用LAHET和MCNP程序研究散裂中子靶的中子学性能

利用LAHET和MCNP程序对ADS散裂中子靶进行模拟计算。因靶的基本物理性质随束流和靶形状的变化而改变,所以首先评估了源强和靶的几何形状对靶性质的可能影响,然后计算长1.2m、直径为0.6m的圆柱形液态铅靶在1GeV质子轰击下,靶内中子的产生和泄漏及能量的沉积等。与文献数据、实验

　第39卷第3期　2005年5月

原子能科学技术Vol.39,No.3

May2005

AtomicEnergyScienceandTechnology

用LAHET和MCNP程序

研究散裂中子靶的中子学性能

杨永伟,李浩泉,经荥清

(清华大学核能与新能源技术研究院,北京　100084)

摘要:利用LAHET和MCNP程序对ADS散裂中子靶进行模拟计算。因靶的基本物理性质随束流和靶形状的变化而改变,所以首先评估了源强和靶的几何形状对靶性质的可能影响,然后计算长112m、直径为016m的圆柱形液态铅靶在1GeV质子轰击下,靶内中子的产生和泄漏及能量的沉积等。与文献数据、实验数据进行了比较,符合良好。计算结果还表明:源强和几何的选择对中子产生和泄漏可产生较大影响;用液态铅作散裂靶时,中子产额和泄漏额较高,且泄漏能谱在可利用范围内,但能量沉积在靶中的分布极不均匀,这可能给传热带来问题。关键词:散裂中子靶;中子产额;能量沉积;中子能谱

中图分类号:TL329　　　文献标识码:A　　　(2StudyonNeutronTargetandMCNPCode

YANGYong2wei,LIHao2quan,JINGXing2qing

(InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:　ThespallationtargetofADSwasstudiedusingLAHETandMCNPcode.Sincethebasicphysicalpropertiesofthetargetmaterialvaryaccordingtothebeamcon2ditionsandtargetgeometry,theeffectsofbeamconditionandtargetgeometryonthetargetpropertieswerecheckedfirstly.Thenthesimulatingcalculationoftheleadtargetof1.2mlengthand0.6mindiameterbombardedwith1.0GeVprotonbeamwascarriedout.Theneutronproductionandleakage,energydepositioninthetargetwerestudied.Thesimulationresultsagreeverywellwiththeprevioustheoreticalandexperi2mentalresults.Thecalculationsshowthattheenergyoftheincidentprotonandthetar2getgeometrymakeanimportantimpactontheneutronproductionandleakage.ForthegivenliquidPbtarget,theneutronproductionandleakagearehighandtheleakageneu2tronspectrumshowstobegoodinthereactor.Butenergydepositioninthetargetissoinhomogeneousthatitmaybeachallengetothecoolingofthetarget.

收稿日期:2003209209;修回日期:2004204228基金项目:国家“973”基础研究项目(G1999022601)

),男,四川古蔺人,副研究员,博士,

反应堆物理专业作者简介:杨永伟(1963—

利用LAHET和MCNP程序对ADS散裂中子靶进行模拟计算。因靶的基本物理性质随束流和靶形状的变化而改变,所以首先评估了源强和靶的几何形状对靶性质的可能影响,然后计算长1.2m、直径为0.6m的圆柱形液态铅靶在1GeV质子轰击下,靶内中子的产生和泄漏及能量的沉积等。与文献数据、实验

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原子能科学技术　　第39卷

Keywords:spallationneutrontarget;neutronproduction;energydeposition;neutronspectrum

发展加速器驱动的次临界核能系统,作为

可使核能大规模、可持续发展的创新技术路线,近年来在国际上形成一个研究热点,国内也开展了相应研究工作。散裂中子靶的中子学研究是加速器次临界系统研究中的重要环节。

散裂靶的中子学性能取决于入射质子的能量、靶的材料及靶的形状。

对于靶的材料,目前国际上一致认为采用液态重金属作为散裂靶比较恰当。对固体靶,冷却率必须随束流功率增加而增大,否则,将产生熔化而不能高效地产生中子,所以液态金属可能是获得高束流功率密度惟一的方法。此外,液态金属靶也能解决靶的散热问题。为了得到高的质子2中子转变效率,需要高原子序数和高密度的材料。汞、铅和铅2铋共熔体(LBE)这3种液态重金属适合作为散裂靶材料。

