强流中子发生器中子源特性模拟及快中子诱发锕系核素裂变物理研究

摘要

D-D/D-T强流中子发生器是重要的准单能加速器中子源，其特点是在低能D束流条件下产生较高中子产额的中子，且中子单能性好，在快中子物理、快中子应用技术及核数据测量等领域有着重要的应用价值。D-Be反应在低能D束下也能产生与D-D产额相当的中子强度，尽管其中子能谱连续，因使用金属Be靶，靶寿命长，易冷却，近年来也被广泛关注和研究。随着快中子增殖反应堆、钍基熔盐反应堆、ADS工程等新型核能利用系统的发展，对快中子诱发锕系核素裂变核数据的研究提出了新的需求。核数据的评价工作中，一方面需要利用加速器中子源开展快中子诱发锕系核素裂变核数据测量；另一方面需要发展裂变反应理论模型和计算程序，开展裂变反应核数据的计算。本文开展了强流中子发生器的物理设计，并对D-D、D-T和D-Be反应的中子辐射场进行了计算；开展了快中子诱发锕系核素裂变核数据测量前的相关模拟工作；发展了一种新的势驱动模型，开展快中子诱发锕系核素裂变过程相关物理量的计算和模拟，并对所发展的势驱动模型的可靠性及普适性进行了分析和评价。本研究主要内容包括：
　　⑴根据强流中子发生器的整体技术指标，提出了 D束流前分析方案。总体设计方案为：强流ECR离子源产生氘离子混合束(D+、D2+和D3+)，经磁透镜聚焦，与分析磁铁匹配，氘离子混合束经分析磁铁得到单一的D+离子束流，并匹配注入400 kV的加速管中加速，后经一组三单元四极磁透镜聚焦，轰击在磁流体真空密封水冷大面积旋转靶上，发生2H(d,n)3He、3H(d,n)4He或者9Be(d,xn)等核反应，产生中子。采用PBGUNS程序完成了ECR离子源引出系统束流模拟工作，确定了引出系统结构为三电极结构，给出了引出 D束流的品质参数。完成了前分析低能传输线、加速管、束流后传输系统各元件的结构设计和电磁场分布模拟。在此基础上，采用BEAMPATH程序开展了中子发生器束流传输系统束流传输状态的模拟，确定了束流传输系统方案和各元件电磁参数。结果显示，所确定的方案，能够将大于40 mA的D+离子束流传输到靶上，靶点束斑直径控制在Ф20 mm范围内。提出了磁流体真空密封高速旋转靶设计方案，并对靶面温度进行了初步模拟计算。结果显示，当前D+束流设计方案下，靶上束流还不能运行在450 keV/40 mA的额定设计指标，只能在26 mA束流强度下运行，要达到40 mA束流强度指标，还需要进一步研究和发展旋转靶技术。
　　⑵开展了D-D、D-T和D-Be加速器中子源中子辐射场的计算与评估。采用Multi-layer模型计算得到了低能D束流条件下（Ed<1.0 MeV），D-D、D-T反应的积分中子产额、能谱和角分布数据。D-D、D-T反应的积分中子产额随着入射氘束能量的增大而增大，不同氘钛比(TiDx)或氚钛比(TiTx)厚靶，积分中子产额也不尽相同；厚靶D-D、D-T反应中子源中子能谱有一定的展宽分布，不同出射角的中子能谱展宽不一样，0°和180°方向能谱展宽较大，90°—120°区间，中子能谱展宽很小，在此角度区域，D-D、D-T中子的单能性较好；D-D、D-T反应中子有明显和特殊的角分布，随着入射氘束能量的增大，中子角分布的各向异性特征也将越显著。同样采用Multi-layer模型计算得到了D束流能量小于20.0 MeV范围内的D-Be反应的积分中子产额、能谱和角分布数据，将计算结果与实验数据相互比较，两者符合较好。根据所设计的强流中子发生器的D+离子束流指标(氘束流能量450 keV，束流强度40 mA)，D-D、D-T和D-Be加速器中子源在该D束流指标下的积分中子产额可分别达到2.2×1011 n/s，1.1×1013 n/s和3.0×1011n/s。经分析，Multi-layer模型计算的积分中子产额数据的不确定度主要来自于阻止本领的不确定性，积分中子产额计算结果的不确定度不大于15％（D-Be反应不考虑截面误差的情况下）。
　　⑶开展了D-T快中子诱发典型锕系核素裂变反应的Monte Carlo模拟研究。根据Multi-layer模型计算的D-T反应中子源中子能谱、角分布数据，建立了中子源辐射场模型(Ed=450 keV)和辐照样品几何模型，采用Geant4程序模拟研究D-T快中子诱发典型锕系核素232Th和238U裂变过程。采用Geant4程序模拟给出了裂变碎片在样品中沉积份额随样品厚度的变化，结果显示，当232Th或238U样品厚度达到1.0mm时，样品中裂变碎片沉积份额已达到99.92%，适用于实验中“直接γ能谱法”测量裂变碎片产额分布，可作为实验样品的参考厚度。采用Geant4程序分别模拟D-T快中子诱发232Th和238U裂变过程，得到了裂变碎片产额分布。对于232Th(n,f)反应，Geant4程序模拟结果与实验数据、ENDF库中评价数据符合较好；对于238U(n,f)反应，Geant4程序模拟结果与实验数据、ENDF库中评价数据之间存在明显差异，尤其在质量数A=105-125范围内，差异更为显著。说明Geant4程序的裂变物理模型(Geant4 fission model)并不具备计算普适性。因此，有必要深入研究中子诱发重核裂变物理机制，发展更加科学、更高计算精度、更强普适性的裂变物理模型，为裂变反应核数据的计算、模拟和评价提供支持。采用Geant4程序仿真模拟了D-T快中子辐照232Th和238U样品后，样品发射的衰变γ射线在HPGe探测器中的响应能谱及能谱随冷却时间的演化，通过对能谱的分析和特征γ峰的识别，预言采用“直接γ能谱法”实验测量裂变碎片产额分布，大约能测到30多种裂变产物的相对产额。
　　⑷势驱动模型(Potential-driving model)的发展及评价。基于裂变碎片质量分布特征及双核(DNS)理论模型，提出了一种新的势驱动模型(Potential-driving model)。势驱动模型考虑了壳效应和对效应对重核裂变的影响，结合能量相关的蒸发中子模型，建立了完整的核子-核子对称裂变势和核子-核子非对称裂变势。利用所发展的势驱动模型，计算得到的中子诱发锕系核素（232Th、235U、238U、237Np、239Pu）裂变的发射中子前裂变碎片质量分布数据能够很好地与实验数据符合一致，且适用于入射中子能量为En=0.5-160 MeV的范围。即在较宽中子能区对不同的锕系核素，势驱动模型能够较高精度地计算、重建、预测发射中子前裂变碎片质量分布。将势驱动模型(Potential-driving model)植入Geant4程序，替换Geant4原有的裂变物理模型(Geant4 fission model)。Geant4调用势驱动模型(Potential-driving model)和衰变物理过程(Decay Physics Process)，模拟了D-T快中子诱发锕系核素裂变的发射中子后裂变物理过程，得到了D-T快中子诱发232Th、233U、235U、238U裂变的裂变碎片产额分布，并将计算数据和实验数据、ENDF/B-VII.1评价数据、Geant4 fission model计算数据进行了对比，结果显示，势驱动模型计算的232Th(n,f)、233U(n,f)、235U(n,f)、238U(n,f)反应的独立产额、累积产额分布趋势与实验数据、ENDF/B-VII.1评价数据完全一致。相比于Geant4裂变物理模型，势驱动模型不但能够准确地描述中子诱发的裂变核在断点时刻的态势分布，高精度地定量计算发射中子前裂变碎片质量分布，而且能够在Monte Carlo程序中准确地描述裂变后物理过程、物理量，势驱动模型具有更优的计算精度，更强的预测能力和更深远的应用意义。

