低能中子在锆中产生的辐照损伤的计算机模拟研究

以GEANT4为基础采用蒙特卡罗方法对能量为1 MeV的中子在锆 材料中的输运过程进行了模拟分析. 首先计算得出: 反冲核的能量主要分布在1 keV和15 keV之间, 中子和靶核发生两次弹性碰撞的平均空间距离为29.47 mm. 由于中子和靶核在发生连续两次弹性碰撞过程中产生的两个反冲核能量较低, 它们的空间距离又比较大, 由此可以推测出: 由初级离位原子产生的后续级联碰撞可以看做是一系列独立的子级联碰撞过程, 同时也计算了中子在靶材的不同深度区域内产生的反冲核数目和平均能量. 其次, 利用蒙卡方法计算得到的结果, 采用分子动力学方法, 分别计算了五种不同能量下的初级离位原子产生的级联碰撞情况, 给出了初级离位原子的能量与其产生的次级离位原子数目之间的关系以 及不同能量下的初级离位原子产生的损伤区域范围等情况, 通过蒙特卡罗方法和分子动力学方法的结合, 给出了能量为1 MeV的中子在锆材料中产生的初级辐照损伤分布图像. 关键词： 辐照损伤 级联碰撞 蒙特卡洛模拟 分子动力学     

中国散裂中子源靶站重要部件的辐照损伤计算与分析

本文采用高能粒子输运程序MCNPX 2.5.0,对中国散裂中子源(CSNS)靶站重要部件所使用的钨、SS316不锈钢与Al-6061等材料,由于中子与质子辐照所引起的损伤能量截面与原子离位截面进行了计算,对钨靶体、靶的不锈钢容器、慢化器与反射体的铝容器等部件的辐照损伤量——原子离位次数(displacement per atom,DPA)进行了计算与分析,并给出了质子束斑形状对靶体及靶容器DPA峰值的影响. 这些计算与分析对正在建设的中国散裂中子源靶站的设计及参数选择具有重要的实际意义. 关键词： 中国散裂中子源 损伤能量截面 原子离位截面 DPA     

利用BUU模型研究11Li的核反应总截面和双中子剥去截面

发展了BUU模型,能够同时研究双中子晕结构核¹¹Li引起反应的核反应总截面和双中子剥去截面,计算中使用软的核物质状态方程和0.8倍的核子–核子碰撞截面,同时还用相对论平均场模型计算的中子和质子密度代替通常使用的方密度分布,计算结果可以很好地拟合不同反应系统的实验数据,假定对于晕核及其核芯核,彼此的核反应总截面与相互作用截面之间的差别相同,那么¹¹Li的双中子剥去截面可以表示成”Li及其核芯核⁹Li引起反应的核反应总截面之差,研究结果表明这一假定可以适用于高能,对于中能核反应需要更多的实验数据来检验.     

质子和中子在硅中位移损伤等效性计算

基于蒙特卡罗软件Geant4,探讨质子与硅的库仑散射和核反应及中子与硅的核反应产生反冲原子沉积非电离能量的过程,建立质子和中子在硅中的非电离能量阻止本领计算方法。在此方法中,描述了原子间库仑散射的物理过程,模拟带电粒子与晶格原子之间的屏蔽库仑散射。计算得到不同能量质子和中子在硅中因库仑散射和核反应产生反冲原子的非电离能量沉积及阻止本领的等效性,计算结果与中子ASTM标准及文献计算得到的质子数据符合很好。     

中能重离子碰撞中晕核反应动力学

基于同位旋相关量子分子动力学研究了中子晕核和质子晕核的核反应动力学，着重研究了松散的晕结构对于重离子碰撞中的碎裂和动量耗散中的特殊作用. 为了突出晕核松散结构在反应动力学中的特殊作用. 同时计算了在完全相同入射道条件下相等质量稳定弹核引起核反应. 通过对晕核和稳定核核反应动力学结果的对比分析，发现晕核的松散结构对核反应动力学的作用和影响是重要的. 如这种松散结构明显的增加了碎裂多重性；相反, 减小了原子核阻止(动量耗散). 关键词： 中子晕核 质子晕核 重离子碰撞 核反应动力学     

