国际核数据研究进展及状况

国际核数据实验研究现状及进展,中国原子能科学研究院核数据重点实验室阮锡超2013.7.24，四川绵阳,目录,各种反应截面测量方法简介国际核数据研究现状国内核数据研究现状,反应截面测量方法简介,中子全（总）截面测量：透射法,透射率,全截面,低能区中子全截面测量示意图,中高能区中子全截面测量示意图LANSCE,(n,g)反应截面测量：两种最精确的测量方法,活化法：n+AXA+1X,如果A+1X不稳定，有合适的半衰期，则可通过测量A+1X的活度，进而获得反应截面,优点：通常情况下可以获得较高的精度，2%缺点：只能测量单能点,伽马全吸收法(量能器法),(n,g)反应过程,伽马全吸收法精确测量(n,g)反应截面,(n,g)反应截面测量系统,40个BaF2组成的伽马全吸收型探测器阵列基于FADC的全波形数据获取系统精确测量(n,g)反应截面,裂变截面测量,原理：中子引起裂变，通过裂变碎片的测量来标记裂变事件。主要设备：裂变电离室或TPC及相应的电子学与数据获取系统TPC可用于裂变截面的精确测量，1%,裂变电离室,TPC,弹性散射截面测量,通过弹性散射微分截面测量，并经过角度积分得到,非弹性散射截面测量,n+An+A*+,通过非弹性散射中子的微分截面测量，并经过角度积分得到通过测量非弹伽马，并利用衰变刚图数据获得反应截面通过伽马与中子的符合测量获得,方法1：,优点：直接测量，各种修正少缺点：难以达到高分辨，很多能级分不开,51V的次级中子能谱,方法2：,GELINA上的中子非弹性散射截面测量装置,这种方法也可用于测量伽马产生截面！,优点：HPGe伽马探测器具有极高的能量分辨，基本上所有非弹伽马可以分开。缺点：需要准确的能级刚图，才能得到准确的数据。,入射中子能量小于440keV，只有弹性散射入射中子能量介于440和2076keV之间，只有第一个能级的伽马入射中子大于2076keV，440keV的伽马有两个来源：第一非弹和第二非弹的级联过程,方法3：,德国nELBE装置上的中子非弹性散射截面测量装置,优点：中子与伽马同时测量，可以获得较好的分辨，有些能级无需刚图数据。缺点：效率较低，效率的准确性需要大量的工作。,(n,x)反应截面测量(x代表带电粒子),活化法：需要产物核不稳定而且有合适的半衰期，适合做测量直接测量出射的带电粒子能谱及角分布,中子引起的出射带电粒子(主要为p、d、t、3He和4He等轻带电粒子)的数据在基础研究、应用研究（中子治癌、辐射防护、SEE、ADS数据、材料辐照损伤）等方面都具有重要的意义。,通过dE1-dE2-E望远镜系统可清楚地分辨各种粒子,瑞典Uppsala大学的(n,x)反应测量装置,1米直径的带电粒子靶室8路E-E-E望远镜系统主要用于中能中子(n,x)反应次级粒子双微分截面测量,(n,2n)，(n,3n)等反应截面测量,活化法：需要产物核不稳定而且有合适的半衰期，适合做测量直接测量出射中子的符合通过测量子核的伽马，例如(n,2n)、(n,3n)，推出(n,2n)及(n,3n)反应截面,169Tm(n,2n)168Tm相关核和反应的示意图,直接中子法,活化法,瞬发射线法,直接中子法：大闪烁液体球,优缺点点|探测本效底率较高大,图大闪烁液体球谱仪,美国LANSCE上的GEANIE装置,伽马法：优点：本底可以控制得较低缺点：需要借助理论模型，会引入较大的不确定度,次级中子双微分截面测量,分角度出射的中子能谱,飞行时间谱仪,样品辐照及裂变率监测Gamma谱获取,235U,裂变产额测量,14MeV中子诱发232Th裂变质量分布,替代反应法测量核数据,一些放射性核素（如超U元素、裂变产物核等）的反应截面，直接测量极其困难，则可以通过替代反应来进行。