加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)高能核數(shù)據(jù)庫的制作及應(yīng)用

李勛昭，吳宏春，鄭友琦，周生誠，何明濤

（西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

近年來，加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）作為可使核能大規(guī)模、可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)路線在國際上形成了一個研究熱點(diǎn)，研究表明ADS是理想的長壽命放射性廢物焚燒爐［1］，是嬗變次錒系核素（MA）的有效技術(shù)途徑之一。ADS主要是由質(zhì)子加速器、散裂靶及次臨界堆芯組成，質(zhì)子加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子轟擊重核散裂靶產(chǎn)生高能的散裂中子，從而驅(qū)動次臨界堆芯發(fā)生核反應(yīng)，以達(dá)到嬗變核廢料和增殖核燃料的目的。

目前，對于ADS反應(yīng)堆核設(shè)計采用的核數(shù)據(jù)庫主要是基于現(xiàn)有的反應(yīng)堆核設(shè)計的核數(shù)據(jù)庫或改進(jìn)后的核數(shù)據(jù)庫。大多核數(shù)據(jù)庫的能量上限為20 MeV，而ADS 中，散裂中子源的中子能量分布范圍廣、跨度大，可從10-5eV 到GeV。現(xiàn)有的專用核數(shù)據(jù)庫忽略20 MeV 以上的中子數(shù)據(jù)對ADS的影響，這必將給ADS的核設(shè)計帶來一定的偏差。

為分析高能核數(shù)據(jù)對ADS性能參數(shù)的影響，本文基于JENDL-HE-2007高能中子評價庫［2］，使用NJOY程序［3］加工適用于蒙特卡羅程序計算的ACE格式的ADS專用核數(shù)據(jù)庫NECL-HE／MC，并采用一系列的基準(zhǔn)題實(shí)驗例題對該核數(shù)據(jù)庫進(jìn)行校核以檢驗數(shù)據(jù)庫的合理性。最后基于NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫，分析不同能量段的散裂中子源對ADS外中子源效率的影響。

1 NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與制作

1.1 NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫的NJOY建模

NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫主要是針對ADS的蒙特卡羅程序模擬計算使用。該核數(shù)據(jù)庫的格式為ACE格式，制作流程如圖1所示。評價庫來源日本的JENDL-HE-2007。JENDL-HE-2007包含能量高達(dá)3GeV 的106種核素的中子核反應(yīng)數(shù)據(jù)。由于NJOY 程序版本的問題，其中235U 和14N 兩種核素?zé)o法成功加工制作。本文共加工104種核素的高能核數(shù)據(jù)庫。

圖1 NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫制作流程Fig.1 Processing sequence of NECL-HE／MC nuclear data library

1.2 NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫制作參數(shù)選擇

本文加工的核素的溫度均取300K。制作過程中主要參數(shù)選擇列于表1。

表1 NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫制作參數(shù)Table 1 Parameter of NECL-HE／MC nuclear data library

2 NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫的數(shù)值驗證

2.1 散裂靶模型的計算

使用MCNPX［4］模擬計算質(zhì)子束和208Pb靶的相互作用。計算模型參考MCNPX 說明書中附錄E 的例題1，靶直徑為10cm，長為30cm，質(zhì)子束直徑為7 cm。分別采用LA150N 數(shù)據(jù) 庫、IAEA-ADS截 面 庫［5］網(wǎng) 站 上1GeV 的208Pb數(shù)據(jù)庫以及NECL-HE／MC 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行MCNPX 模擬計算，質(zhì)子束的能量分別取1、1.5、2、2.5、3GeV。散裂中子產(chǎn)額如圖2所示。3種核數(shù)據(jù)庫吻合良好。1GeV 質(zhì)子束轟擊208Pb靶產(chǎn)生的散裂中子能譜如圖3所示。散裂中子能譜分布趨勢一致。在低能量段，由于評價庫來源不同，散裂中子能譜偏差較大，在高能段，散裂中子能譜曲線幾乎重合。

圖2 采用不同核數(shù)據(jù)庫計算的不同能量質(zhì)子束轟擊208Pb靶的散裂中子產(chǎn)額Fig.2 Spallation neutron yield of 208Pb target with different energy incident protons and nuclear data libraries

圖3 1GeV 質(zhì)子束轟擊208Pb靶產(chǎn)生的散裂中子能譜Fig.3 Spallation neutron spectrum of 208Pb target with energy of 1GeV incident proton

2.2 臨界基準(zhǔn)實(shí)驗裝置的驗證

利用國際臨界安全基準(zhǔn)評價實(shí)驗（ISBEP2006［6］）中 的 高 富 集235U 裝 置、中 富集235U 裝 置、低 富 集235U 裝 置、Pu 裝 置、U-Pu裝 置和233U 裝 置6 類 臨 界 裝 置 對NECL-HE／MC 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了數(shù)值驗證?；贜ECLHE／MC數(shù)據(jù)庫和西安交通大學(xué)NECP實(shí)驗室自主開發(fā)的基于ENDF／B-Ⅶ.0［7］的NECL-1.0／MC［8］數(shù)據(jù)庫，使用MCNP5［9］統(tǒng)計keff，以及在10×10-5～0.625eV、0.625eV～100keV和100keV 以上3個能量區(qū)間的中子注量率、并將統(tǒng)計結(jié)果與臨界安全基準(zhǔn)實(shí)驗裝置實(shí)驗值進(jìn)行比較。各實(shí)驗裝置的描述列于表2。具體的幾何及材料描述見國際臨界安全基準(zhǔn)評價實(shí)驗手冊ISBEP2006。keff計算結(jié)果如圖4所示。NECL-HE／MC和NECL-1.0／MC的結(jié)果基本一致，NECL-HE／MC 大多的計算結(jié)果與實(shí)驗值吻合良好。