基于蒙特卡罗模拟研究锆钛酸铅镧材料的中子辐照损伤

锆钛酸铅镧(Pb_0.94La_0.06Zr_0.96Ti_0.04O₃,PLZT)具有良好的介电和储能性质,是高效、高能量密度电容元件和存储器件的基体材料.为研究该材料的中子辐照损伤,首先基于Geant4程序包模拟了能量为1—14 MeV中子辐照浩钛酸铅镧(PLZT)材料产生的反冲原子能谱,然后根据产生的反冲原子种类和最大能量,利用二元碰撞方法模拟了不同能量的离子在PLZT中产生的位移损伤(包括空位和间隙原子),最后根据反冲原子能谱和对应能量离子在材料中产生的缺陷数目计算了不同能量的中子在PLZT材料中产生缺陷浓度以及分布.结果发现,对于1—14 MeV能区的快中子而言,其在厚度为3 cm的PLZT材料中产生的缺陷数目近似与中子能量无关,约为460±120空位/中子.辐照损伤在3cm厚度内随深度的增加而略有减小,总体变化小于50%,该减小主要是由于中子的反散射导致.本工作为计算中子在材料中的位移损伤提供了一种方法,同时模拟结果可为研究PLZT基电子器件的中子辐照效应提供指导.     

氮化镓在不同中子辐照环境下的位移损伤模拟研究

电子器件中的半导体材料经过中子辐照后产生大量位移损伤,进而影响器件性能,氮化镓(GaN)材料是第三代宽禁带半导体, GaN基电子器件在国防、空间和航天等辐射服役环境中具有重要应用.本文利用蒙特卡罗软件Geant4模拟了中子在GaN材料中的输运过程,对在大气中子、压水堆、高温气冷堆和高通量同位素堆外围辐照区四种中子辐照环境下GaN中的初级反冲原子能谱及加权初级反冲原子能谱进行了分析.研究发现:在四种辐照环境下GaN中初级反冲原子能谱中,均在0.58 MeV附近处出现不常见的"尖峰",经分析该峰为核反应产生的H原子峰,由于低能中子(n, p)反应截面较大,该峰的强弱和低能中子占总能谱的比例有关;通过对比四种中子辐照环境下GaN中初级反冲原子能谱分布可知,大气中子能谱辐照产生的初级反冲原子能量更低、分布范围更广,裂变堆能谱下较高能量的初级反冲原子的比例较大,大气中子和高通量同位素堆辐照环境下的初级反冲原子能谱与加权初级反冲原子谱形状更相似,结合核反应产物对电学性能的影响,高通量同位素堆外围辐照区更适合用于模拟GaN在大气中子环境下的辐照实验.该结果对GaN基电子器件在辐射环境下长期服役评估研究和GaN材料的反应堆模拟中子辐照环境实验研究具有参考价值.     

从晕中子核引起核反应中提取对称势

利用同位旋相关量子分子动力学理论研究了中子晕核引起核反应机制中重要的同位旋效应以提取对称势. 因为同位旋相关量子分子动力学理论中的相互作用和介质中核子-核子碰撞截面都灵敏地依赖于碰撞系统的密度分布, 本项研究工作基于中子晕核扩展的密度分布. 该密度分布包含了反应机制中同位旋效应和疏散内部结构的平均特征. 为了弄清楚晕核引起核反应机制的同位旋效应, 在完全相同的入射道条件下, 比较了由中子晕核炮弹引起的同位旋效应和由相等质量的稳定核炮弹引起同位旋效应. 结果发现中子晕核炮弹引起的发射中子-质子比和同位旋分馏比明显大于相等质量稳定弹核产生的结果. 因而可以通过理论结果与实验数据的系统比较提取对称势.     