汞作为靶材料的1)下是液态,。相

反,铅和铅2)和低面、高沸点(铅,1737℃;LBE,1670℃

蒸汽压力(在各自的运作温度下是汞的万分之一),作为靶材料会给技术上带来很大的便利。铅的熔点为327℃,而铅2铋共熔体的熔点为12315℃,所以铅靶的运作温度会比铅2铋共熔体靶的高,而且可能需要特殊的结构材料。但铅2铋共熔体也有它的特有问题,铋吸收中子会产生高放射性的钋。

综合上面各种材料的特点,本工作将选择液态铅作为靶来进行中子学性能研究。

α、π和γ等次级粒子,这些粒子以及碰撞n、d、后的质子有可能逃逸出核外,也可能再同其它粒子继续碰撞,释放出另外的粒子,一直到能量接近核内结合能为止;残余核处于激发态,通过蒸发中子回到基态。如果靶核是锕系元素,还可能产生裂变,放出裂变中子。112　计算方法

在本工作的物理分析中,用LAHET[1]模拟散裂靶内20MeV以上中子的级联输运过程,然后将计算得到的粒子结果(包括中子和光子)写为MCNP[2]的面源文件,再用MCNP程序模拟靶内20MeV以下的中子的输运。国外学者[3]在实验中发现,当入射质子能量不大于1GeV时,核间级联采用EL模型所得的结果比采用,条件允ISABEL模型,另外,20～150MeV能量段以下有待证实,所以引入预平衡模型加以改善。

2　计算结果

211　源强特点

为了分析源强对中子学性能的影响,计算了高120cm、半径为30cm的圆柱体铅靶在不同能量的质子流从顶面中心入射时的中子产额。在计算中,设质子流为具抛物线分布、半径为10cm的圆质子束。由于ISABEL模型适用的能量上限为1GeV,而Bertini模型没有这样的能量限制,为了使在600MeV～2GeV能量段内的计算结果具有一致性,对核间级联采用Bertini模型。

1　计算模型与方法

111　散裂过程

高能质子轰击物质时发生的散裂反应是一个多次碰撞的过程,可用级联和蒸发两个步骤来描述。近GeV能量的质子的波长小于原子核内核子间的平均距离,入射质子将和靶内单个粒子产生准自由碰撞。碰撞过程中,质子将能量部分或全部传递给碰撞粒子,并碰撞出p、

图1示出中子产额随质子能量的变化。可见,铅靶的中子产额随射束能量的增加而增加,单位束流功率的中子产生率在约115GeV时

π介达到饱和。这是因为入射质子能量太高,

子的产生截面增大,产生每个中子平均所需的能耗便增大。同时还看到,质子能量低于800MeV时,中子产额急剧下降,效率大大降低,所以,散裂中子源一般采用中能约1GeV质子束。

利用LAHET和MCNP程序对ADS散裂中子靶进行模拟计算。因靶的基本物理性质随束流和靶形状的变化而改变,所以首先评估了源强和靶的几何形状对靶性质的可能影响,然后计算长1.2m、直径为0.6m的圆柱形液态铅靶在1GeV质子轰击下,靶内中子的产生和泄漏及能量的沉积等。与文献数据、实验

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图1　中子产额随质子能量的变化

Fig.1　Neutronproductionasafunctionoftheprotonenergy

图2　中子产额和泄漏额(a)及在20MeV以下的泄漏中子比Rn(b)

Fig.2　Neutronproduction,leakage(a)andleakageneutron(<20MeV)fraction(b)

asafunctionoftargetdiameter

■———产额;○———泄漏额

212　靶形状的影响

散裂靶设计的一个重要方面是希望得到的低能中子总产额最大,同时,还要考虑到低能中子在靶内产生后,从靶中泄漏出去才能被利用这一情况。所以,增大泄漏也是散裂靶设计的一个目标。在靶材料和入射质子能量已定情况下,上述要求主要通过靶的几何设计实现。

