基于蒙卡程序GMT的高功率钨颗粒散裂靶中子学研究

Accelerator Driven Subcritical System (ADS) is considered to be a promising approach for nuclear waste transmutation. It is a good way to process large amount of radiative waste and reduce the risk of deep burying, for its fine subcritical safety, powerful transmutation ability and good neutron economy. Spallation target station, which is the interface between the accelerator and the subcritical core, is an important neutron source in ADS faculties. Here we propose a new concept for a gravity-driven dense granular flow target in a strategic leading science and technology program. Compared with currently widely used solid and liquid targets, this conceptual design has advantages with regard to heat removal, neutron yield, radiotoxicity reduction, thermal shock protection and convenient operation. Based on self-developed Monte Carlo code GMT, our work will focus on the neutron research in tungsten granular target. For the huge granular number problem in the neutron simulation, random model and simplified model will be studied by the optimizing GMT code. We will evaluate the difference and explore the changing trend. The results of this research will provide theoretical guides for the design of the spallation granular flow target and are helpful for related fields, such as food, medicine, metallurgy and chemical engineering.

加速器驱动次临界系统（ADS）具有优良的次临界安全性、强大的嬗变能力和良好的中子经济性，被公认为是最有前景的乏燃料嬗变途径和降低深埋储藏风险的最具潜力的工具。散裂靶作为中子源，是加速器和次临界堆的耦合部件。中科院ADS战略先导专项提出了新型流化固体颗粒靶的概念。与常见的固态靶和液态靶相比，颗粒靶的优点包括：热移除快，中子产额高，放射产物少，防热冲击，操作方便等。本课题针对钨颗粒靶，采用自主开发的蒙卡程序GMT，研究随机堆积对颗粒靶中子学的影响。对于计算颗粒数巨大的问题，优化了GMT程序，评估颗粒流的随机堆积模型与等效简化模型的差别，并探索其中的变化趋势。通过本课题的研究，将为新型流化颗粒靶设计提供理论指导，并对颗粒相关食品、医药、冶金和化工等领域产生积极意义。

项目研究团队系统的开展了新型的重力驱动的密集钨颗粒靶进行中子学方面的研究。对GMT程序的输运算法进行了优化；对钨颗粒靶中子经济性、中子学性能及相关束靶参数进行了较为全面的扫描计算和优化分析。基本完成了预定的研究目标，同时对质子250MeV@10mA束流下的CiADS颗粒散裂靶进行初步的设计优化。具体的完成情况如下：. 面对颗粒流靶特殊的几何结构，在几何建模及粒子径迹几何搜寻算法上进行了特殊的设计，使得粒子径迹的几何搜寻效率达到最优；在输运算法设计上，通过采用高效的delta-tracking和常规ray-tracking输运策略相结合的方法，极大地降低了颗粒靶中粒子输运过程本身的机时占用率，为并行加速奠定了基础。. 在理想情况下，综合考虑中子经济性及中子学性能，采用2.0GeV的质子束流能量及30cm的靶直径是比较合适的。通过纯钨和钨铁镍合金的对比，得到钨铁镍合金相对纯钨材料而言，虽然中子经济性降低约10%，但是最重要的高能中子（>1MeV）并没有损失。通过热沉积功率在靶中的分布得到结论是：流化固体颗粒靶在某种程度上具备了承受100 MW束流功率的潜力。. 在250Mev@10mA质子参数下研究了CiADS密集颗粒流散裂靶的中子学性能。结果表明，流动钨颗粒靶能提供稳定的外中子源，当颗粒直径小于1cm时，颗粒直径对中子学性能无明显影响。束流截面直径对散裂靶的中子学性质影响不大，而靶径和体积分数对散裂靶的中子学性能有明显影响。