Библиотеки сечений и файлы данных для исследования процессов радиационной повреждаемости материалов, активации, трансмутации и переноса нейтронов Станковский, Алексей Юрьевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. В различных областях науки и техники возрастает потребность в ядерных данных при промежуточных энергиях. Такие данные (полные сечения, энергетические и угловые распределения образующихся частиц, выходы радионуклидов) при энергиях выше 10 МэВ необходимы при разработке и проектировании перспективных ядерно-энергетических установок - термоядерных реакторов, подкритических реакторов на оскове ускорителей, установок для трансмутации ядерных отходов в жестком нейтронном спектре, мезокаталитических гибридных реакторов.

К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных данных по сечениям, тем не менее этого количества в силу различны* причин (трудность постановки эксперимента, материальные затраты и др.) во многих случаях недостаточно. Но интерес к ядерным данным при промежуточных и высоких энергиях в связи с разработкой перспективных ядерно-энергетических установок постоянно возрастает Поэтому актуальность проблемы получения ядерных данных в объеме, необходимом для детального исследования процессов активации, трансмутации, радиационной повреждаемости материалов и нейтронного транспорта несомненна Такие данные сейчас можно получить с помощью расчетов на основе теоретических моделей

Несмотря на прогресс в развитии моделей, описывающих взаимодействие частиц промежуточных и вьісокігх энергий с ядрами, к настоящему Бремени нет единых и простых подходов, позволяющих определять сечения и спектры вторичных частиц для реакций, протекающих под действием частиц с энергией от - 10 МэВ до ~ 1 ГэВ. Прежде всего это относится к описанию эмиссии кластеров (d, I, ³Не, а и др.) с использованием методов, пригодных для проведения массовых расчетов Методы теории прямых реакций, такие как приближение искаженных волн и метод связанных каналов, позволяют восстановіггь только относительно небольшую область спектра вторичных частиц, связанную с дискретными состояниями остаточных ядер, а предложенные ранее подходы на основе предравновесной экситоннон модели достаточно противоречивы и иногда искаженно воспроизводят спектры составных частиц Применение существующих методов расчета приводило в некоторых случаях к некорректному описанию нуклонных спектров, процесса деления, различных характеристик ядерных реакций, протекающих при энергиях выше 10 МэВ. Приближенные подходы для оценки сечений ядерных реакций содержали некоторые неточности, основной

из которых являлся их эмпирический характер, затрудняющий предсказание сечений в области ядер, где отсутствуют экспериментальные данные.

Вследствие этого, большинство разработанных на сегодняшний день библиотек оцененных данных, позволяющих проводить исследования процессов активации, трансмутации, радиационной повреждаемости и переноса нейтронов в материалах, облучаемых частицами промежуточных и высоких энергий, предназначено для использования в расчетах при энергиях первичных частиц до 100 МэВ, а данные при больших энергиях существуют для небольшого количества ядер.

Целью работы являлась модификация существующих методов расчета для получения функций возбуждения, выходов радионуклидов, дифференциальных сечений образования вторичных частиц в реакциях, протекающих при промежуточных и высоких энергиях, создание на основе предложенных подходов библиотек сечений и файлов данных для исследования процессов радиационной повреждаемости материалов, активации, трансмутации и переноса нейтронов в материалах, облучаемых частицами с энергиями выше 10 МэВ.

Научная новизна. В диссертационной работе:

предложены модификации гибридно-экситонной и каскадно-испарительной моделей, позволяющие рассчитывать функции возбуждения, спектры вторичных частиц, выходы радионуклидов, сечения смещения, найдены эффективные параметры для описания функций возбуждения на основе гибридно-экситонной модели, предложена новая реализация испарительного механизма реакции;

разработаны новые и модифицированы существующие алгоритмы и комплексы программ для вычисления и оценки функций возбуждения реакций, энергетических и угловых распределений вторичных частиц, выходов составных частиц, расчета сечений смещения атомов материала в широком диапазоне энергий (от нескольких МэВ до нескольких ГэВ),

на основе решения задачи двух кулоновских центров в квазиклассическом подходе получены распределения мюонных атомов по кинетическим энергиям и квантовым числам в молекулярной смеси изотопов водорода.

