陳 沖，鄒 俊，許德政，曾 勤，王明煌，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027；2.中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，安徽 合肥230031）

裂變核電站產(chǎn)生的大量乏燃料和長(zhǎng)壽命高放廢物的管理與處置，一直是社會(huì)和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)廢物最少化，最大限度地減少核電站運(yùn)行產(chǎn)生的高放廢物量及其放射毒性，并將高放廢物安全處置，是關(guān)系到核能可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一?？茖W(xué)研究表明加速器驅(qū)動(dòng)次臨界[1－3］系統(tǒng)（ADS，Accelerator Driven sub－critical System）采用加速器加速質(zhì)子轟擊重金屬散裂靶，通過散裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子來驅(qū)動(dòng)裂變包層發(fā)生核反應(yīng)，可以達(dá)到嬗變核廢料、增殖核燃料并產(chǎn)生能量的目的。

ADS次臨界堆的設(shè)計(jì)與研究必然會(huì)涉及次臨界包層的中子學(xué)計(jì)算與分析工作，而中子學(xué)的計(jì)算分析工作必不可少的條件之一就是要具備比較可靠的并被計(jì)算程序識(shí)讀的工作核數(shù)據(jù)庫(kù)。

在ADS系統(tǒng)中，源中子為高能散裂中子源，中子的能量可以達(dá)到上百M(fèi)eV甚至GeV，而在裂變包層內(nèi)，在散裂中子和裂變中子的綜合作用下，中子能譜跨度可以從10－5eV到GeV，中子能量跨度巨大。而目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的大多數(shù)工作核數(shù)據(jù)庫(kù)的最高能量上限為20MeV。如果在ADS核設(shè)計(jì)研究中，忽略20MeV以上中子反應(yīng)的影響，將會(huì)給核設(shè)計(jì)與分析帶來一定偏差。

為了滿足ADS反應(yīng)堆核設(shè)計(jì)與分析的需求，本文在對(duì)ADS次臨界系統(tǒng)能譜特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合 HENDL[4－7］系列數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并制作了適用于ADS核設(shè)計(jì)分析的數(shù)據(jù)庫(kù) HENDL－ADS／MC，并采用一系列基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)例題對(duì)該核數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了校核以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性與可用性。

1 HENDL－ADS／MC設(shè)計(jì)與制作

點(diǎn)狀輸運(yùn)截面庫(kù) HENDL－ADS／MC適用于MCNP5以及MCNPX等蒙卡程序針對(duì)高能中子輸運(yùn)的計(jì)算。制作HENDL－ADS／MC點(diǎn)狀庫(kù)的評(píng)價(jià)庫(kù) 文件主要來自 FENDL－3.0[8］、ENDF／B－VII[9－10］以及 TENDL2009[11］評(píng)價(jià)源，另 有 部 分 核 素 來 自 TENDL2010[12］、JEFF－3.1.1[13］以及JENDL－4.0[14］等評(píng)價(jià)源。

HENDL－ADS／MC考慮核素共計(jì)408個(gè)，其中包括結(jié)構(gòu)材料Cr、Mn、Fe、W、Pb等，錒系核素中的Th、U、Np、Pu、Am、Cm等的常見同位素以及它們相應(yīng)的裂變產(chǎn)物核素。對(duì)于結(jié)構(gòu)材料和裂變產(chǎn)物其中子能量可達(dá)150MeV或200MeV，對(duì)于重核其中子能量可以達(dá)到30MeV或60MeV。對(duì)于所有核素制作了300K下的點(diǎn)狀截面，同時(shí)考慮主要裂變產(chǎn)物、錒系核素在反應(yīng)堆的實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，制作了這些核素在500K、600K、700K、800K、900K、1 200K、1 500K以及2 100K 下的截面數(shù)據(jù)。

2 基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)例題測(cè)試

2.1 重核測(cè)試

對(duì)于HENDL－ADS／MC核數(shù)據(jù)庫(kù)中的錒系重核，采用歐洲經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織OECD（Organization for Economic Cooperation and Development）2003年9月頒布的《國(guó)際臨界安全基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)手冊(cè)》[15］中的12個(gè)臨界球基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)例題進(jìn)行測(cè)試。

本測(cè)試采用FDS自主研發(fā)的大型集成中子學(xué)計(jì)算分析系統(tǒng) VisualBUS[16－21］進(jìn)行計(jì)算，為了更好的進(jìn)行比較，除了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值進(jìn)行比對(duì)之外，另外與MCNP自帶數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算結(jié)果也進(jìn)行比對(duì)，以作參考。計(jì)算結(jié)果比對(duì)中，使用反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)中通常采用的可接受誤差范圍（keff相對(duì)誤差小于0.5%）作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

表1給出了12個(gè)臨界例題測(cè)試的結(jié)果。結(jié)果顯示，一方面，所測(cè)試的核素包括U、Pu、Np、Am、Cm等多種常用裂變核素，基本涵蓋了核設(shè)計(jì)與分析中需要用到的重要裂變核素，另一方面，從測(cè)試的結(jié)果值來看，均與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，誤差大都小于0.5%（除了PU－METFAST－035鉛反射層的239Pu臨界球?qū)嶒?yàn)例題，誤差為0.532%）。

表1 重核測(cè)試結(jié)果（臨界例題）Table1 The test results of heavy nuclei（critical example）

2.2 輕核測(cè)試

輕核中子截面校核積分實(shí)驗(yàn)例題來自俄羅斯聯(lián)邦的高能物理研究所和日本大阪大學(xué)[22］進(jìn)行的一系列的球殼中子積分泄漏率實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)均是在14MeV中子源輻照條件下進(jìn)行的。

