In explosive astrophysical environments such as novae, X-ray bursters and supernovae, conditions of extreme temperature and density are achieved. Under such conditions, both the rate of energy release and path of nucleosynthesis are governed by reactions on unstable nuclei. In this light, direct reaction studies using radioactive ion beams play a vital role in determining nuclear reaction rates. However, in the vast majority of cases, direct measurements are not possible and as such, indirect measurements are equally important for the understanding of the main reaction processes driving astrophysical events. In this thesis work, indirect studies of the astrophysically important 19Ne(p,γ)20Na and 29P(p,γ)30S reactions have been performed. For the first reaction, a β-delayed proton decay study of 20Mg was performed to gain information about the spin-parity assignment of the first key resonance above the proton emission threshold in the compound nucleus 20Na. This resonance is expected to dominate the 19Ne(p,γ)20Na reaction rate in explosive astrophysical environments and its identity has been under discussion for a long time, with J π = 1+ and 3+ assignments suggested. In the present study an upper limit on the β-decay branch to this state of 0.02% with a con dence level of 90% is reported. This is signi cantly more stringent than previous studies and makes a 1+ assignment highly unlikely, favouring instead a 3+ assignment. A 3+ assignment is predicted to have a signi cantly higher resonance strength and produce a proportionately higher 19Ne(p,γ)20Na reaction rate in X-ray burst conditions. The second study performed was a detailed gamma-ray spectroscopy study of the nucleus 30S. Excitation energies have been determined with improved precision over previous studies and the first,firm spin-parity assignments of key 29P + p resonant states, expected to dominate the 29P(p,γ)30S reaction in stellar scenarios, have been made. An evaluation of the 29P(pγ)30S reaction over the temperature range T = 0.06-2.5 GK shows that the 3+ and 2+ resonant states located at Er = 292.0(9) and 413.1(10) keV, respectively, dominate the 29P(p,γ)30S reaction rate in ONe novae, while the 413 keV resonance is expected to govern the rate in X-ray burster environments. These new, precise resonance energy measurements and firm spin-parity assignments have signi cantly reduced uncertainties in the 29P(p,γ)30S reaction in ONe novae and X-ray bursters. In particular, the reaction rate is now speci ed precisely enough for calculations of isotopic abundances in ONe novae ejecta.

Este trabalho apresenta as medidas das taxas de reação nuclear ao longo da direção radial da pastilha combustível por irradiação e posterior espectrometria gama de um fino disco de UO2 com enriquecimento de 4,3% no reator IPEN/MB- 01. A partir de sua irradiação, a taxa de captura radioativa e de fissão foram medidas em função do raio do disco utilizando um detector HPGe. Colimadores de chumbo foram utilizados para esse fim. O disco de UO2 é inserido no interior de uma vareta combustível desmontável e esta é então colocada na posição central do núcleo do reator IPEN/MB-01 e irradiada durante uma hora sob um fluxo de nêutrons de aproximadamente 9 x 108 n/cm2s. Na espectrometria gama, 10 colimadores com diâmetros diferentes foram utilizados, consequentemente, as reações nucleares de captura radioativa que ocorrem nos átomos de 238U e as fissões que ocorrem em ambos 235U e 238U são mensuradas em função de 10 regiões distintas do disco combustível. Correções de eficiência geométrica devido à introdução dos colimadores no sistema de detecção HPGe foram estimados usando o código MCNP-4C. Alguns valores calculados da taxa de reação nuclear de captura radioativa e fissão obtidos pela metodologia de Monte Carlo, utilizando o código MCNP-4C, são apresentados e comparados aos dados experimentais apresentando boa concordância. Além de taxas de reação nuclear, os índices espectrais 28ρ e 25δ foram obtidos para cada raio do disco combustível. / This work presents the measurements of the nuclear reaction rates along the radial direction of the fuel pellet by irradiation and posterior gamma spectrometry of a thin slice of fuel pellet of UO2 with 4,3% enrichment. From its irradiation the rate of radioactive capture and fission have been measured as a function of the radius of the pellet disk using a HPGe detector. Lead collimators has been used for this purpose. Simulating the fuel pellet in the pin fuel of the IPEN/MB-01 reactor, a thin UO2 disk is used. This disk is inserted in the interior of a dismountable fuel rod. This fuel rod is then placed in the central position of the IPEN/MB-01 reactor core and irradiated during 1 hour under a neutron flux of around 9 x 108 n/cm2s. For gamma spectrometry 10 collimators with different diameters have been used, consequently, the nuclear reactions of radioactive capture that occurs in atoms of 238U ans fissions that occur on both 235U and 238U are measured in function of 10 different region (diameter of collimator) of the fuel pellet disk. Corrections in the geometric efficiency due to introduction of collimators on HPGe detection system were estimated using photon transport of MCNP-4C code. Some calculated values of nuclear reaction rate of radioactive capture and fission along of the radial direction of the fuel pellet obtained by Monte Carlo methodology, using the MCNP-4C code, are presented and compared to the experimental data showing very good agreement. Besides nuclear reaction rates, the spectral indices 28ρ and 25δ have been obtained at each different radius of the fuel pellet disk.

