高能质子在散裂靶中诱发的衰变热研究

Previous studies have been focused on the decay heat induced by low energy neutrons via radiation capture process, including 14 MeV D-T neutrons and reactor neutrons, for reactor core fuels and structure materials. However, the mechanisms and features are significantly different for the decay heat induced by high energy proton beam in spallation targets. The research of decay heat induced by high energy proton beam has been becoming more urgent with development of high power spallation targets like the upgrade of China Spallation Neutron Source (CSNS) project and the future advanced nuclear energy - Accelerator Driven sub-critical System (ADS) project. The accurate measurement and effective removement of decay heat in high power spallation targets are critical for the reasonable design and safety operation of these projects. The purpose of this research is to perform the theoretical simulation and experimental measurement for the decay heat induced by GeV proton beam in spallation target. Through the measurements of the space distributions and time evolutions of the decay heat caused by different energies and beam profiles of proton beam, we can deeply understand the generation mechanism, the characteristics of the decay heat and the distributions of the produced radionuclides in spallation target. It is greatly helpful for the accurate assessment of the simulation results by comparing the measurement results to the calculated ones. This research, for the first time, will provide the basic experimental method and data for the spallation targets irradiated by high energy proton beam.

以往衰变热的研究主要集中在堆芯燃料及结构材料上，衰变热通过14 MeV以下的D-T中子源、反应堆中子源的低能中子辐射俘获过程产生。然而，高能质子在散裂靶中诱发的衰变热在产生机制与特性方面有本质差别。随着中国散裂中子源(CSNS)项目与未来先进核能－加速器驱动次临界系统(ADS)项目的启动，高能质子与散裂靶相互作用产生的衰变热研究变得极为迫切，散裂靶衰变热的合理评估、准确测量与有效移除，关系到整个装置的合理设计与安全运行。本项目的研究目的是开展GeV高能质子在散裂靶中产生衰变热的理论模拟与实验研究：建立新型全能谱衰变热测量谱仪，测量散裂靶中衰变热的空间分布与时间演化，分析不同能量、束斑的质子束对衰变热的影响；深刻理解高能质子在散裂靶中衰变热的产生机制与特性，掌握放射性核素的分布规律与衰变行为，并与模拟程序的计算结果进行对比，准确评估模拟程序的可靠性，为散裂靶的合理设计提供重要实验方法与数据。

以往衰变热的研究主要集中在堆芯燃料及结构材料上，衰变热通过14 MeV以下的D-T中子源、反应堆中子源的低能中子辐射俘获过程产生。然而，高能质子在散裂靶中诱发的衰变热在产生机制与特性方面有本质差别。随着中国散裂中子源(CSNS)项目与未来先进核能－加速器驱动次临界系统(ADS)项目的启动，高能质子与散裂靶相互作用产生的衰变热研究变得极为迫切，散裂靶衰变热的合理评估、准确测量与有效移除，关系到整个装置的合理设计与安全运行。.本项目的研究内容，首先建立了一台新型全能谱衰变热测量谱仪，该谱仪采用BGO晶体作为闪烁体，能够对感生贝塔射线、伽玛射线同时进行测量，由此解决了只测量伽玛射线而漏掉贝塔射线，导致衰变热结果差别较大的问题；第二是利用中国散裂中子源的中子束线终端，采用热中子辐射俘获的方法，获得钨片与钽片产生的放射性核素及衰变热，该实验验证了钨活化片产生的W187有两条特征伽玛射线，对应能量分别为685.8keV，479.5keV，衰变热约为1e-6W；第三是在中科院近代物理研究所的RIBALL重离子辐照终端，采用能量80.5MeV/u、流强为100nA的碳束，分别辐照钨靶、钽靶、铜片，通过测量放射性核素的衰变贝塔、伽玛射线，并配合模拟计算，获得放射性核素的产额、种类、衰变热。研究表明，铜在冷却初期，贝塔与伽玛射线的对产生衰变热的贡献相当，随着冷却时间的加长，贝塔射线的贡献逐渐降低，在100天时，达到10%附近就基本趋于稳定，而伽玛射线则达到近90%。钨与钽在冷却之初，贝塔射线所占份额小于30%，随着冷却时间的延长，在100天附近，贝塔射线所占份额也基本维持在10%，逐步趋于稳定，伽玛射线所占份额也基本在90%。另外，对一些放射性核素的产生截面，模拟值稍大于实验值。.通过本项目的研究，在建立新型探测谱仪的基础上，深刻理解了低能中子、高能重离子在散裂靶中衰变热的产生机制，掌握放射性核素的分布规律与衰变行为，并与模拟程序的计算结果进行对比，准确评估模拟程序的可靠性，为散裂靶的合理设计提供重要实验方法与数据。