基于直接CAD几何模型的辐射场生成技术研究及应用

介绍了基于直接CAD几何模型的3维辐射场生成技术及其应用情况。在大规模并行非结构网格蒙特卡罗粒子输运方法的基础上,结合在线地图、SolidWorks等直接CAD几何模型,提出了1种适用于电子元器件、复杂厂房几何和大区域城市环境的高效辐射场生成模拟计算方法。并基于该技术实现了安卓设备电路板辐射场、复杂放射源迷道辐射环境和核辐射在百米量级城市环境建筑物区域的数值模拟,获取了全空间的辐射场中子注量率和能量分布信息,验证了该项技术在电子元器件辐照效应、放射源屏蔽设计和核辐射瞬发效应仿真应用中的可行性。

基于实稳定方法的原子核单粒子共振相对论Hartree-Fock模型

利用坐标空间的实稳定方法,在相对论Hartree-Fock(RHF)理论框架下发展了原子核单粒子共振态结构模型.具体以^(120)Sn的低激发中子共振态为例,探讨了交换项在影响共振能量、宽度以及自旋-轨道劈裂等性质中的作用.相较于一般的相对论平均场(RMF)理论,RHF中交换项的引入改变了核介质中有效核力的动力学平衡机制,进而影响共振态单粒子势的描述.对于一般的宽共振态,这可能导致相对更低的共振能量和更小的共振宽度.此外,对^(120)Sn共振态中νi_(13/2)与νi_(11/2)自旋伙伴态,还分析了交换项对其自旋-轨道劈裂的相关效应.与束缚态情形相比,共振态中自旋伙伴态的波函数可能存在显著区别,单粒子有效势与能量也相应发生改变.结果表明,不仅自旋-轨道相互作用,单粒子有效势中其他成分也是影响共振态自旋-轨道劈裂的重要因素.

西北核技术研究所强脉冲辐射模拟装置近年发展综述

西北核技术研究所是我国强脉冲辐射环境建设的主体单位,成立至今自主成功研制了一系列大型辐射模拟装置,形成了具有我国自主特色的辐射环境模拟体系和技术体系。近10年来,随着应用需求的持续拓展,西北核技术研究所在辐射模拟装置及其技术方面取得了新突破。本文重点介绍了西北核技术研究所近年新建成的大型强脉冲辐射模拟装置,包括大面积脉冲γ射线试验装置“云光一号”、4 MV脉冲X射线闪光照相装置“剑光二号”及强脉冲X射线试验装置等,分析了感应电压叠加、快脉冲直线变压器、多型射线负载等方面取得的最新技术进展,提出了未来强脉冲辐射模拟装置建设及其关键技术发展的初步设想。

向后微分公式在六角形几何物理-热工耦合上的应用

针对六角形几何物理-热工耦合求解问题,提出了一种二阶变步长向后微分公式,物理和热工采用相同的步长和时间离散格式,并利用变步长技巧,提高计算效率。物理-热工采用模块化方式耦合,物理模块采用基于六角形几何的节块法,热工采用子通道程序,2个模块之间的数据传递通过共享内存的方式实现,开发了基于向后微分公式的HEXCOB-BDF程序。利用两个VVER堆芯弹棒事故验证该方法在物理-热工耦合上的准确性和计算效率。计算结果表明,HEXCOB-BDF程序与KIKO3D,DYN3D,PARCS计算结果相符,同时计算时间约为隐式Euler法计算时间的1/4。表明本文算法具有较好的准确性和较高的计算效率,可为六角形几何物理-热工耦合求解提供参考。

高空核爆炸晚期核电磁脉冲的数值模拟研究

根据高空核爆炸晚期核电磁脉冲(E3)的产生机理,将E3的计算分解为大气电离、碎片云运动、大气等离子体运动和低频电磁场在等离子体中的传播4个过程,给出了E3的数值模拟方法。利用该方法模拟了美国Starfish试验的E3过程,通过与试验观测地磁数据的比对验证了该方法的正确性。对离子的能量沉积分析结果表明,爆心正下方存在大气等离子体火球,能量峰值约为175 km,此火球向下膨胀导致地磁场增强,向上运动导致磁场变弱。该结果解释了Starfish试验地磁扰动波形的变化机理,与原有解释机理相比,无需引入额外的假设。

基于ENDITS-2.1的CENDL-3.2临界基准检验

中国评价核数据库CENDL-3.2于2020年6月正式发布,并在ND2019上介绍了基于系统化宏观检验工具包ENDITS-1.0的临界基准检验结果。为更广泛测试新评价数据库的临界计算准确度并为将来的评价数据改进提供反馈,中国核数据中心发展了ENDITS-2.1,并用其中2237个来自国际核临界安全手册ICSBEP2006的临界基准实验对国际最新版本的评价核数据库进行了临界基准检验。利用趋势分析方法和统计卡方对检验计算结果进行了分析,确定了获得改进的临界系统和评价数据,确认CENDL-3.2较CENDL-3.1有明显改进,临界计算准确度达国际领先水平。最后,结合对灵敏核素相关统计卡方的分析以及皮尔逊卡方检查,提出了CENDL-3.2库高优先级待改进核素清单,确定了CENDL库需要优先改进235,238U、239,240Pu、232Th等16种核素的核反应数据。