,例子：利用+236U反应来获得239Pu的(n,2n)反应截面,国际核数据研究现状,目前，国际上的核数据研究主要是针对：新型核能系统：第四代反应堆、ADS、聚变堆等核武器（不公开）其他方面美国、欧洲、日本有核数据研究最强的力量中国、俄罗斯、印度、韩国等中子源：美国的LANSCE欧洲的GELINA、CERNnTOF日本的J-PARC、中国即将建成的CSNS等,研究重点U、Np、Pu裂变谱和值；锕系及次锕系核素的(n,f)、(n,)截面；裂变产额的完整测量；标准截面的测量；产物核、结构材料核的(n,)、(n,n)截面；结构材料全截面。新需求下的相关核数据测量（未来十年核数据需求-IAEA）。,30/48,美国核数据发展动态,洛斯阿拉莫斯实验室中子源的中子通量和中子能量范围,WeaponNeutronResearch武器中子研究中子源,核数据测量关键因素：中子源:宽能区、高注量率；样品:稳定和不稳定同位素及同核异能态)；探测器系统(高效率、高空间分辨)以及电子学和数据获取处理的计算机系统。,33/48,34/65,欧洲核数据发展动态,GELINA,CERNnTOF,CERNnTOF的新的中子靶,核数据评价方面：核模型反应理论研究美国LANL正致力于裂变理论的研究，发展理论方法解决对裂变过程的描述、裂变碎片的质量分布等问题，开发裂变相关的程序。下图给出了过去几年，LANL在锕系核素次级中子发射谱研究、瞬发中子谱和瞬发伽玛谱研究、裂变放能研究、裂变位垒的理论预言、R矩阵方法计算裂变截面、235mU(n,f)截面理论评价几个方面所取得的成果的事例。,裂变产额的测量和评价ORNL、LANL、ANL、INL、NBS和HEL多家实验室合作，开展235U、238U、239Pu6个重要裂变产物裂变谱产额数据，重点在于精，数据误差小（实验测量误差2.5%！）、可信度高，特别对于判定147Nd、99Mo在裂变谱能区产额的走向非常重要。与此同时大力气评价给出239Pu重要产物99Mo、147Nd、95Zr、140Ba、144Ce等裂变谱数据产额数据，0.5MeV能点，误差1.0%，精度非常高（一般35%），给出0.5-2.0间产额能量关系，特别是147Nd；把裂变谱产额数据细分为0.5、2.0MeV。,61/48,锕系核素次级中子发射谱研究,瞬发中子谱和瞬发伽玛谱研究,235,238U,239Pu裂变放能研究,裂变位垒的理论预言,R矩阵方法计算裂变截面,235mU(n,f)截面理论评价,62/48,协方差数据与灵敏度分析研究协方差评价方法的研究（高、低可信度）和灵敏度分析是当前国际评价核数据界的热点。美、日正积极不断地完善其评价数据库的协方差文档。为满足急需，截至2010年底，四个美国国家实验室合作，花大力气运用他们的协方差程序系统（Emipre+KALMAN，McGNASH+KALMAN）完成了393个核素低可信度协方差数据的评价和110个核素高可信度协方差的评价；并计划在2011-2014完成9Be、12C、50,52,5,54Cr、63,65Cu、55Mn、58,60,61,62,64Ni等核素的协方差评价。争取在2014底重点核都有高可信度的协方差。在运用协方差文档开展核装置宏观参数灵敏度分析方面：美国ORNL完成了能够进行基于一维、二维确定论中子输运和三维蒙卡中子输运的灵敏度计算的SCALE/TSUNAMI程序，能够计算核装置keff、反应率等宏观参数对多群常数的灵敏度，能够计算临界装置中核数据引起的宏观参数不确定度。,63/48,在运用协方差文档开展核装置宏观参数灵敏度分析方面：美国ORNL完成了能够进行基于一维、二维确定论中子输运和三维蒙卡中子输运的灵敏度计算的SCALE/TSUNAMI程序，能够计算核装置keff、反应率等宏观参数对多群常数的灵敏度，能够计算临界装置中核数据引起的宏观参数不确定度。欧洲、日本也已经完成了相关的计算系统的开发和研制。,64/48,核数据宏观检验美国LANL未来五年将开展高浓铀裸球（GODIVA）及其238U反射层装置（FLATTOP）等早期临界实验的重新测量；同时，开展含硼装置、高浓铀钒反射层装置的临界实验测量；开展Pu球聚乙烯、有机玻璃、铜、铅、钨、锰、镍等材料作反射层的次临界实验。日本原子力研究所在FNS/JAEA装置上完成了铅块的聚变谱屏蔽基准实验。