ST嬗变堆中心柱的中子学及中子辐照效应研究

基于先进核数据库ENDF/B-VI和计算机程序对ST嬗变堆中心柱的中子学及辐照损伤的二维分析计算结果，分别对中心柱导体因中子辐照影响而引起电阻率、电阻、电流和欧姆电阻功率等的沿径向不均匀分布，以及辐照损伤对中心柱热工水力问题及更换寿命的影响进行了分析和计算。结果表明，中子辐照直接改变了中心柱导体材料的电阻率分布。热工-水力学分析和计算表明，电流不均匀分布可显著地延长中心柱的使用寿命，并估算出ST嬗变堆中心柱设计的更换寿命大约8年。     

中能区丰中子核反应总截面与中子过剩自由度的关系研究

发展了一个适用于计算中能区核反应总截面的修正微观模型,讨论了中子皮厚度,基态形变及与中子过剩自由度有关的核物质弥散度对核反应总截面的影响.计算结果和现有实验数据的比较表明,与中子过剩自由度有关的核物质弥散度是反应总截面随中子过剩增加而迅速增加的一个重要因素.     

中子注量率波动修正因子及其应用

在中子核反应研究中,尤其是在利用活化法进行中子核反应截面测量研究时,需要准确测量样品辐照的中子注量。监督反应标准截面法简便可行,在一些核反应截面测量研究中经常用来定量样品辐照的中子注量。在利用监督片核反应剩余核的放射性活度计算平均中子注量率时,中子注量率波动修正因子是一个很重要的参数。对中子注量率波动修正因子进行了详细阐述,通过理论推导给出了中子注量率波动修正因子的定义,从实际应用出发讨论了中子注量率波动修正因子的使用条件和监督反应的选择原则。Incident neutron flux has to be measured accurately in the neutron reaction study especially in the neutron reaction cross-section measurement with activation method. Average neutron flux in the irradiated sample is usually determined by the monitor reaction with reference cross-section values. However, the average incident neutron flux, based on the radioactivity of the residual nuclei produced in the monitor reaction, is dependent upon the neutron flux fluctuation. In the procedure of the average neutron flux calculation, the correction factor for the neutron flux fluctuation plays a key role. In this paper, definition of the neutron flux fluctuation correction factor is inferred heoretically. The selection principles of the monitor reaction and the utilization of the correction factor have been discussed.     

中子诱发16O双微分截面的理论分析

应用已经发展的轻核反应新模型理论,计算和分析了中子诱发^16O反应截面,比较和分析了出射中子双微分截面的理论计算结果和实验数据,从理论计算结果与实验的符合情况看,这一理论和方法对于计算轻核的双微分截面是成功的。     

中国散裂中子源二期靶站关键部件辐照损伤模拟计算

中国散裂中子源一期工程于2018年通过国家验收,当前束流功率已经达到140 kW.为进一步提高靶站慢化器输出中子强度,已经提出中国散裂中子源二期500 kW功率升级计划.靶站关键部件长期受到高通量、高能量的粒子辐照,会产生较强的辐照损伤,影响着这些部件的使用寿命.本文首先使用PHITS3.33程序计算了钨、SS316不锈钢、6061铝合金3种材料的质子和中子原子离位截面以及氢、氦的产生截面,并分析了NRT (Norgett-Robinson-Torrens)模型和热平衡前原子复位修正(athermal recombination corrected,ARC)模型对材料离位损伤的影响.在此基础上结合中国散裂中子源二期靶站基线模型计算了靶站关键部件在500 kW的束流功率下运行5000 h产生的原子离位次数(displacement per atom,DPA)以及氢、氦的产额.计算结果表明,钨靶受辐照后产生的NRT-dpa,ARC-dpa,H和He产额最大值分别为8.01 dpa/y (1 y=2500 MW·h),2.39 dpa/y,5110 appm/y (atom parts pe...     

56,54Fe(n, α)53,51Cr, 56,54Fe(n,p)56,54Mn反应截面计算及普适性模型参数优化研究

基于中子与Fe发生反应产生“氢泡”,及“氦泡”对新型核能利用系统壁材料的影响,开展了中子诱发56,54Fe(n, α)53,51Cr, 56,54Fe(n, p)56,54Mn反应截面计算研究工作。本工作根据现有的56,54Fe(n, α)53,51Cr, 56,54Fe(n, p)56,54Mn反应实验数据、评价数据,对TALYS程序调用的物理模型(包括能级密度、对修正、核温度、光学势参数等)进行参数调校,得到了一组普适性强的模型参数。基于调校的参数,本工作采用核反应程序TALYS理论计算56,54Fe(n, α)53,51Cr, 56,54Fe(n, p)56,54Mn反应的截面、能量微分截面以及双微分截面,全部数据都能与实验数据、评价数据符合较好,且适用于较宽的中子能量区间0~175 MeV。本工作提出了56,54Fe(n, α)53,51Cr, 56,54Fe(n, p)56,54Mn反应的普适性模型参数,促进了核反应理论的发展,为核数据的评价奠定了基础。     