脉冲激光模拟单粒子效应试验技术述评

对近十年开展的脉冲激光单粒子效应试验技术进行了述评,指出脉冲激光模拟试验技术具有一定的优势和特点,与重离子模拟试验手段相比,方便易用,试验费用低。总结分析了近十年实验室开展的单粒子效应脉冲激光模拟试验技术研究工作,介绍了电子器件及集成电路单粒子效应激光模拟试验研究结果,对采用脉冲激光模拟单粒子效应试验获得的试验数据与重离子实验数据的等效性进行了比对分析。基于大量试验研究工作,建立了单粒子效应实验室模拟试验及加固评估的手段和方法,使单粒子效应激光模拟试验系统在加固评估中得到应用;试验研究表明,单粒子效应激光模拟系统可以确定单粒子敏感区、敏感参数、翻转截面获取及电子系统故障注入等,为航天器空间辐射效应模拟及加固设计验证开辟了新的技术途径和方法。

核爆炸早中期电磁脉冲产生的数值模拟方法

由于核电磁脉冲(nuclear electromagnetic pulse,NEMP)电场与爆炸当量、爆高、方位角、大气参数和观测位置等密切相关,NEMP产生的数值模拟是非常复杂的问题。本文评述了核爆炸电磁脉冲产生过程的数值模拟方法,包括NEMP产生的物理模型、γ射线和中子在大气中输运及康普顿电流源、大气电导率模型和电磁场求解方法;给出了NEMP的典型数值模拟结果,主要包括早期电磁脉冲和中期电磁脉冲联合模拟结果,并分析了早期电磁脉冲和中期电磁脉冲峰值、起止时间和频谱等特征参数。

高光产额SrI_(2)Eu^(2+)晶体制备及其闪烁性能研究

SrI_(2)Eu^(2+)晶体因其极高的光产额和优良的能量分辨率,在伽马射线高分辨测量中呈现出良好的应用前景。采用改进的坩埚下降法制备出掺杂浓度为5.0%的SrI_(2)Eu^(2+)晶体,加工制成了直径为25 mm,厚度分别为3,6,9,12 mm的单透光防潮封装SrI_(2)Eu^(2+)闪烁体。研究了4种不同尺寸闪烁体对^(241)Am,^(137)Cs,^(60)Co放射源伽马射线的响应,测试了SrI_(2):Eu^(2+)晶体的荧光光谱、能量分辨率、发光产额及衰减时间等闪烁性能。实验结果表明:SrI_(2)Eu^(2+)晶体的发光光谱峰值位于436 nm,SrI_(2)Eu^(2+)晶体闪烁性能随晶体厚度减薄或伽马射线能量的提高而提升。3 mm厚度SrI_(2)Eu^(2+)闪烁体对1.173 MeV^(60)Co伽马射线的能量分辨率达到了2.74%,在^(137)Cs源伽马射线激发下,光产额达到1.23×10^(5)MeV^(-1),是传统NaI:Tl闪烁体光产额的3倍以上,与当前国际上报道的最好的实验结果相当。

紧凑型各向异性D-D中子源源强测量实验研究

采用Bonner多球谱仪、3He正比计数器和238 U裂变电离室3种不同探测方法,分别同时从束流方向0°,90°,180°3个角度对紧凑型各向异性D-D中子源进行源强测量,通过蒙特卡罗方法修正实验室对测量结果的影响,得到3组源强测量结果。结果表明:3种探测方法的测量结果分别为8.88×10^(9),8.13×10^(9),8.82×10^(9)s^(-1)。3组中子源强测量结果的相对偏差在10%以内,与理论值偏差较小。与其他两种方法相比,采用238 U裂变电离室探测器的源强测量结果总相对偏差最小,证明了采用不同探测方法从多个角度同时测量各向异性中子源源强的可行性。研究可为相似实验条件下同类型中子源的特征参数测量提供研究思路。

