6-20MeV能区U-238及Th-232的(n,2n)反应截面测量研究

238U and 232Th are the primary fuel in the next generation nuclear power system such as Fusion-Fission Hybrid Reactor, Fast Rector, ADS and Thorium Reactor, where the high energy neutron will obviously raise the possibility of (n, 2n) reaction so that related cross section become all-important. However, there lacks sufficient cross section measurement and huge uncertainty still exists in evaluation nuclear databases, these status puts related nuclear system design in enormous difficulty. In this program we plan to carry out 238U(n, 2n) and 232Th(n,2n) cross section measurement with 6-20MeV neutrons, measure cross sections at different neutron energy, verify and analyze related macro-experiment data, and calculate using different theoretical models. Finally obtain a set of ‘Cross section measurement + Macro verifying + Theoretical calculation’ data, enrich related nuclear database and provide support data to the new reactor design in China.

新能源需求的大背景下，聚变-裂变混合堆、快堆、ADS和钍基堆等新型反应堆成为研究热点，其中238U和232Th是主要燃料，而较高的中子能量使得其（n,2n）反应率大幅增加，反应截面变得十分重要。然而现有相关截面测量数据匮乏，评价核数据库不确定度大，给新型核装置设计带来很大困难。本项目拟开展主要能段（6-20MeV）的238U(n,2n)和232Th(n,2n)截面测量研究，测量多中子能点的截面数据，进行宏观检验数据分析校验，引入各种理论模型计算对比。最终获得“截面测量+宏观检验+理论模型”一整套相关截面的测量分析数据，补充国际核数据库，为我国相关新型反应堆设计提供核数据支持。

传统的反应堆中，中子能量主要集中在MeV以下能区，因此对MeV以上能区的反应截面研究较少。随着新型反应堆如ADS、聚变-裂变混合堆的出现，高能区的(n,2n)反应开始发挥作用。对于238U和232Th这两种储量最大的核燃料，高能区(6-15MeV)的(n,2n)反应截面几乎与(n,f)截面相当，甚至超过裂变截面，变得非常重要。国内在238U和232Th的(n,2n)截面测量上实验极少，仅对238U进行过14MeV附近的少数能点测量。.本项目中，通过研究掌握238U和232Th的(n,2n)微观截面测量方法，特别是在13MeV以下和15MeV以上能区弱中子源强下的测量方法，获取了14MeV附近及13MeV以下、15MeV以上能区的238U和232Th的(n,2n)微观截面实验数据。同时分析和补充开展了238U和232Th的(n,2n)反应率积分实验，并进行了对应的(n,2n)反应截面理论计算，完成了“微观+宏观+理论”的整套流程，获取了相关的数据并校验。.本项目中，开展了多次微观截面实验测量，使用国内多家单位的中子源和探测器，配合细致研究的弱源测量方法，获取了12-19MeV能区范围多点的238U和232Th的(n,2n)微观截面实验数值。微观实验结果与主流数据库进行了对比，在置信区间内，同时比老旧数据库偏高，与新数据库较为契合。开展的积分实验结果显示，14MeV附近能区的截面数据库与实验结果符合较好，印证了14MeV附近能区截面的可靠性，但其他能区积分实验国际上亦开展较少，同时与数据库偏差较大。基于此，本项目设计了下一步可在中国散裂中子源CSNS反角白光源上开展的积分实验，应可有效验证超广能区下的截面情况。.在理论计算方面，计算均采用TALYS1.9和EMPIRE3.2.3程序中包含的优化调参输入，对232Th调节了裂变位垒参数、能级密度参数等43个参数，对于238U调节了70个参数，发现了理论计算中的诸多问题，并适配实验数据及数据库结果进行了分别计算。.本项目成功地掌握了238U和232Th的(n,2n)反应测量方法，特别是弱源条件下的测量方法，同时给出了238U和232Th的(n,2n)反应“微观+宏观+理论”整套的分析数据，这有助于下一步系统开展相关核数据分析，也为新型反应堆研发提供了基础数据支持。