臨界基準(zhǔn)題在10×10-5～0.625 eV、0.625eV～100keV 和100keV 以上3個能量區(qū)間的中子注量率列于表3，NECL-HE／MC和NECL-1.0／MC 的 結(jié) 果 基 本 一 致，NECLHE／MC的計算結(jié)果更傾向于實(shí)驗值。NECLHE／MC與實(shí)驗的keff的結(jié)果基本吻合。

3 NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

3.1 外中子源效率的定義和計算模型的建立

外中子源效率是評價ADS的重要參數(shù)之一。本文基于NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫，建立簡化的ADS計算模型，模擬散裂中子源對ADS外中子源效率的影響。外中子源效率φ＊為：

將散裂中子源的能量分為4段，分別為0～5、5～20、20～150、150～1 500 MeV。對于每個能量段Si內(nèi)的外中子源效率φ＊i 可表達(dá)為：

通過簡單的推導(dǎo)，可得到總外中子源效率與各能量段外中子源效率的關(guān)系，表達(dá)式如下：

式中，〈〉表示積分算符。

表2 臨界安全基準(zhǔn)實(shí)驗裝置描述Table 2 Description of criticality safety benchmark experiment assembly

圖4 臨界安全基準(zhǔn)題keff比較Fig.4 Comparison of criticality safety benchmark keff

質(zhì)子束能量為1.5GeV，燃料為彌散體燃料（TRU-10Zr）-Zr＊。超鈾核素（TRU）中包含Pu向量和241Am。分別設(shè)置keff為0.94、0.96及0.98。

3.2 計算結(jié)果及分析

不同次臨界度下各能量段散裂中子源對外中子源效率的影響列于表4。計算結(jié)果表明，2.5%的高能散裂中子源（高于20 MeV）對外中子源效率的貢獻(xiàn)在20%左右，同時在一定的次臨界范圍內(nèi)，這種貢獻(xiàn)值基本保持穩(wěn)定。散裂中子源的能譜分布對外中子源效率的影響至關(guān)重要，由于本文所設(shè)計的模型中，散裂中子源主要分布在0～5MeV的能量區(qū)間內(nèi)，但很明顯的是低能段由于散裂中子源能譜相對高能區(qū)較軟，故相應(yīng)的外中子源效率比較小，隨著散裂中子源能量的增加，外中子源效率急劇增加，甚至高達(dá)20左右，遠(yuǎn)大于20MeV 以下中子能量段所引起的外中子源效率。散裂中子源的能譜對外中子源效率的影響很大，同時，如果忽略高能散裂中子源，將會給ADS設(shè)計帶來較大的偏差。

表3 臨界安全基準(zhǔn)題中子注量率比較Table 3 Comparison of criticality safety benchmark neutron fluence rate

表4 不同次臨界度下各能量段散裂中子源對外中子源效率的影響Table 4 Effect of spallation neutron source for different energy segments on external neutron source efficiency under different sub-criticalities

4 討論及結(jié)論

本工作針對ADS具有中子能量范圍廣、跨度大的特點(diǎn)，基于JENDL-HE-2007中子評價庫，使用NJOY 程序成功地加工NECL-HE／MC核數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過簡單的高能散裂靶和國際臨界安全基準(zhǔn)題實(shí)驗裝置的驗證，驗證了該核數(shù)據(jù)庫的可靠性與合理性。針對散裂中子源對ADS外中子源效率的影響，設(shè)計了一簡化的ADS模型，分析了不同次臨界度下，0～5、5～20、20～150、150～1 500 MeV 4個能量段的散裂中子源對外中子源效率的影響，研究表明，2.5%的高能散裂中子源（高于20 MeV）對總外中子源效率的貢獻(xiàn)在20%左右，同時在一定的次臨界范圍內(nèi)，這種貢獻(xiàn)值基本保持穩(wěn)定。高能散裂中子源不容忽略。

由于高能數(shù)據(jù)基準(zhǔn)題（尤其是達(dá)到GeV 以上數(shù)據(jù)）的缺乏，NECL-HE／MC 核數(shù)據(jù)庫的驗證還存在不足，有待進(jìn)一步的驗證。高能散裂中子源對ADS的外中子源影響較大。對ADS設(shè)計的其他參數(shù)（如結(jié)構(gòu)材料的原子離位損傷）的影響有待進(jìn)一步分析研究。

［1］ 趙志祥，夏海鷗.加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）與核能可持續(xù)發(fā)展［J］.中國核電，2009，2（3）：202-211.ZHAO Zhixiang，XIA Haihong.Study on ADS and the sustainable development of nuclear energy［J］.China Nuclear Power，2009，2（3）：202-211（in Chinese）.

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