernphysikalischen Daten einer Vielzahl von Radionukliden mit Halbwertszeiten über 70 Jahren nur unzureichend bekannt. Teilweise stammen die Messungen aus den 50er oder 60er Jahren, manchmal gibt es nur eine oder gar keine Messung, und die Unsicherheiten sind hoch. Einer der Gründe für diese Situation ist die stark limitierte Verfügbarkeit der Isotope in vielen Fällen. Darüber hinaus können die meisten dieser  Halbwertzeiten nicht einfach über die Beobachtung des Zerfalls bestimmt werden, sondern erfordern die Anwendung komplizierter Methoden der Massenspektrometrie und Aktivitätsmessung.


Inhalt und Ziel

Der Beschleunigerkomplex des PSI ist einer der leistungsstärksten weltweit. Einige der dringend benötigten Isotope entstehen dort in Targets, Abschirmungen und anderen strahlenexponierten Materialien. Das Ziel des vorliegenden Projekts ist es, Lanthanidenisotope  aus geeigneten aktivierten Proben zu extrahieren, zu reinigen und ihre Halbwertszeit zu messen. Im vorgängig bearbeiteten Projekt ERAWAST I wurden bereits bestrahlte Tantalum-Proben, die grosse Mengen langlebiger Isotope der Elemente Gd, Dy, Tb, La und Ho enthalten, chemisch aufgearbeitet. Diese Fraktionen sollen nun gereinigt und in geeignete chemische Form überführt werden. Danach werden die entsprechenden Bestimmungen der Halbwertszeiten mit einer angestrebten Unsicherheit <5% durchgeführt.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

 Mit der genaueren Kenntnis der Halbwertszeiten der untersuchten Isotope lassen sich Prozesse der Elementsynthese in Sternen sowie die Isotopenhäufigkeiten von Elementen auf der Erde besser erklären. Die Ergebnisse werden auch dazu beitragen, die Methoden zur Bestimmung langer Halbwertszeiten weiterzuentwickeln und damit das Feld zu öffnen für eine Vielzahl anderer dringend erwarteter Messungen. Die Verbesserung der Datenlage für radioaktive Isotope trägt dazu bei, das Phänomen „Radioaktivität“ besser zu verstehen und den Umgang mit radioaktiven Stoffen sicherer zu machen.

Direct link to Lay Summary Last update: 03.04.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159738 Exotic Radionuclides from Accelerator Waste for Science and Technology - ERAWAST 01.05.2015 Project funding (Div. I-III)
177229 Towards implementing new isotopes for environmental research: The half-life of 32Si 01.09.2018 Sinergia

Abstract

Approximately 70 radionuclides with half-lives of more than 70 years are known, some of them with paramount importance in very diverse fields of human life, science and technology. Prominent examples are U and Pu isotopes in nuclear power technology, 60Fe for the understanding of processes in the early solar system, or 14C, 10Be and others used for dating environmental samples in climate research. Astonishingly, a considerable number of these isotopes are poorly characterized concerning their nuclear properties; in particular decay properties like half-lives and branching ratios. Often, the only available half-life values stem from measurements performed in the late 50ies or early 60ies, with high uncertainties and doubtful accurateness, if compared with modern standards. Reasons for these lacks in the nuclear data basis are in many cases the very limited availability of the isotope, accompanied by difficulties to quantify the activity (so called "hard-to-measure" isotopes). Improvement of the situation is urgently demanded in several fields of research and some efforts were put recently into the re-measurement of some key isotopes (for instance 10Be, 60Fe, 79Se, 166mHo, 41Ca, 182Hf, 209Po), partially with essentially different results than reported before (60Fe, 209Po).The Isotope and Target Chemistry Group (Laboratory for Radiochemistry, Nuclear Energy and Safety Department) at PSI is in the unique position to have access to a number of isotope sources containing considerable amounts of the most wanted rare long-lived isotopes. Additionally, we have the expertise for radiochemical separations as well as for the necessary measurement technique. Reacting on the urgent need to improve the nuclear data basis, we propose to establish the long-term program ERAWAST to gain rare exotic radionuclides and perform half-life measurements with envisaged uncertainties < 5%. Moreover, we can make considerable amounts of sample material available for fundamental cross section measurements (neutrons and charged particles) by exploiting exposed material components (targets, shieldings, structure material). Our portfolio covers a wide variety of radionuclides, from one of the lightest ones, 7Be, up to the heaviest like 208-210Po and minor actinides.In the first funding period of ERAWAST (2015-2017, SNSF grant No…) we started with a proposal on the radiochemical separation of ?-emitting radionuclides from proton-irradiated Ta and the half-life measurement of 146Sm as a prominent example for nuclear astrophysics application. In this follow-up, we propose to use the separated lanthanide fractions to prepare samples for the determination of the half-lives of 148Gd, 150Gd, 154Dy, 163Ho, 137La, 157Tb and 158Tb, these all being relevant nuclides for the understanding of star evolution in the lanthanide mass region. We intend to continue the program with other key nuclides from our portfolio later on.After the two-years funding period of ERAWAST II, we expect the following outcome:•Purified lanthanide fractions (Gd, Dy, Ho, Tb, La), ready for measurement•Direct measurements of the half-lives of 146Sm, 154Dy, 148Gd (150Gd) completed; uncertainty < 5%•Determination of the number of atoms by ICP-MS for 137La, 163Ho, 157/158Tb•Improvement of measurement technique for absolute measurements of EC nuclides•Start of long-term measurements using the decay method for the 148Gd half-life
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