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第一章 绪论

1.1 中子及中子物理

1.2 中子诱发锕系核素裂变物理研究的意义

1.3 中子源物理与技术

1.4 D-D/D-T强流中子发生器的研究现状及应用前景

1.5 本论文研究内容

第二章 强流中子发生器的物理设计

2.1 引言

2.2 D-D/D-T强流中子发生器总体设计概述

2.3 强流ECR离子源和低能束线模拟与设计

2.4加速系统和后传输束线的模拟与设计

2.5 水冷大面积高速旋转靶设计

2.6 总结

第三章 中子发生器中子辐射场计算

3.1 引言

3.2 厚靶D-D/D-T加速器中子源中子辐射场计算

3.3 厚靶D-Be加速器中子源中子辐射场计算

3.4 总结

第四章 D-T快中子诱发锕系核素裂变的MC模拟研究

4.1 引言

4.2 Geant4程序及其裂变物理模型综述

4.3 D-T快中子诱发锕系核素裂变的Geant4模型

4.4 D-T快中子诱发 232Th裂变反应模拟[119]

4.5 D-T快中子诱发 238U裂变反应模拟

4.6 总结

第五章 中子诱发锕系核素裂变物理研究

5.1 引言

5.2 核裂变理论

5.3 势驱动模型研究中子诱发锕系核素裂变

5.4 势驱动模型在Geant4程序中的应用

5.5 总结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

在校期间的科研成果

致谢