基本舰船结构的辐射屏蔽因子研究

核辐射环境中,舰船、坦克的辐射屏蔽特性关乎着核安全、防护、效应评估以及决策应对等实际应用问题。瞄准舰船的核辐射屏蔽性能开展研究。针对舰船材料及典型结构,采用中子-光子耦合输运方法,定量给出中子源、γ源同时辐照下的辐射屏蔽效能。通过借助大规模并行技术,实现了该深穿透屏蔽问题的高效模拟。该辐照屏蔽研究中考虑了入射中子和γ以及次级γ粒子的综合叠加效应。通过模拟中子和γ分别入射不同厚度、不同材料壳体后的注量、剂量、能谱演化,计算获得了屏蔽体的入射中子、入射γ射线、中子和次级γ及其综合屏蔽因子,给出腔内的屏蔽因子分布规律,材料包括Fe、Al、Pb、船体材料HSLA100钢等,辐射源包括单能中子、单能γ以及核泄漏中子谱和γ谱。研究成果将为船体、坦克等的辐射防护性能的深入分析奠定基础,为核辐射效应评估、应急处理等提供理论支撑。

锂玻璃探测器^(6)Li原子数标定

在聚变包层中子学性能的实验检验中,造氚率是重要的测量参数之一,探测器中^(6)Li原子数目作为计算造氚率的归一化因子,是决定测量结果精度的关键因素,必须进行精确标定。对^(6)Li原子数标定原理、实验配置及过程、不确定度量化方法进行具体介绍,并首次在中国绵阳研究堆(CMRR)的M5水平孔道以锗单晶单色器获得32.36 meV中子对小型锂玻璃探测器中^(6)Li原子数进行了标定,不确定度为2.62%。

中国先进研究堆工程科学应力谱仪性能优化与刻度研究

为充分发挥中国先进研究堆工程科学应力谱仪在工程构件残余应力表征的作用,在常用金属测试所需的中子波长约0.164 nm下进行谱仪的性能优化和刻度研究。在此波长下,将Fe(211)衍射峰的峰位误差作为光路优化的品质因数,通过调整单色器的水平聚焦和垂直聚焦姿态,获得了最优性能的聚焦光路。采用金箔活化法测试了样品处中子注量率,在反应堆满功率60 MW的条件下,样品处中子(波长0.164 nm)注量率为3.0×10^(7)cm^(−2)·s^(−1)(±4.5%),在衍射角约90°的分辨率为0.42%。使用带缝隙的镉片测试了探测器的位置分辨,获得探测器水平方向的位置分辨为(1.44±0.03)mm。本工作完成了谱仪的光路优化与性能刻度,为谱仪投入运行奠定了实验基础。

^(252)Cf自发裂变K X射线发射与动能-电荷关系

原子核裂变后多物理量间的关联测量是认识裂变过程直接有效的实验手段,然而由于初级裂变产物准确的电荷鉴别仍面临技术困难,电荷相关的多参数研究相对匮乏.为此,通过高分辨的低能高纯锗探测器和金硅面垒探测器开展了^(252)Cf自发裂变的裂变碎片K X射线和动能的符合测量.利用K X射线可以很好地鉴别电荷数Z=39—62的裂变碎片,电荷分辨ΔZ≈0.7,K X射线产额呈现强烈的电荷相关性.借助K X射线给出了碎片平均动能和平均总动能及其分布宽度随核电荷数的分布,轻碎片动能分布具有鲜明的奇偶效应,偶Z碎片的动能比奇Z碎片的高约0.48 MeV;平均总动能在Z=52—53处达到峰值,总动能分布宽度在Z=56附近呈现凹坑,这反映了形变壳结构对断点形状的显著影响.裂变碎片K X射线发射的信息及动能-电荷关系研究可为裂变独立产额测量和裂变理论模型的检验提供必要的参考数据.

不同厚度ST401中子能谱响应测量与分析

在MeV能段脉冲中子测量中,塑料闪烁体是应用最为广泛的一种材料,其中子能谱响应是脉冲中子能谱测量所需的关键数据.基于中国散裂中子源白光中子束线,使用飞行时间法测量了0.5—10 mm共5种不同厚度塑料闪烁体ST401对0.5—100 MeV能段的中子能谱响应曲线,分析了束内伽马、伽马闪产生的闪烁体慢成分和中子源脉宽对中子能谱响应的影响.受有限体积闪烁体边界效应影响,不同厚度中子能谱响应曲线形状接近对数曲线,质子逃逸是闪烁体能谱响应曲线偏离线性的主要原因,闪烁体越厚,偏离线性的中子能量越高.