情况。,半径为10cm,能量为1GeV。固定靶高为120cm,分别对半径为15、20、25、30和35cm的方案进行计算。计算结果示于图2。由图2可见,随着半径增大,质子在它们逃离靶区前有更多产生中子的机会,所以,产生的中子相应增多。同时,铅的中子吸收截面较低,大部分的中子泄漏出靶区。随着半径的增大,中子在它们逃离靶区前会有更多碰撞,泄漏出去的中子总体能量分布往低能方向偏移。能量为20MeV以下的泄漏中子占全部泄漏中子的比额从半径为15cm时的93160%升为35cm时的97138%。

图3　散裂中子的能谱

Fig.3　Energyspectraofspallactionneutrons

■———核内级联(Nn/Np=9198);○———蒸发和裂变(Nn/Np=18169);&———总中子数(Nn/Np=28187)

产生中子和泄漏中子的能谱,泄漏中子占产生

中子的93138%,,,(5)可见,距底部100cm处中子泄漏额达到最大值

。

保持质子束流强度不变,选取靶高为120cm、半径为30cm,分别对中子产额、泄漏

额和能量沉积进行细致的计算分析。213　中子的产额及其能谱

214　靶内能量沉积的空间分布

为了得到整个靶区能量沉积的空间分布,将靶区沿径向平均分为30份,轴向平均分为

30份,共分为900个单元,分别进行计算,计算结果示于图6。

结果显示,1GeV的质子入射靶区后,能量

图3示出散裂中子能谱。可见,1GeV质子流入射铅靶后,大多数的中子在复合核的蒸发和高能裂变中产生,能量较低。能量大于20MeV的中子主要来自核内级联。图4

示出

利用LAHET和MCNP程序对ADS散裂中子靶进行模拟计算。因靶的基本物理性质随束流和靶形状的变化而改变,所以首先评估了源强和靶的几何形状对靶性质的可能影响,然后计算长1.2m、直径为0.6m的圆柱形液态铅靶在1GeV质子轰击下,靶内中子的产生和泄漏及能量的沉积等。与文献数据、实验

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以上的粒子能量沉积为63816MeV,共有77517MeV的能量在靶中沉积。从图6可见,

能量沉积在靶中的分布很不均匀:在轴向上,远

离入射面时迅速减少;在径向上,以原点为峰点,形成随半径对称的尖峰分布,且随半径的增加,能量沉积急剧减小。在靶的前端产生的热最多,在中心的第1个分区中的能量密度最高,达到194W/(mA cm3)。

图4　靶内产生的中子及泄漏中子的能谱

Fig.4　Energyspectraofneutronsproduced

inthetargetandleakageneutrons

1———产生谱(Nn/Np=28187);2———泄漏谱(Nn/Np=26196

)

3　结论

本文计算结果显示,源强和几何的选择会对中子产生和泄漏造成很大的影响。用液态铅作为散裂靶时,中子产额和泄漏额较高,泄漏能谱在可利用范围内(大多中子能量小于20MeV),但能量沉积在靶中的分布很不均匀,可能给传热带来问题。

[4,5]一致,的好,这说明用参考文献:

[1]　PraelRE,erGuidetoLCS:The

LAHETCodeSystem:LA2UR28923014[R].

图5　进入靶侧壁的中子的轴向分布

Fig.5　Spatialdistributionofspallationneutronsenteringtheverticaltarget

wall

USA:LosAlamosNationalLaboratory,1989.[2]　BriesmeisterJF.MCNP———AGeneralMonte

CarloN2ParticleTransportCode:LA2137092M,Version4C[R].USA:LosAlamosNationalLa2boratory,2000.

[3]　NifeneckerH,MeplanO,DavidS.Accelerator

DrivenSubcriticalReactors[M].France:InstitutdesSciencesNucleaires,2002.195～217.[4]　丁大钊,叶春堂,赵志祥,等1中子物理学———原

理、方法与应用[M]1北京:原子能出版社,2001.

84～85.

[5]　BroedersI.NeutronPhysicsAnalysisofAcceler2

ator2drivenSubcriticalAssemblies[J].Nuclear

图6　靶内的能量沉积

Fig.6　Energydepositioninthetarget

EngineeringandDesign,2000,202(2):209～218.

大部分沉积在靶中。由MCNP计算得到的

20MeV以下的中子和光子的能量沉积为13711MeV,由LAHET计算得到的20MeV

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/56hq.html