高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)處理方法

張環(huán)宇，劉 萍，吳海成

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

中高能核反應(yīng)具有與低能核反應(yīng)不同的特性和反應(yīng)機(jī)制，近年來(lái)受到廣泛的關(guān)注和研究[1]。例如在加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)ADS中，源中子為高能散裂中子源，中子的能量可達(dá)102MeV甚至GeV，在裂變包層內(nèi)散裂中子和裂變中子的綜合作用下，中子能譜跨度可從10 eV到GeV。中高能核技術(shù)應(yīng)用的研究對(duì)評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)提出了更高要求，近年來(lái)國(guó)際上關(guān)于中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)的研究也取得了較大進(jìn)展，也產(chǎn)生了多個(gè)高能中子評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)通過(guò)CRP項(xiàng)目聯(lián)合世界各國(guó)，為ADS建立了專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用庫(kù)ADS-lib。

粒子輸運(yùn)程序MCNP[2]是ADS中子學(xué)計(jì)算分析過(guò)程中重要的計(jì)算程序，該程序的運(yùn)行需將評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)制作成ACE格式的連續(xù)能量點(diǎn)截面文檔。對(duì)于低能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)已擁有較成熟的處理經(jīng)驗(yàn)，但在處理較高能量上限的評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)過(guò)程中尚存在障礙。因此，為滿(mǎn)足ADS等中高能核裝置的蒙特卡羅輸運(yùn)計(jì)算需求，本文開(kāi)展中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)處理方法的研究。

1 中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)ACE格式處理方法

1.1 中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介

目前，國(guó)際上的高能、中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)主要來(lái)自于美國(guó)、日本、歐洲以及IAEA。表1列出了國(guó)際上主要的高能、中高能中子反應(yīng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀。其中，日本的高能、中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)JENDL-HE的能量上限最高，達(dá)3 GeV。

表1 高能、中高能中子反應(yīng)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀Table 1 Current status of high and medium-high energy neutron reaction data

對(duì)于低能(中子能量NE<20 MeV)核反應(yīng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，在其文檔6(MF=6)中通常給出的是次級(jí)中子能量角度分布(即雙微分截面)，如MF6/MT16代表(n,2n)雙微分截面。當(dāng)入射中子能量大于20 MeV時(shí)，由于核反應(yīng)的復(fù)雜性，許多反應(yīng)截面是無(wú)法分開(kāi)的，因此，在高能(NE>200 MeV)、中高能(20 MeV

1.2 中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)的ACE格式處理程序

Ruler[3]是我國(guó)自主研發(fā)的群常數(shù)制作軟件，它通過(guò)共振重造、溫度展寬、不可分辨共振自屏處理、熱散射處理等物理處理后，將ENDF-6[4]格式的評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)文件加工制作成PENDF格式的點(diǎn)的評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)文件，繼而通過(guò)多群模塊的處理，計(jì)算出GENDF格式的中子多群截面、群到群的散射矩陣等多群常數(shù)，再通過(guò)多群常數(shù)接口模塊的加工處理，制作專(zhuān)用的堆芯物理多群常數(shù)庫(kù)(如WIMS-D格式的堆芯物理多群常數(shù)庫(kù))。但Ruler程序系統(tǒng)目前尚未完成ACE格式接口模塊的開(kāi)發(fā)，因此采用Ruler與NJOY[5]程序系統(tǒng)耦合的方法進(jìn)行高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)ACE格式文檔的制作，其流程如圖1所示。

其中熱散射截面計(jì)算模塊TSC、氣體產(chǎn)生截面處理模塊GASPR、ACE格式接口模塊ACER均需對(duì)MF6文檔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

與低能(NE<20 MeV)核反應(yīng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)不同，中高能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的MF6/MT5包含了總的質(zhì)子、氘、α等粒子產(chǎn)生截面，未給出各分反應(yīng)道的數(shù)據(jù)。研究表明，在制作高能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的ACE庫(kù)時(shí)一定要運(yùn)行GASPR模塊，將氣體產(chǎn)生反應(yīng)數(shù)據(jù)(MT=203～207)加到PENDF數(shù)據(jù)文件中，否則就會(huì)丟掉氣體產(chǎn)生截面。

1.3 ACER模塊的改進(jìn)

基于高能評(píng)價(jià)庫(kù)JENDL-HE-2007，采用Ruler耦合NJOY程序系統(tǒng)制作高能ACE庫(kù)時(shí)，測(cè)試版本包括NJOY2016[6]、NJOY99.364及NJOY99.396，制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以上版本的NJOY程序均不能將235U等一些核素制作成ACE格式數(shù)據(jù)庫(kù)，在運(yùn)行ACER模塊時(shí)程序終止運(yùn)行，但使用同樣的輸入卡、同樣的NJOY程序系統(tǒng)，卻可加工其他評(píng)價(jià)庫(kù)的235U的中子評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)(包括IAEA-ADS網(wǎng)站上能量上限為1 GeV的235U的中子評(píng)價(jià)數(shù)據(jù))，而JENDL-HE-2007的能量上限達(dá)3 GeV，使得ACER模塊無(wú)法運(yùn)行。

圖1 中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)的ACE格式處理流程Fig.1 ACE format processing flow of medium-high energy evaluated nuclear data

