【摘 要】
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高能强流加速器在核物理基础研究、放射治疗、材料科学、空间辐射、同位素生产以及核能等研究领域发挥重要作用。加速器驱动次临界系统(ADS)利用强流高能质子轰击重金属散裂靶产生的高能中子嬗变核废料,同时实现核燃料的增殖,被认为是具有发展前景的安全清洁核能技术。ADS的设计以及系统中子学的研究需要精确、可靠的核数据支撑。铍和碳等材料是ADS中强流加速器和次临界反应堆的重要结构材料,而钨和铅是散裂靶的候选材
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
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高能强流加速器在核物理基础研究、放射治疗、材料科学、空间辐射、同位素生产以及核能等研究领域发挥重要作用。加速器驱动次临界系统(ADS)利用强流高能质子轰击重金属散裂靶产生的高能中子嬗变核废料,同时实现核燃料的增殖,被认为是具有发展前景的安全清洁核能技术。ADS的设计以及系统中子学的研究需要精确、可靠的核数据支撑。铍和碳等材料是ADS中强流加速器和次临界反应堆的重要结构材料,而钨和铅是散裂靶的候选材料。在ADS中,强流质子轰击散裂靶,除了产生次级中子外,还会产生大量的带电粒子。带电粒子与上述关键材料相互作用产生的次级中子以及高能中子在铍材料中的输运相关核数据是研究强流加速器辐射防护、散裂靶设计、靶堆耦合区域中子学特性的基础。本论文基于ADS研究的核数据需求,开展了氦离子和碳离子诱发反应次级中子产额以及高能中子在铍材料中的输运实验测量工作,对ADS设计及其中子学研究具有重要意义。本文基于中国科学院近代物理研究所RIBLL1实验终端,利用飞行时间法,测量了26.7 Me V/u的4He和80.5 Me V/u的12C离子轰击铍、碳、钨、铅靶不同出射角度的次级中子能谱。通过对实验数据详细地处理与分析,得到了出射中子能谱、次级中子双微分产额以及中子角分布等相关实验数据。同时,使用Geant4、PHITS和FLUKA等蒙特卡洛粒子输运程序结合INCL、JQMD-2.0以及BME物理模型对该实验进行了模拟。结果表明,在4He诱发反应中子产额测量实验中,Geant4使用INCL物理模型很好地再现了铍靶和碳靶实验数据。PHITS结合JQMD-2.0物理模型显著高估了四个靶在0°角的中子产额。FLUKA结合BME物理模型与钨靶和铅靶的实验数据符合最好。在12C诱发反应中子产额测量实验中,对于铍靶和碳靶,三个模拟软件结果相近,与实验数据符合较好。对于钨靶和铅靶,Geant4模拟0°方向的中子能谱与实验数据差异较大。在37°和60°方向,Geant4的模拟结果存在显著的低估。总的来说,对于4He诱发反应,Geant4使用INCL物理模型对于轻靶的实验数据符合最好,而FLUKA结合BME物理模型与重靶的实验数据符合最好。对于12C诱发反应,PHITS结合JQMD-2.0物理模型与实验数据符合最好。通过详细分析模拟结果与实验数据的差异,为相关物理模型进一步改进指出了方向。基于原子能院核数据重点实验室的中子积分装置,开展氘氚中子在聚乙烯、石墨中的输运实验测量,对Geant4和PHITS模拟低能中子输运进行了基准检验,并验证了可靠性。基于中国科学院近代物理研究所RIBLL1实验终端,利用80.5Me V/u的12C离子在钨靶内产生的白光中子轰击铍靶,使用液体闪烁体探测器在0°方向测量泄漏中子能谱。同时利用蒙特卡洛粒子输运程序PHITS结合INCL物理模型,Geant4结合INCL、BIC和BERT物理模型以及ENDF/B-VIII.0、JEFF-3.3、JENDL-4.0评价数据库对该实验进行模拟。结果表明,Geant4和PHITS的模拟结果很好地再现了实验数据。Geant4和PHITS用于高能中子在铍材料中的输运研究是可靠的。
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