MEND——一个计算250MeV以下中重核数据的程序

基于球型光学模型、预平衡发射和Hauser-Feshbach统计等理论,编制了MEND程序(Medium Energy Nuclear Data),该程序适用于中重原子核在入射粒子能量低于250 MeV的中低能区的全套核数据计算。对于中子和质子在250 MeV以下诱发的核反应,其全截面、反应截面、弹性散射微分截面、双微分截面和能谱等理论计算值与相应的实验值基本一致。MEND是计算中低能核反应的基础程序,在我国已被广泛用于核数据计算及建立中能核数据库。     

n+11B反应的理论计算和分析

在统一的豪泽–费许巴赫理论和激子模型的基础上,利用光学模型来处理中子诱发轻核核反应的一种新理论已经产生.利用这一新理论,对当入射中子En≤20MeV时n+¹¹B反应的所有反应截面,出射中子和α粒子的双微分截面进行了计算.通过比较理论计算的各种截面,出射中子总的双微分截面与实验数据,可以认为这一理论模型处理轻核核反应是很成功的.     

(α,n)反应中子产额与能谱计算方法

发展了(α,n)反应中子产额与能谱蒙特卡罗直接模拟方法,该方法采用通用的连续碰撞方法与SRIM程序计算的阻止本领模拟 α粒子慢化过程,采用基于JENDL/AN-2005加工后ACE格式数据库计算(α,n)反应中子产额与能谱.基于NPTS程序研制了(α,n)反应模拟功能,轻核(α,n)反应产额与实验结果符合较好,B、F、...     

中子晕核引起核反应中的同位旋效应

利用同位旋相关的量子分子动力学(IQMD)对中子晕核，⁸He和¹⁰He引起核反应中重要的同位旋效应和松散的中子晕结构影响的平均特征进行了研究.因为IQMD中的互作用势和介质中核子-核子碰撞截面灵敏地依赖于碰撞系统的密度分布.而扩展的中子晕密度分布包含了中子晕核的同位旋效应和松散的中子晕结构的平均特征，从而将这些信息通过动力学碰撞带入到反应机理中. 为了清楚地鉴别中子晕核带入反应机理重要的同位旋效应和松散中子晕结构的影响，通过比较中子晕核和相等质量稳定弹核在相同入射道条件下，所得物理观测量之间的差别加以确定.计算结果确实发现具有初始晕核信息的中子扩展密度分布将重要的同位旋效应和松散中子晕结构带入到各种物理观测量中.例如与相等质量稳定相比，中子晕核的晕特征引起了原子核阻止的降低；并明显地增加了核子发射中子-质子比和同位旋分馏比. 关键词： 中子晕核 原子核阻止 核子发射中子-质子比 同位旋分馏比     

晕核反应机制与内部结构之间的关系

在对中子晕核和质子晕核反应机制研究的基础上, 经仔细分析和对比, 进一步展现晕核反应机制和它的内部结构之间存在着内在的关系. 计算结果分析表明, 由于所选中子晕核¹¹Li的结构比质子晕核²³Al的结构更加松散, 故与²³Al比较,¹¹Li更易碎裂, 因而导致碎片多重性明显增加. 同时由于¹¹Li的松散结构导致两体碰撞过程的减弱, 因而导致动量耗散的减弱, 故与²³Al对比, 将引起原子核阻止明显减少.     

113Cd在0.01～20MeV能区中子诱导核反应的光学模型计算

基于核反应的光学模型和相应的实验数据,采用计算机自动调节势参数的方法,得到了中子入射¹¹³Cd能量为0.01～20Mev区间的一组光学势参数,并对实验数据少的核的光学参数调节方法进行了探讨。根据该参数对¹¹³Cd计算了中子诱导核反应弹性散射角分布和各种截面。理论计算值与实验数据符合很好。