在上述各版本的NJOY程序系統(tǒng)中，中國(guó)核數(shù)據(jù)中心內(nèi)部版本NJOY99.396穩(wěn)定性相對(duì)較好，通過(guò)對(duì)該版本ACER模塊的研究，對(duì)該模塊中acelf6子程序(處理ENDF格式數(shù)據(jù)中文檔6數(shù)據(jù)的子程序)進(jìn)行了修改，將該子程序通用產(chǎn)額存儲(chǔ)空間進(jìn)行了擴(kuò)展。搭載調(diào)整后的ACER模塊，建立了新的NJOY99.396.c10程序系統(tǒng)，并采用Ruler耦合NJOY99.396.c10成功將JENDL-HE-2007的235U等核素制作成ACE庫(kù)。

2 中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)ACE格式處理方法的測(cè)試與驗(yàn)證

2.1 ACE格式文檔的繪圖測(cè)試

為確保采用Ruler耦合NJOY99.396.c10系統(tǒng)制作的高能ACE庫(kù)的可靠性及可用性，對(duì)ACE數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)展了制作過(guò)程中的ACE文檔繪圖測(cè)試、釋熱截面檢查及制作完成后的簡(jiǎn)單中子輸運(yùn)問(wèn)題測(cè)試和驗(yàn)證。

采用NJOY99.396.c10程序系統(tǒng)ACER模塊將ACE文檔中的所有截面、角分布、次級(jí)粒子發(fā)射譜等進(jìn)行繪圖，生成PostScript格式繪圖文件。以235U為例，分別對(duì)各反應(yīng)截面、釋熱截面、損傷截面、彈性角分布、粒子產(chǎn)生截面進(jìn)行繪圖測(cè)試(圖2)，均能正常繪制，不存在數(shù)據(jù)記錄不完整、截面數(shù)據(jù)異常無(wú)法繪制等問(wèn)題。

圖2 235U的反應(yīng)截面、KERMA系數(shù)、損傷截面、彈性角分布、粒子產(chǎn)生截面Fig.2 Neutron cross section, KERMA factor, damage cross section, elastic angular distribution and particle production cross section of 235U

經(jīng)測(cè)試，基于JENDL-HE-2007評(píng)價(jià)庫(kù)研制的包含106個(gè)核素的中高能ACE格式數(shù)據(jù)庫(kù)均通過(guò)測(cè)試。

2.2 簡(jiǎn)單輸運(yùn)問(wèn)題測(cè)試與驗(yàn)證

采用MCNPX[7]程序計(jì)算1個(gè)簡(jiǎn)單的中子輸運(yùn)問(wèn)題，對(duì)高能ACE格式數(shù)據(jù)庫(kù)中每種核素進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證問(wèn)題為計(jì)算10-9～3 000 MeV能區(qū)的白光中子源在半徑1 cm、密度2.0 g/cm3的樣品球中心輻照產(chǎn)生的中子表面流量。圖3為12C和235U經(jīng)過(guò)輸運(yùn)問(wèn)題驗(yàn)證計(jì)算得到的泄漏中子譜。

圖3 12C和235U的簡(jiǎn)單輸運(yùn)問(wèn)題測(cè)試中子譜Fig.3 Neutron energy spectra of simple transport problem test on 12C and 235U

經(jīng)驗(yàn)證，所有ACE格式文檔均可正常運(yùn)算。這表明采用Ruler耦合NJOY99.396.c10程序系統(tǒng)制作的中高能ACE格式數(shù)據(jù)庫(kù)適用于蒙特卡羅輸運(yùn)計(jì)算。

2.3 基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于由Ruler耦合NJOY系統(tǒng)制作的JENDL-HE-2007庫(kù)ACE格式數(shù)據(jù)文檔，對(duì)Lawrence Livermore脈沖球屏蔽基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)[8]進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 Lawrence Livermore脈沖球基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)泄漏中子譜Fig.4 Leaked neutron spectrum of Lawrence Livermore pulse sphere benchmark experiment

在2～15 MeV能量范圍內(nèi)，由Ruler耦合NJOY系統(tǒng)制作的JENDL-HE-2007庫(kù)ACE格式數(shù)據(jù)文檔的計(jì)算值與ENDF/B-Ⅶ.1、CENDL-3.1等數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。

由于高能基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)較少，暫未開(kāi)展高能區(qū)，特別是1 GeV以上能量范圍內(nèi)，ACE格式數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性驗(yàn)證。

3 結(jié)論

基于我國(guó)自主研發(fā)的群常數(shù)處理程序Ruler以及現(xiàn)有的群常數(shù)處理系統(tǒng)NJOY99.396，對(duì)ACE格式接口模塊進(jìn)行改進(jìn)，建立了Ruler與NJOY耦合的中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)處理方法，該方法可用于能量上限達(dá)3 GeV的中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)向ACE格式數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)ACE數(shù)據(jù)庫(kù)制作過(guò)程中的ACE文檔繪圖測(cè)試、釋熱截面檢查，以及制作完成后的簡(jiǎn)單中子輸運(yùn)問(wèn)題測(cè)試和驗(yàn)證，證明了新建立的中高能評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)處理方法可用于制作可靠和可用的高能ACE庫(kù)，為滿(mǎn)足ADS等中高能核反應(yīng)裝置的蒙特卡羅輸運(yùn)計(jì)算需求提供了重要的技術(shù)支持。