使用 VisualBUS系統(tǒng)對(duì) HENDL－ADS／MC中的 Be、Al、Si、Ti、V、Cr、Fe、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、W和Pb進(jìn)行數(shù)值模擬。從中子泄漏率分段積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，比較 HENDLADS／MC計(jì)算結(jié)果與MCNP自帶數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算結(jié)果。校核例題的幾何尺寸及材料信息見參考文獻(xiàn)[5］，測(cè)試結(jié)果詳見表2。

表2 輕核中子泄漏率計(jì)算結(jié)果Table2 The calculation results of light nuclei neutron leakage rate

續(xù)表

通過表2可以看出：Be、Cu、Co的中子泄漏率雖然部分能量段的值與實(shí)驗(yàn)值有較大差別但與MCNP自帶數(shù)據(jù)庫(kù)的偏差在5%以內(nèi)；Zr各個(gè)能段所計(jì)算的結(jié)果雖然與實(shí)驗(yàn)值偏差較大，但比MCNP自帶數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)值；W、Pb的同位素在MCNP自帶數(shù)據(jù)庫(kù)里截面不全，雖然計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值在個(gè)別能量段有所偏差，但它們總的中子泄漏率均在可接受范圍內(nèi)；其他大部分核素較MCNP自帶數(shù)據(jù)庫(kù)的中子泄漏率均有所改善。

27Al各能量段中中子泄漏率均與實(shí)驗(yàn)值有較大差別有的甚至超過20%，下一步需要對(duì)此核素進(jìn)行進(jìn)一步充分的測(cè)試與分析。

2.3 高能屏蔽測(cè)試

為了驗(yàn)證HENDL－ADS／MC核數(shù)據(jù)庫(kù)高能數(shù)據(jù)截面的準(zhǔn)確性，采用日本大阪大學(xué)運(yùn)用AVF回旋加速器進(jìn)行的一系列的高能屏蔽實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與VisualBUS模擬值進(jìn)行比較。

該實(shí)驗(yàn)[23］是在日本大阪大學(xué)的AVF回旋加速器上進(jìn)行，采用高能質(zhì)子束轟擊銅靶來產(chǎn)生高能中子，轟擊鐵板、鉛板、石墨以及混凝土屏蔽層。質(zhì)子在AVF回旋加速器中加速至65MeV，轟擊厚度為1cm的銅靶，通過散裂反應(yīng)在靶的另一面可產(chǎn)生能量高達(dá)65MeV的中子。這些中子通過一個(gè)直徑為7.5cm長(zhǎng)度為50cm的準(zhǔn)直器進(jìn)入屏蔽實(shí)驗(yàn)體。屏蔽層放置到距離瞄準(zhǔn)儀出口5～7cm的位置。次級(jí)中子通過屏蔽層后被直徑為7.6cm長(zhǎng)度為7.6cm的NE－213閃爍體探測(cè)器所探測(cè)到，其裝置見圖1。模擬采用的中子源來自無(wú)屏蔽情況下，探測(cè)器放置在距離靶538cm的位置所測(cè)量的中子能譜（最高能量64MeV，詳細(xì)數(shù)據(jù)見參考文獻(xiàn)[23］）。

圖1 屏蔽層中子測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Model of shielding test device

模擬（圖2～圖5）圖中實(shí)方形為實(shí)驗(yàn)數(shù)值，菱形為L(zhǎng)os Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高能LA150[24］數(shù)據(jù)庫(kù)（中子能量可達(dá)150MeV），HENDL－ADS／MC采用十字符號(hào)以便與以上數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，后面的數(shù)字為屏蔽層的厚度其單位為厘米。從模擬來看HENDL－ADS／MC與LA150數(shù)據(jù)庫(kù)所計(jì)算的結(jié)果幾乎是平行，有的甚至重合，部分?jǐn)?shù)據(jù) HENDL－ADS／MC較LA150更接近實(shí)驗(yàn)值，這說明HENDL－ADS／MC是可信賴的；HENDL－ADS／MC模擬的值與實(shí)驗(yàn)值

有所差別，在屏蔽材料較薄時(shí)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值偏差較小，但是隨著材料的厚度增加，高能中子在屏蔽材料中的輸運(yùn)過程中發(fā)生的碰撞次數(shù)及反應(yīng)次數(shù)會(huì)大大增加，也造成了模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差積累的增大。

表3 屏蔽層尺度Table3 Geometry for shielded model

表4 屏蔽層具體核子密度分布Table4 Nuclei density distribution for shielded model

圖2 中子穿透石墨屏蔽層能譜Fig.2 Neutron spectrum through graphite shields

圖3 中子穿透鐵屏蔽層能譜Fig.3 Neutron spectrum through iron shields

圖4 中子穿透鉛屏蔽層能譜Fig.4 Neutron transmission spectrum through lead shields

圖5 中子穿透水泥屏蔽層能譜Fig.5 Neutron spectrum through concrete shields

3 總結(jié)

本論文針對(duì)ADS具有的中子能量跨度大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作了適用于高能中子輸運(yùn)HENDL－ADS／MC點(diǎn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)，并經(jīng)過國(guó)際臨界安全手冊(cè)及積分屏蔽實(shí)驗(yàn)等基準(zhǔn)測(cè)試?yán)}的測(cè)試以及與高能屏蔽實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)庫(kù)的可用性與準(zhǔn)確性。下一步將會(huì)針對(duì)ADS核設(shè)計(jì)分析展開更多的應(yīng)用分析。

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