捷克和俄罗斯在物理和动力工程研究所(IPPE)合作完成了镍球的聚变谱屏蔽基准实验。欧洲的NEA/Databank正在进一步完善国际核临界安全手册，基准实验装置的数量增至4283个。美国下一个五年将发展与国际核临界安全手册相结合的自动化评价数据检验系统，发展灵敏度分析与不确定度分析工具、截面数据、协方差和积分数据。目前，LANL正在开展ENDF/B-VII.1的宏观检验工作。日本已经对JENDL-4.0库在裂变应用方面进行了深入、系统的宏观检验，相比于JENDL-3.3库，JENDL-4.0库锕系、少锕系核素评价数据的改进显著；部分裂变产物生成量的计算也有所改善。美国和欧洲正在联合开发的将物理参数的不确定性和计算高可靠性积分实验的积分量的不确定性联系起来的方法，开展核数据调整方法的研究，改进核反应理论模型计算中所用的核参数。,65/48,全套评价中子数据库发展趋势：美、日、欧等主要核数据大国都在积极提高自己的评价库水平（包括核素范围、数据种类、质量以及数据库的更新频率等），特别是增加相关的核数据协方差文档方面。,66/48,67/65,我国最新全套评价中子数据库和美国库的比对,我国最新版数据,美国最新版数据,小结：国际核数据工作发展趋核数据工作规模不断扩大；关键核数据精确度不断提高；新型测量装置不断涌现；中子源强更高、能区更广；不稳定核研究比重不断地加强；国际合作加强。（CIELO计划、WPEC、IAEA等1H，16O，56Fe，235,238U，239Pu）,2013国际核数据大会特邀报告,68/48,国内核数据研究现状,中国核数据工作的组织机构,第一阶段（60s-1980）解决有无问题。重点核全套中子评价数据和一些重要专用核数据完成任务：1、a:实验测量热中子引起235U裂变截面数据（当时已有数据分歧很大，在540-610b之间）：b:235U、239Pu的裂变平均瞬发中子数以及中子数的分布测量（非常重要数据，239Pu的瞬发中子平均数美苏两家就相差6%）,评价与建库方面,2、37个重点核全套中子评价数据（文档1-4）和一些重要专用核数据；3、完成了38个核素的激发函数、38种裂变产物的产额和169个核素的衰变数据的评价；4、建立中重核统一的模型计算程序MUP系列，初步建立了计算机化的评价系统。成果评价：满足了急需求；初步建立了核数据评价系统的框架，一些研究成果靠近国际水平。,71/48,第二阶段（1980-2000）建立相关方法手段全套数据库、专用数据库完成任务：全套中子数据库（161个核素）专用核数据库（470个反应道激发函数，中子89核390个反应道，带电粒子16个核80个反应道、1000多个产物核全套通用产额、70个重点固体及气体裂变产物产额、5个重点固体产物核的产额能量关系、240个放射性衰变数据多群常数库（80核素WIMS69群常数、30核素SCALE-4123群常数）建成了可用于轻核、中重核和重核模型计算的UNF程序系统。成果评价：部分成果具有国际水平，在国际上率先给出了结构材料相互自洽的天然元素及其同位素的全套中子数据。与国际上其他数据相比较好地解决了能量平衡问题。建立了统一的核模型计算程序UNF。,72/48,第三阶段（2000-2010）提高核数据质量完成任务：CENDL246个核全套中子数据库；WT核数据库（第一、二版）40重点裂变产物产额，239Pu56个短寿命产物核产额；16重要核素和指示剂核素及邻近核素(n,2n)和（n,）激发函数；56核素的衰变数据。群常数数据库：200个核素群常数库；专用数据库：20个核全套中子数据和1000多种裂变产额数据；1数据库：6个气体产物核产额及产额能量关系；25个短寿命和10个气体产物核衰变数据；2数据库：5个最重要裂变产物核产物能量关系评价;给出了10个的激发函数并完成10个核素的衰变数据评价；初步建成了评价数据库宏观系统检验的平台。成果评价：整体水平国际先进、部分成果国际领先，轻核数据国际唯一、系统宏观检验开始、协方差方法开始建立、不稳定核方法研究。