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1、第27卷第6期高能物理与核物理Vol.27,No.62003年6月HIGHENERGYPHYSICSANDNUCLEARPHYSICSJun.,20033加速器驱动的反应堆系统固态钨靶的优化研究111222万俊生 张颖 张利兴 于洪伟 夏海鸿 丁大钊1(西北核技术研究所九室 西安 710024)2(中国原子能科学研究院 北京 102413)摘要 文中就加速器驱动的反应堆系统靶的几何设计、泄漏中子产额、泄漏中子能谱及靶中能量沉积问题进行了研究.提出了钨饼与水层组成的组合靶概念,在中子产额影响较小的情况下,较好地解决了固态靶散热
2、问题.关键词 固态散裂靶 加速器驱动的反应堆系统 能量沉积 中子产额1 引言的,采用的是级联计算模型:首先在高能粒子和靶核发生弹性或非弹性作用之前,模拟高能粒子因诱发90年代初重新提出加速器驱动系统(ADS)靶原子电离而本身损失能量使其运动速度放慢的过后[1—3],在世界上形成了一个新的研究热点,国内也程;接着质子与靶核发生作用,其中有些作用将会使相应开展了概念研究工作和原理性实验装置理论认靶核发生散裂反应(质子进入靶核与核内核子碰撞,证工作[4—6].把核子碰出核外)而释放中子等粒子,这一过程在该类反应堆由一散裂中子源驱动
3、,驱动堆的性HETC软件内采用Bertini核内级联模型计算,用LA2能很大部分将由散裂中子源决定.散裂中子产额大HET软件计算时,可选择ISABEL模型或Bertini模小决定系统的能量放大系数和核废料的嬗变效率,型;这些被释放的粒子将继续与其他靶核作用,直到同时中子能谱在靶表面的分布决定反应堆的运行特其能量不足以与其他核发生作用或被靶核捕获为性:活性区的燃耗分布、裂变能量分布、倒料频率等.止.而那些由于发生过核反应而处于激发态的剩余因此,ADS概念一经提出,人们首先想到的是进行靶核将发生裂变或粒子蒸发等过程而退激.[15
4、]物理的研究,确定散裂中子产额[7—10],同时利用散裂LAHET软件对铅散裂靶的计算结果表明,中子进行长寿命核废料嬗变研究[11—13].LAHET软件对研究泄漏中子产额、中子能谱及其分钨是最佳的固体散裂靶材料之一,因此:1)钨靶布、能量沉积及其分布具有较强的功能,模拟结果与的散裂中子产额较大;2)钨及其合金的熔点高.但实验结果及其国际比对结果接近.解决钨靶的散热问题和最佳散裂中子产额是该靶应本文研究1GeV质子束轰击钨靶的情况,质子用的关键.本工作针对我国概念性设计的装置所用束沿钨靶的中心轴线入射,在靶上的斑点为<=的1
5、GeV质子束轰击钨靶的情况进行了理论模拟研1cm,计算投入质子数为10000.究,优化了靶参数,对钨靶泄漏中子产额,靶内能量沉积和泄漏中子能谱进行了理论研究和分析.3 圆柱型钨靶研究[14][16]2LAHET程序简介在研究不同能量质子轰击标准铅靶时,在质子低能区,大部分质子能量用于靶原子的电离,当质LAHET程序是在HETC软件的基础上发展起来子能量为100MeV时,有86%的质子损失在原子电2002-10-18收稿,2003-02-08收修改稿3973项目(G1999022600)资助537—541538高能物理与核物理
6、(HEP&NP) 第27卷离上,随着质子能量增加,电离损失减少,但这时产生的高能(能量大于10MeV)二次粒子增加,由高能二次粒子带出靶区而损失的能量增加,当质子能量为116GeV时,由于高能二次粒子带出靶区而损失的能量达19%.这两种能量损失对中子产额的影响起决定作用.图2 多层组合靶结构示意图对于此处研究的1GeV质子轰击圆柱形钨靶,(a)中的深色部分是钨饼,厚度为L,无色部分是水流空隙,当靶直径一定时,随靶长L的增加,虽然用于靶原厚度为H;(b)是(a)的截面图.子的电离而损失的能量有所加大,
7、但质子在靶区与靶核反应几率增大,此外,高能次级粒子逃逸出靶区5 靶物理参数的几率也降低,由其带出靶区而损失的能量随之降低,泄漏中子产额增大.但靶长增到一定程度时,随选钨饼厚度为10mm,钨饼个数为39,改变水隙着靶长的加长,由于靶对散裂中子的吸收也随着增层厚度,用1GeV质子轰击组合靶,计算表明,泄漏大,泄漏中子产额不会再增加,如图1所示.由图1中子产额随水隙层厚度的增加而降低:1mm厚水隙可见,对于<20cm的圆柱形钨靶,当钨靶长为60cm层时泄漏中子产额为2116nPp,2mm厚水隙层时为-1时泄漏中子产额接近最大为23
8、16np.图1中也给2014nPp,3mm厚水隙层时为1915nPp,4mm厚水隙层出了质子在靶中的能量沉积和高能(能量大于时为1817nPp.因此下文研究的主要为1mm厚水隙10MeV)二次粒子带出靶区而引起的能量损失情况:层的情况.随着靶长增加,靶内的能量沉积加大,但高能二次粒图3给出
