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加速器驱动次临界核能系统靶泄漏中子谱研究

谭新建，李金英
（華潤新能源控股有限公司核电部，广东深圳518000）

摘要：为研究加速器驱动次临界核能系统(ADS)靶的散裂中子学特性，采用Geant4(Version9.5)计算不
同能量质子轰击铅铋靶产生的泄漏中子产额、能谱、轴向积分分布。模拟得到1GeV能量质子对应的
靶的优化尺寸及优化后泄漏中子谱，计算结果为ADS系统散裂靶件和堆芯设计提供参考。
关键词：加速器驱动次临界系统；散裂靶；中子泄漏谱
中图分类号：TL32文献标志码：A文章编号：

NeutronLeakageSpectrumStudyofSpallationNeutronTargetin
AcceleratorDrivenSub-criticalReactorSystem

TANXin-Jian,LIJin-Ying
（ChinaResourcesNewEnergyHoldingsCo.,Ltd,NuclearPowerDivision,Shenzhen518000,China）

Abstract：Tostudytheneutronleakagespectrumofspallationneutrontargetofacceleratordrivensub-
criticalreactorsystem(ADS),theneutronleakagespectruminlead-bismutheutectictargetof1GeV
energeticprotonweresimulatedbyGeant4toolkit.Thesimulatedneutronleakagespectrumandtarget
optimizationparameters,whichwillbebeneficialtothereactorcoreengineeringdesign,areobtained.
Keywords：AcceleratorDrivenSub-criticalSystem;SpallationNeutronTarget;NeutronLeakageSpectrum

加速器驱动次临界洁净核能系统是20世纪50年底提出并发展的新堆概念，它同时结合了粒子加速器和反应
堆两项技术。一方面装置内的强中子场可以将装填的长寿命放射性废物嬗变为短寿命的可裂变核材料，极大地
提高铀资源的利用率，同时它又不像常规动力堆那样依赖堆内苛刻的反应性要求。因ADS技术呈现的诸多优势，
使其一直成为国际核能领域研究的重点[1-2]。
1基本原理
GeV能段质子的波长小于原子核内核子间的平均距离,入射质子和靶内单个核子产生准自由碰撞。碰撞过程
中,质子将能量部分或全部传递给碰撞粒子,并碰撞出中子、质子、氘核，氦核、e±、π±、gamma等次级粒子，
这些粒子以及碰撞后的质子有可能逃逸出核外，也可能再同其它粒子继续碰撞，释放出另外的粒子，直到能量
接近核内结合能为止，激发态的残余核通过蒸发中子回到基态，整个散裂过程概括为级联和蒸发两个步骤。
ADS装置就是利用散裂产生的中子作为中子源驱动次临界包层系统，使次临界包层系统维持链式反应获取
核能和增殖核材料。
1.1靶材研究
在液态重金属中，铅及其三种合金：铅铋合金(44.5wt.%Pb+55.5wt.%Bi)、铅锂合金(99.32wt.%Pb
+0.68wt.%Li)、铅镁合金(97.5wt.%Pb+2.5wt.%Mg)常作为(次)临界快堆、加速器驱动核能系统的设
计用冷却剂，同时也作为ADS系统设计的液态散裂靶件。在以上备选靶材中，铅铋合金因低熔点(397K/124oC)、
低腐蚀、易维护而获得业界重点关注和研究[2]。

.收稿日期：2012年4月25日；修回日期：
作者简介：谭新建（1982—），男，广东深圳人，工程师，硕士，核能工程设计，E-mail:[e-mail]
1.2束流选取
Geant4模拟显示：1GeV能量质子束在合金靶中的射程约60cm，径向发散约15cm；2GeV能量质子束在合金靶
中射程约100cm，径向发散约30cm。但在相同参数的靶中2GeV质子产生的泄漏中子对比1GeV并不线性增加。从ADS
系统能量倍增最大化角度考虑，模型中质子束选用1GeV入射能量。
2研究方法
Geant4是由欧洲核子中心主导开发的大型开源粒子输运软件包，在高能物理领域应用广泛。本文是在
Linux操作系统Geant4平台上尝试性开展的反应堆中子物理计算，数据分析程序借助Root软件编写完成。
2.1质子束参数
质子能量1GeV，出射坐标：(0，0，0.3)，方向矢量：(0，0，-1)，模拟计算忽略束流发射度影响。
模拟测试得到：单粒子能够产生