加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究Ⅰ原子位移.pdf

第34卷第6期原子能科学技术Vol.34,No.6
2000年11月AtomicEnergyScienceandTechnologyNov.2000

加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究
Ⅰ1原子位移

樊胜1,叶沿林1,赵志祥2,N1M1Sobolevsky3,徐春成1,陈陶1

(11北京大学技术物理系,北京100871;
21中国原子能科学研究院核物理研究所,北京102413;
31InstituteofNuclearPhysics,Moscow,Russia)

摘要:考虑了不同入射能量的质子和中子轰击W、Pb靶,利用SHIELD程序系统,研究了我国未来
可能使用的靶体的辐射损伤截面、原子位移截面和原子位移率,并同Wechsler的研究结果进行了
比较。同时,对116GeV的质子沿中心轴线入射长60cm、直径20cm厚铅靶在不同部位引起的辐
射损伤进行了研究,得到合理的结果。
关键词:辐射损伤截面;原子位移截面;原子位移率
中图分类号:TL441+11文献标识码:A文章编号:100026931(2000)0620499208

散裂中子靶是加速器驱动洁净核能系统(ADS)的一个关键部分[1,2]。散裂中子靶和靶窗
材料所处的辐射环境和PWR内材料所处的环境有很大的差异。ADS中的靶和靶窗不仅受到
中、高能质子的轰击,而且受到能量分布广、平均能量高、高注量的出射中子的辐射[3]。而
PWR中的材料处在中子能量范围很窄、平均能量很低、中子注量也低的环境中[4]。因此,靶和
靶窗在ADS中受到的辐射损伤和PWR中的材料受到的辐射损伤有极大的不同。研究ADS
散裂靶和靶窗辐射损伤,对于靶和靶窗的使用寿命以及ADS的安全运行有重要意义。
材料的辐射损伤主要用3个指标来衡量:原子位移、气体产生(主要是H,He)和变形原子
的产生。晶体结构材料,其原子是有规律、周期性排列的栅格网状结构。材料的辐射损伤主要
来自于栅格原子的位移。位移的形成主要是由于入射核子和靶的原子碰撞或者靶内原子受到
激发、发射粒子后的余核反冲引起的,如靶材料原子核俘获一个中子,通过发射γ射线退激引
[5,6]
起余核反冲。能够引起原子位移的最小能量,即为原子位移阈能Ed。材料中原子发生位
移,在晶体栅格中产生原子空穴,这将导致材料性质和特性发生变化,影响材料性能。国外一
些工作组对一些材料的辐射损伤作过测量,并得出一些结论[7～13]。
本工作主要考虑由中、高能质子和中子轰击W、Pb靶引起的原子位移,利用SHIELD程
序系统[14,15]研究我国未来可能使用的靶体的辐射损伤截面、原子位移截面和原子位移率。同
时,对116GeV的质子沿中心轴线入射长60cm、直径20cm厚铅靶在不同部位引起的辐射损

收稿日期:1999207206;修回日期:1999209220
基金项目:国家自然科学基金资助项目(19675003)
作者简介:樊胜(1968—),男,湖南常德人,在读博士后,核物理专业
005原子能科学技术第34卷

伤进行研究。

1辐射损伤计算
中、高能粒子入射引起靶材料的辐射损伤,主要是入射粒子和靶原子的弹性散射以及入射
粒子和靶原子的非弹性相互作用。在入射能大于100MeV时,辐射损伤的贡献主要来自入射
粒子和靶原子的非弹性相互作用。
入射能量为E的入射粒子和靶材料中原子发生碰撞,原子获得的反冲能为T,若T大于
初级碰出原子(PrimaryKnock2onAtom,PKA)的原子位移阈能,这个原子将从晶体栅格中移
开,并引起其它原子位移。PKA动能可以分为两部分:一部分为η(T),引起电子激发;一部分
为ν(T),引起原子位移和点缺陷。

设入射粒子的质量数和原子序数分别为ZP和AP,入射能为E0,靶的质量数和原子序数

分别为ZT和AT,则沉积在靶中的损伤能为:
ET
^0dxmaxdσ
E(E0)=NdETν(T)dT(1)
∫EE∫ET
dddd

式中:N为靶中原子核数目;dE/dx是阻止本领;Tmax是原子获得的最大动能;dσ/dT是原子
的PKA能谱。
引起点缺陷的部分ν(T)[6]定义为:
T
ν(T)=(2)
1+kg(ε)
式中:
2/32/3
k=0.1345ZT/AT
g(ε)=ε+0.402ε3/4+3.4ε1/6
7/3
ε=T/(0.0869×ZT)
则损伤截面定义为:
T
maxdσ
σdamage=ν(T)dT(3)
∫ET
dd
原子位移截面定义为:
β
σdpa=σdamage(4)
2Ed
式中:β=018[6]。
原子位移产生率为:

Kd=σdpaΦ(5)
式中:Φ为粒子注量。

2计算结果
图1示出了利用SHIELD和HETC计算的800MeV质子入射Al、Fe、Mo和W薄靶引起
的辐射损伤截面。随