Este trabalho apresenta as medidas das taxas de reação nuclear ao longo da direção radial da pastilha combustível por irradiação e posterior espectrometria gama de um fino disco de UO2 com enriquecimento de 4,3% no reator IPEN/MB- 01. A partir de sua irradiação, a taxa de captura radioativa e de fissão foram medidas em função do raio do disco utilizando um detector HPGe. Colimadores de chumbo foram utilizados para esse fim. O disco de UO2 é inserido no interior de uma vareta combustível desmontável e esta é então colocada na posição central do núcleo do reator IPEN/MB-01 e irradiada durante uma hora sob um fluxo de nêutrons de aproximadamente 9 x 108 n/cm2s. Na espectrometria gama, 10 colimadores com diâmetros diferentes foram utilizados, consequentemente, as reações nucleares de captura radioativa que ocorrem nos átomos de 238U e as fissões que ocorrem em ambos 235U e 238U são mensuradas em função de 10 regiões distintas do disco combustível. Correções de eficiência geométrica devido à introdução dos colimadores no sistema de detecção HPGe foram estimados usando o código MCNP-4C. Alguns valores calculados da taxa de reação nuclear de captura radioativa e fissão obtidos pela metodologia de Monte Carlo, utilizando o código MCNP-4C, são apresentados e comparados aos dados experimentais apresentando boa concordância. Além de taxas de reação nuclear, os índices espectrais 28ρ e 25δ foram obtidos para cada raio do disco combustível. / This work presents the measurements of the nuclear reaction rates along the radial direction of the fuel pellet by irradiation and posterior gamma spectrometry of a thin slice of fuel pellet of UO2 with 4,3% enrichment. From its irradiation the rate of radioactive capture and fission have been measured as a function of the radius of the pellet disk using a HPGe detector. Lead collimators has been used for this purpose. Simulating the fuel pellet in the pin fuel of the IPEN/MB-01 reactor, a thin UO2 disk is used. This disk is inserted in the interior of a dismountable fuel rod. This fuel rod is then placed in the central position of the IPEN/MB-01 reactor core and irradiated during 1 hour under a neutron flux of around 9 x 108 n/cm2s. For gamma spectrometry 10 collimators with different diameters have been used, consequently, the nuclear reactions of radioactive capture that occurs in atoms of 238U ans fissions that occur on both 235U and 238U are measured in function of 10 different region (diameter of collimator) of the fuel pellet disk. Corrections in the geometric efficiency due to introduction of collimators on HPGe detection system were estimated using photon transport of MCNP-4C code. Some calculated values of nuclear reaction rate of radioactive capture and fission along of the radial direction of the fuel pellet obtained by Monte Carlo methodology, using the MCNP-4C code, are presented and compared to the experimental data showing very good agreement. Besides nuclear reaction rates, the spectral indices 28ρ and 25δ have been obtained at each different radius of the fuel pellet disk.