,73/48,评价核数据阶段相关统计,相关数据涉及核素数量,74/48,75/65,第一阶段完成的全套评价中子数据,Z,76/65,第二阶段完成的全套评价中子数据,77/65,第三阶段完成的全套评价中子数据,激发函数（94个中子、18个带电粒子反应道测量与评价）,国际领先，低能中子影响的扣除。成果：三次国家级二等奖,78/48,实验测量方面,79/48,裂变产额,衰变数据,进行了重要裂变产物核的衰变数据研究，建立了多探测器接力法，提高了实验效率，降低了实验难度。完成了56Co、66Ga的主要分支比测量与评价。通过对文献数据的进一步更为细致的分析，对文献数据进行了系统修正，使各家测量数据分歧由原来的2（56Co）和3（66Ga）提高到1和1.3以内，据此我们给出了新的评价意见，精度和可信度较文献值有较大提高。,运用多探测器接力法，达到国际领先水平。,80/48,次级中子微分截面及双微分截面测量,建立了伴随粒子型飞行时间谱仪、常规多探测器快中子飞行时间谱仪、非常规多探测器快中子飞行时间谱仪、氚气体靶装置等。填补了大量微分及双微分截面实验数据的空白，尤其是8-14MeV能区首创的非常规谱仪方法得到国际同行的广泛认可和应用,解决破裂中子影响问题，填补了8-14MeV能区微分及双微分截面测量空白，达到国际领先水平。,81/48,原子分子物理,这些研究工作均获国内多项奖。,产生截面,氘-氘聚变反应高能射线产额的实验研究,82/48,嬗变核废料的加速器驱动次临界系统关键技术研究（ADS）完成ADS专用微观数据库的建设和检验。中子能量到200MeV与重要靶材料和结构材料等12个同位素、入射中子能量到20MeV与5个裂变材料核、入射质子能量到200MeV与重点靶材料、结构材料等10个同位素相互作用截面、角分布和能谱。分为中子评价核数据库和质子评价核数据库。完成ADS用中子多群常数库以及多群常数制作系统。完成ADS专用微观数据理论模型计算程序（MEND和APMN）和评价方法的改进与完善。建立裂变核中能（入射粒子能量在60MeV以下）核反应理论模型计算程序。根据ADS次临界反应堆优化设计的需求，给出相应的靶和靶窗物理数据，包括靶窗的几何设计、靶和靶窗材料选择、靶泄漏中子产额、空间能谱分布、角分布等，以及散裂碎片累计、靶的放射性废物活度累计、靶和靶窗辐射损伤和能量沉积等。,研究成果达到国际领先水平。,83/48,原子能院的加速器中子源,HI-13串列加速器端电压13MeV通过D(d,n),T(d,n)可得到8-22MeV的准单能中子小串列端电压2.5MeV，可获得0.5MeV-7MeV的单能中子600KV倍加器可得到3MeV及14MeV中子无白光中子源无法开展共振能区的工作,84/48,以上工作都是在国内现有中子源的条件下开展的,国内现有中子源情况,此外，四川大学的回旋和静电加速器，北京大学的静电加速器，九院的倍加器，其能量和强度不超过以上所列,我们希望,我们已有,高水平的核数据测量工作需要高性能的中子源,因此，CSNS的建立为国内核数据和相关中子物理研究提供了很好的机会！,反角中子管道实验室布局,优点：只要加速器开，就有中子提供实验，与其他实验互不干扰，因此束流时间充足（5000h/y）缺点：非专用加速器，束流时间结构不能专为核数据设计，不能加慢化体根据这个中子源的特点，发挥相应的优势，开展相应的工作，对国内来说，也是一个质的飞跃（投资相对很少）,CSNS中子源能谱及强度与国际同类装置的比较,CSNS时间分辨与CERNn_TOF的比较（与LANSCE比较的话，应该性能接近）,全截面测量(通过透射率测量获得),打算建立：换样品装置不同种类的探测器以适应不同能区的中子探测电子学与数据获取系统,裂变截面测量,原理：中子引起裂变，通过裂变碎片的测量来标记裂变事件。主要设备：裂变电离室或TPC及相应的电子学与数据获取系统TPC可用于裂变截面的精确测量，1%,多用途中子探测阵列,双飞行时间测量系统：脉冲束裂变室之间的T