加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究ⅰ.原子位移

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1、第34卷第6期原子能科学技术Vol.34,No.62000年11月AtomicEnergyScienceandTechnologyNov.2000加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究Ⅰ1原子位移112311樊　胜,叶沿林,赵志祥,N1M1Sobolevsky,徐春成,陈　陶(11北京大学技术物理系,北京　100871;21中国原子能科学研究院核物理研究所,北京　102413;31InstituteofNuclearPhysics,Moscow,Russia)摘要:考虑了不同入射能量的质子和中子轰击W、Pb靶,利用SHIELD程序

2、系统,研究了我国未来可能使用的靶体的辐射损伤截面、原子位移截面和原子位移率,并同Wechsler的研究结果进行了比较。同时,对116GeV的质子沿中心轴线入射长60cm、直径20cm厚铅靶在不同部位引起的辐射损伤进行了研究,得到合理的结果。关键词:辐射损伤截面;原子位移截面;原子位移率+中图分类号:TL44111文献标识码:A文章编号:100026931(2000)0620499208[1,2]散裂中子靶是加速器驱动洁净核能系统(ADS)的一个关键部分。散裂中子靶和靶窗材料所处的辐射环境和PWR内材料所处的环境有很大的差异。ADS中

3、的靶和靶窗不仅受到[3]中、高能质子的轰击,而且受到能量分布广、平均能量高、高注量的出射中子的辐射。而[4]PWR中的材料处在中子能量范围很窄、平均能量很低、中子注量也低的环境中。因此,靶和靶窗在ADS中受到的辐射损伤和PWR中的材料受到的辐射损伤有极大的不同。研究ADS散裂靶和靶窗辐射损伤,对于靶和靶窗的使用寿命以及ADS的安全运行有重要意义。材料的辐射损伤主要用3个指标来衡量:原子位移、气体产生(主要是H,He)和变形原子的产生。晶体结构材料,其原子是有规律、周期性排列的栅格网状结构。材料的辐射损伤主要来自于栅格原子的位移。位移

4、的形成主要是由于入射核子和靶的原子碰撞或者靶内原子受到激发、发射粒子后的余核反冲引起的,如靶材料原子核俘获一个中子,通过发射γ射线退激引[5,6]起余核反冲。能够引起原子位移的最小能量,即为原子位移阈能Ed。材料中原子发生位移,在晶体栅格中产生原子空穴,这将导致材料性质和特性发生变化,影响材料性能。国外一[7～13]些工作组对一些材料的辐射损伤作过测量,并得出一些结论。本工作主要考虑由中、高能质子和中子轰击W、Pb靶引起的原子位移,利用SHIELD程[14,15]序系统研究我国未来可能使用的靶体的辐射损伤截面、原子位移截面和原子位移

5、率。同时,对116GeV的质子沿中心轴线入射长60cm、直径20cm厚铅靶在不同部位引起的辐射损收稿日期:1999207206;修回日期:1999209220基金项目:国家自然科学基金资助项目(19675003)作者简介:樊　胜(1968—),男,湖南常德人,在读博士后,核物理专业500原子能科学技术　　第34卷伤进行研究。1　辐射损伤计算中、高能粒子入射引起靶材料的辐射损伤,主要是入射粒子和靶原子的弹性散射以及入射粒子和靶原子的非弹性相互作用。在入射能大于100MeV时,辐射损伤的贡献主要来自入射粒子和靶原子的非弹性相互作用。入射

6、能量为E的入射粒子和靶材料中原子发生碰撞,原子获得的反冲能为T,若T大于初级碰出原子(PrimaryKnock2onAtom,PKA)的原子位移阈能,这个原子将从晶体栅格中移开,并引起其它原子位移。PKA动能可以分为两部分:一部分为η(T),引起电子激发;一部分为ν(T),引起原子位移和点缺陷。设入射粒子的质量数和原子序数分别为ZP和AP,入射能为E0,靶的质量数和原子序数分别为ZT和AT,则沉积在靶中的损伤能为:ET^0dxmaxdσE(E0)=N∫dETν(T)dT(1)EdE∫EdTdd式中:N为靶中原子核数目;dE/dx是阻

7、止本领;Tmax是原子获得的最大动能;dσ/dT是原子的PKA能谱。[6]引起点缺陷的部分ν(T)定义为:Tν(T)=(2)1+kg(ε)式中:2/32/3k=0.1345ZT/AT3/41/6g(ε)=ε+0.402ε+3.4ε7/3ε=T/(0.0869×ZT)则损伤截面定义为:Tmaxdσσdamage=∫ν(T)dT(3)EdTd　　原子位移截面定义为:βσdpa=σdamage(4)2Ed[6]式中:β=018。原子位移产生率为:Kd=σdpaΦ(5)式中:Φ为粒子注量。2　计算结果图1示出了利用SHIELD和HETC计算

8、的800MeV质子入射Al、Fe、Mo和W薄靶引起的辐射损伤截面。随着原子序数的增加,质子入射引起的辐射损伤截面增加,由于每一种核的原子位移阈能不一样,原子位移截面的情况也不一样。HETC计算结果在Mo以下均高于SHIELD计算结果。