Практическая ценность полученных результатов. На основе проведенных вычислений впервые созданы:

библиотека сечений для исследования радиационной повреждаемости материалов

(БИСЕРМ2), содержащая сечения смещения, сечения образования водорода и гелия в реакциях, протекающих при облучении 259 стабильных ядер от ^ГА1 до ^30,Bi нейтронами с энергией до 1 ГэВ;

файлы данных для исследования переноса нейтронов в материалах, содержащие информацию о сечениях реакций, спектрах вторичных частиц, угловых распределениях частиц, выходах радионуклидов, спектрах ядер отдачи для ряда ядер, в частности "С, ^l60"Na, ^lsSi, "К," У, "Cr, ¹⁶Fe, ^тРЬ, ^!"Th, ^!"Га, ^!3SU, ^:з,Ри, ²⁴⁰Ри;

файлы данных для исследования процессов активации конструкционных материалов, содержащие информацию о выходах радионуклидов, функциях возбуждения различных реакций, протекающих при взаимодействии нейтронов с энергиями до 1 ГэВ с ядрами основных конструкционных материалов от алюминия до молибдена.

Полученные характеристики мезоатомов в молекулярной смеси изотопов водорода необходимы для разработки концепции мюончо-каталитического гибридного реактора.

Предложенные з диссертации расчетные методы и модифицированные комплексы программ необходимы для решения различных научных и практических задач, связанных с определением характеристик материалов, облучаемых частицами с энергиями от 10 МэВ до нескольких ГэВ, включая активационные исследования, изучение радиационной повреждаемости материалов, переноса нейтронов Созданные библиотеки сечений и файлы нейтронных данных представляют основу для исследования свойств облученных материалов перспективных ядерно-энергетических установок (установок для трансмутации радиоактивных отходов, подкритических реакторов на основе ускорителей, термоядерных реакторов, гибридных мезокаталитнческих реакторов), для разработки эффективных методов получения радионуклидов, используемых в промышленности и медицине, для изучения радиационных эффектов и исследования нейтронных потоков в различных средах.

На защиту выносятся:

1. Библиотека БИСЕРМ2 для исследования процессов радиационной повреждаемости конструкционных материалов, содержащая нейтронные сечения смещения, сечения образования водорода и гелия для 259 стабильных ядер от алюминия до висмута при энергиях нейтронов от 10 МэВ (сечения смещения) и от порогов реакций (сечения выхода гелия и водорода)до 1 ГэВ

2. Файлы данных для исследования процессов переноса нейтронов в материалах, облучаемых нейтронами с энергиями до 50 МэВ Файлы включают информацию о полных се-

чениях, сечениях упругого и неупругого рассеяния, сечениях пороговых реакций, угловых и энергетических распределениях вторичных нейтронов для реакций, протекающих на ядрах "С. ^,60,"Na, ^2SSi, '% "У, "Cr, ^uFe, ^тРЬ, ^!"П, ²¹¹Ра, "^eU, "⁹Ри, Ри.

3. Файлы данных для исследования процессов активации основных конструкционных материалов, облучаемых нейтронами с энергиями до 1 ГэВ. Оценка функций возбуждения реакций проведена на основе предложенных модификаций гибридно-экситонной и кас-кадно-испарительной моделей, связанных с поиском индивидуального набора эффективных параметров сверхтекучей модели ядра при расчете плотности ядерных уровней и уточнениями, внесенными в реализацию испарительного механизма Вайсскопфа, связанными с расчетом вероятностей испарения частиц.

4. Распределения мюонных атомов по кинетическим энергиям и квантовым числам в молекулярной среде смеси изотопов водорода, полученные на основе решения задачи двух кулоновских центров в квазиклассическом подходе. Рассчитана степень квантовой хаотичности таких систем. Результагы уточняют ряд физических процессов, лежащих в основе концепции мюонно-каталитического гибридного реактора.

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на Международном совещании по методам трансмутации ядерных отходов в г.Дубне в 1996 г., на 8-й Международной конференции по перспективным ядерно-энергетическим системам ICENES'96 в г.Обнинске в 1996 г., на Международной конференции по ядерным данным для науки и технологии NDST'97 в г.Триесте (Италия) в 1997 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 статьях и докладах [1-10].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст диссертации содержит 139 страниц, включая 40 рисунков, 14 таблиц и библиографию из 147 наименований.