Fusion cross section of superheavy elements using a Markov chain method
(2025) PHYM01 20242Mathematical Physics
Department of Physics
- Abstract
- This thesis models fusion reactions for the production of superheavy elements using a fusion by diusion model. The work further develops the diusion model in Ref. [1], achieving signicant computational speedup. In the diffusion model, I demonstrate that the use of a Markov chain method in place of a Langevin random walk method decreases computational time signicantly, by at least two orders of magnitude. Furthermore, the Markov chain method is shown to be especially eective in converging computations with a very low probability of formation. Using the model, I compute fusion cross sections in the formation of three superheavy elements using four dierent reactions. The creation of No-256, Cn-286, and 120-300 are considered. For Cn-286 an... (More)
- This thesis models fusion reactions for the production of superheavy elements using a fusion by diusion model. The work further develops the diusion model in Ref. [1], achieving signicant computational speedup. In the diffusion model, I demonstrate that the use of a Markov chain method in place of a Langevin random walk method decreases computational time signicantly, by at least two orders of magnitude. Furthermore, the Markov chain method is shown to be especially eective in converging computations with a very low probability of formation. Using the model, I compute fusion cross sections in the formation of three superheavy elements using four dierent reactions. The creation of No-256, Cn-286, and 120-300 are considered. For Cn-286 an alternative reaction using the neutron-rich projectile- and target nuclei Se-86 and Pt-200 is proposed in contrast to the standard Ca-48 + U-238 reaction. Additionally, I predict the beam time required for the synthesis of 120-300. Finally, the fusion model is extended for deformed nuclei, where reactions on both prolate- and oblate-shaped targets are investigated in addition to the spherical Pb-208 target. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- De allra tyngsta grundämnena i det periodiska systemet är skapade genom att man skjuter in en lätt atom in i en annan, tyngre, atom för att de ska slås ihop och skapa än ännu tyngre atom. Denna processen kallas fusion. Fusion är samma fenomen som driver solen genom sammanslagningen av väte till helium. För att uppnå fusion måste atomerna först övervinna den s.k. Coulombbarriären, den frånstötande elektriska kraften som uppstår eftersom atomkärnorna båda har positiv elektrisk laddning. Denna kan liknas till hur magneter med samma poler stöter ifrån varandra. Det blir svårare och svårare att föra dem ihop ju närmre varandra de kommer. Om det tillförs tillräckligt med energi kan man få atomkärnorna att komma i fysisk kontakt och görs det så... (More)
- De allra tyngsta grundämnena i det periodiska systemet är skapade genom att man skjuter in en lätt atom in i en annan, tyngre, atom för att de ska slås ihop och skapa än ännu tyngre atom. Denna processen kallas fusion. Fusion är samma fenomen som driver solen genom sammanslagningen av väte till helium. För att uppnå fusion måste atomerna först övervinna den s.k. Coulombbarriären, den frånstötande elektriska kraften som uppstår eftersom atomkärnorna båda har positiv elektrisk laddning. Denna kan liknas till hur magneter med samma poler stöter ifrån varandra. Det blir svårare och svårare att föra dem ihop ju närmre varandra de kommer. Om det tillförs tillräckligt med energi kan man få atomkärnorna att komma i fysisk kontakt och görs det så börjar den starka kärnkraften att verka. Denna attraherar istället atomkärnorna mot varandra vilket övervinner den elektriska repulsionen och skapar en sammansatt, tyngre, kärna. Nu står däremot två olika krafter i en kamp mot varandra. Vinner den elektriska kraften så slits den sammansatta kärnan isär igen i mindre fragment, och vinner den starka kärnkraften så har man lyckats skapa en tyngre atomkärna.
I praktiken görs detta genom att i en partikelaccelerator accelerera ena atomen till enorma hastigheter för att sedan skjutas in i den andra. Skjuts den för långsamt studsar den bort från målet på grund av Coulombrepulsionen och skjuts den för snabbt så slits den sammansatta kärnan isär direkt. Det visar sig att sannolikheten att lyckas skapa den tyngre atomkärnan är mycket liten, och den påverkas av hastigheten man accelererar atomen till. Man förutspår att det kan ta flera år av försök för att lyckas skapa en enda atom av nästa sorts grundämne. För att inte slösa tid och pengar är det därför gynnsamt att försöka hitta hastigheten vid vilken sannolikheten för fusion är som högst. Valet av grundämnen som man använder i reaktionen spelar också roll i sannolikheten och det är högst gynnsamt att välja den optimala kombinationen av grundämnen. Det finns modeller för att simulera fusionsprocessen och därmed går det att hitta den optimala hastigheten och kombinationen av grundämnen. Ett av problemen med dessa modeller är beräkningarna tar mycket lång tid -- för lång tid för att kunna simulera alla möjliga hastigheter och atomkombinationer.
I denna avhandlingen vidareutvecklas en av dessa modeller för att förbättra beräkningshastigheten av modellen. Förhoppningen är att man med en snabbare uträkning ska kunna hitta bästa kombinationen av grundämnen, samt hastigheten man skjuter dem med, för att maximera sannolikheten av syntetiseringen av nya grundämnen. Dessutom vidareutvecklas modellen för att även kunna appliceras på fler sorters atomer. Tidigare fungerade den endast för sfäriskt formade atomkärnor, medan den nu har utvecklats för att även kunna appliceras på mål som är icke-sfäriska. Modellen används sedan för att förutspå den optimala hastigheten i några olika fusionsreaktioner, samt förutspår tiden det kommer ta att producera nästa, hittils okända, grundämne. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9184398
- author
- Agert, Filip LU
- supervisor
-
- Gillis Carlsson LU
- Andrea Idini LU
- Martin Albertsson LU
- organization
- course
- PHYM01 20242
- year
- 2025
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- nuclear physics, nuclear theory, fusion, superheavy elements, superheavy nuclei, SHN, markov chain
- language
- English
- id
- 9184398
- date added to LUP
- 2025-02-18 15:56:17
- date last changed
- 2025-02-18 15:56:17
@misc{9184398,
abstract = {{This thesis models fusion reactions for the production of superheavy elements using a fusion by diusion model. The work further develops the diusion model in Ref. [1], achieving signicant computational speedup. In the diffusion model, I demonstrate that the use of a Markov chain method in place of a Langevin random walk method decreases computational time signicantly, by at least two orders of magnitude. Furthermore, the Markov chain method is shown to be especially eective in converging computations with a very low probability of formation. Using the model, I compute fusion cross sections in the formation of three superheavy elements using four dierent reactions. The creation of No-256, Cn-286, and 120-300 are considered. For Cn-286 an alternative reaction using the neutron-rich projectile- and target nuclei Se-86 and Pt-200 is proposed in contrast to the standard Ca-48 + U-238 reaction. Additionally, I predict the beam time required for the synthesis of 120-300. Finally, the fusion model is extended for deformed nuclei, where reactions on both prolate- and oblate-shaped targets are investigated in addition to the spherical Pb-208 target.}},
author = {{Agert, Filip}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Fusion cross section of superheavy elements using a Markov chain method}},
year = {{2025}},
}