用于氚产生率在线测量的小型背靠背锂玻璃探测器

为了实现强伽马场环境下的造氚率在线测量,研制了小型“背靠背”6Li/7Li玻璃探测器。每块锂玻璃闪烁体的尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm,闪烁体之间及侧面采用0.5 mm二氧化钛作为反射层,整体尺寸为4.0 mm×4.0 mm×1.3 mm。7Li玻璃探测器测量伽马产生的信号作为6Li玻璃探测器的伽马本底扣除。通过对标准60Co源的伽马射线脉冲幅度谱测量,验证了两个闪烁体对伽马场响应的一致性;在反应堆热中子孔道处和252Cf中子源直照等强伽马环境下测量了脉冲幅度谱,获得的中子伽马信噪比都大于1,表明可以有效扣除伽马本底。验证实验研制的锂玻璃探测器在强伽马场环境下仍能有效甄别伽马,可用于聚变堆和聚变-裂变混合堆实验包层模块内造氚率高精度在线测量。

利用离子阻停对电子俘获致核激发的研究

当特定能量的自由电子被原子核外电子轨道俘获时,有可能导致原子核被共振激发,这就是电子俘获致核激发.该机制的一个应用愿景是通过操纵电子使同核异能态所储存的核能按照人们的需求释放出来.如果能够实现这种技术,有望为核能的储存和利用带来巨大变革.本文对比了近年来基于加速器装置,在高电荷态离子阻停过程中测量电子俘获致核激发几率的两次实验研究工作.对于两次测量结果的不一致,从误差水平评估这一个新的角度分析了可能的原因.此外,通过评估四种可能的熔合蒸发反应道,发现94Zr束流和氦气靶可能是利用次级束开展下一步实验工作的理想弹靶组合.

氘氚中子与Fe作用后泄漏γ能量沉积谱测量与计算

评价核数据的质量直接影响各类核装置及产品的有效性、安全性、可靠性和经济性。Fe是核工业应用中屏蔽快中子的主要材料之一,其评价核数据的准确程度将会影响核装置的安全性和经济性,因此,针对^(nat)Fe样品开展积分实验是非常重要的一项研究内容。本文基于中国原子能科学研究院研制的屏蔽积分实验装置,开展了脉冲D-T中子与板状^(nat)Fe样品作用后的泄漏γ谱在液体探测器里产生的能量沉积谱测量研究。通过飞行时间法,分别测量获得了3种厚度^(nat)Fe样品60°和120°方向的瞬发伽马在BC501-A型液体闪烁体探测器里产生的能量沉积谱;利用MCNP 4C程序开展了泄漏γ谱的模拟计算,分别采用CENDL-3.2库、ENDF/B-Ⅷ.0库、JENDL-5.0库和JEFF-3.3库中Fe同位素的评价数据,结合Geant4程序计算的探测器响应矩阵,获得了泄漏γ在探测器里产生的能量沉积谱的模拟结果;对模拟结果与实验结果进行了比较分析,结果表明,JENDL-5.0库模拟结果与实验结果总体符合较好;在低能区(<2 MeV),ENDF/B-Ⅷ.0和JEFF-3.3库模拟符合很好,而JENDL-5.0库稍有低估;在高能区(>2 MeV),CENDL-3.2和JENDL-5.0库符合很好,而ENDF/B-Ⅷ.0和JEFF-3.3库有高估现象。CENDL-3.2库中关于Fe的评价数据有待进一步改善。

裂变谱中子诱发^(235)U裂变产物核Xe的产额评价

裂变产额是核工程应用和核物理科研中最重要的基础核数据之一,特别是裂变气体产物核,对核装置的设计、运行有不可忽视的影响,因此对中子诱发裂变的气体产物核裂变产额进行评价,得到可靠的产额对核工程的应用和基础研究核技术的发展具有重要意义。本工作针对裂变谱能区中子诱发^(235)U裂变的Xe气体产物核,在EXFOR实验数据基础上,采用基于Zp模型的裂变统一评价方法,对其所在质量链的裂变产物的独立产额、累积产额进行了统一拟合评价,并与现有评价库中Xe的产额进行了比较,对存在分歧的产额进行了进一步分析,给出了合理的解释。与传统方法比较,统一评价方法给出的产额具有更好的可靠性和合理性,同时解决了传统方法独立产额、累积产额不自洽的问题。

数值反应堆堆芯与E级高性能计算的科学内涵

反应堆是一复杂的系统过程,是由中子场、温度场、流场、应力场、化学场等多个物理过程相互耦合的装置,这些物理场涉及从微观核反应到宏观能量释放的多尺度作用机理。随着E级(1 000PFLOPS,百亿亿次/每秒)计算机的问世,核能发展的总趋势正从传统工程驱动模式向以高性能数值模拟为主转变。当前四代堆设计立足小型化和精密化,高分辨率数值模拟对提升核装置性能和降低裕量作用突出。为研究解决当前模拟软件与计算机之间存在的浮点效率低、移植周期长、模式通用难和规模扩展难等问题的办法,突破软件和硬件之间存在的编程墙和性能墙,本文通过解读美国NEAMS、CASL和ECP计划,结合团队近年在数值反应堆和高性能计算关键技术突破方面的经验,提出基于并行中间件的集成共性、发展个性的技术路线,探索一条快速提升我国自主CAE软件整体水平的途径,供业内同行探讨,以在国产超级计算机上实现核装置的精细化建模和多物理、多尺度、多过程耦合计算。