Este trabalho visa determinar as razões espectrais e o espectro de energia de nêutrons no interior do combustível do Reator Nuclear IPEN/MB-01. Estes parâmetros são de grande importância para determinar com precisão parâmetros físicos de reatores nucleares, como taxas de reação, tempo de vida do combustível e também parâmetros de segurança, tais como reatividade. Para o experimento, utilizou-se detectores de ativação na forma de finas folhas metálicas, introduzidas em uma vareta combustível experimental desmontável. Em seguida, a vareta foi colocada na posição central do núcleo, que tem uma configuração retangular padrão de 26x28 varetas combustível. Foram utilizados detectores de ativação de diferentes elementos como 197Au, 238U, 45SC, 58Ni, 24Mg, 47Ti e 115In para cobrir grande parte do espectro de energia dos nêutrons. Após a irradiação, os detectores de ativação foram submetidos a espectrometria gama utilizando um sistema de contagem com Germânio hiper-puro, afim de se obter a taxa de reação (atividade de saturação) por núcleo alvo. As razões espectrais foram comparadas com valores obtidos através do método de Monte Carlo utilizando o código MCNP-4C. O espectro de energia de nêutrons foi obtido no interior da vareta combustível utilizando o código SANDBP com um espectro de entrada obtido pelo código MCNP-4C, a partir dos valores de atividade de saturação por núcleo alvo dos detectores de ativação irradiados. / This study aims to determine the spectral ratios and the neutron energy spectrum inside the fuel of IPEN/MB-01 Nuclear Reactor. These parameters are of great importance to accurately determine spectral physical parameters of nuclear reactors like reaction rates, fuel lifetime and also security parameters such as reactivity. For the experiment, activation detectors in the form of thin metal foils were introduced in a collapsible fuel rod. Then the rod was placed in the central position of the core which has a standart rectangular configuration of 26x28 fuel rods. There were used activation detectors from different elements such Au-197, U-238, Sc-45, Ni-58, Mg-24, Ti-47 and In-115 to cover a large range of the neutrons energy spectrum. After the irradiation, the activation detectors were submitted to gamma spectrometry using a counting system with high purity Germanium, to obtain the reaction rates (saturation activity) per target nucleus. The spectral ratios were compared with calculated values obtained by the Monte Carlo method using the MCNP-4C code. The neutron energy spectrum was obtained inside the fuel rod using the SANDBP code with an input spectrum obtained by the MCNP-4C code, based on the saturation activity per target nucleus values of the activation detectors irradiated.

Este trabalho visa determinar as razões espectrais e o espectro de energia de nêutrons no interior do combustível do Reator Nuclear IPEN/MB-01. Estes parâmetros são de grande importância para determinar com precisão parâmetros físicos de reatores nucleares, como taxas de reação, tempo de vida do combustível e também parâmetros de segurança, tais como reatividade. Para o experimento, utilizou-se detectores de ativação na forma de finas folhas metálicas, introduzidas em uma vareta combustível experimental desmontável. Em seguida, a vareta foi colocada na posição central do núcleo, que tem uma configuração retangular padrão de 26x28 varetas combustível. Foram utilizados detectores de ativação de diferentes elementos como 197Au, 238U, 45SC, 58Ni, 24Mg, 47Ti e 115In para cobrir grande parte do espectro de energia dos nêutrons. Após a irradiação, os detectores de ativação foram submetidos a espectrometria gama utilizando um sistema de contagem com Germânio hiper-puro, afim de se obter a taxa de reação (atividade de saturação) por núcleo alvo. As razões espectrais foram comparadas com valores obtidos através do método de Monte Carlo utilizando o código MCNP-4C. O espectro de energia de nêutrons foi obtido no interior da vareta combustível utilizando o código SANDBP com um espectro de entrada obtido pelo código MCNP-4C, a partir dos valores de atividade de saturação por núcleo alvo dos detectores de ativação irradiados. / This study aims to determine the spectral ratios and the neutron energy spectrum inside the fuel of IPEN/MB-01 Nuclear Reactor. These parameters are of great importance to accurately determine spectral physical parameters of nuclear reactors like reaction rates, fuel lifetime and also security parameters such as reactivity. For the experiment, activation detectors in the form of thin metal foils were introduced in a collapsible fuel rod. Then the rod was placed in the central position of the core which has a standart rectangular configuration of 26x28 fuel rods. There were used activation detectors from different elements such Au-197, U-238, Sc-45, Ni-58, Mg-24, Ti-47 and In-115 to cover a large range of the neutrons energy spectrum. After the irradiation, the activation detectors were submitted to gamma spectrometry using a counting system with high purity Germanium, to obtain the reaction rates (saturation activity) per target nucleus. The spectral ratios were compared with calculated values obtained by the Monte Carlo method using the MCNP-4C code. The neutron energy spectrum was obtained inside the fuel rod using the SANDBP code with an input spectrum obtained by the MCNP-4C code, based on the saturation activity per target nucleus values of the activation detectors irradiated.