老铁,你也感冒了?

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哈哈,标题党一下,今天所讲的是“感冒发热”的核数据!

【引言】

释热率(Heating),或称产热率,是核反应堆中的一个重要参数。它或可以作为核电厂电力功率的来源,也可以影响反应堆内辐射防护设计和结构材料的选取。在反应堆中热的产生主要有两个方面,即中子产热和光子产热。

在反应堆内局部地区的中子产热与该处的中子通量(在单位时间内,通过单位体积的中子数目)成正比,并且随中子核反应产物包括出射带电粒子和反冲核动能的升高而升高。

类似的,光子产热与堆内局部地区的光子通量成正比,随光核反应(光子与原子核的反应)产物的动能升高而升高。在进行释热率计算时,要求核数据库提供相应的截面数据,即,热产生截面(Heat Production Cross Sections)。

【用途】

在反应堆物理计算中,堆内某处的释热率的计算方法可以通过如下公式来表示:

其中H(E)为释热率,ρi为第i种材料的数密度,φ为堆内某处的中子通量,kij是第i种材料发生第j种反应时反应产物的动能,即KERMA (Kinetic Energy Release in Materials)系数,也就是核数据库必须提供的数据类型之一。

【定义】

KERMA的量纲为eV-barn,可以视为一种宏观截面,KERMA与通量、核子数密度相乘得到释热率H(E),单位为eV/s。总的热产生截面数据(total KERMA)的反应号是MT=301,此外还有数种分反应道的KERMA数据:

MT=303 :去弹性散射KERMA(all but mt2)

MT=304 :非弹性散射KERMA(mt51 thru 91)

MT=318 :裂变KERMA(mt18or mt19, 20, 21, 38)

MT=401 :总吸收反应KERMA(mt102 thru 120)

MT=442 :总的光核反应KERMA

MT=443 :总的动能KERMA

【来源】

因为中子产热和光子产热主要来自核反应造成的能量的沉积,而能量沉积又主要来自核反应中的反冲核。因此KERMA在核数据库中并不是直接存储的,它与辐照损伤截面很类似,也是根据核反应模型进行一系列计算得到。评价中子核数据库中直接存储的是核反应的次级粒子(出射粒子+反冲核)的角度分布和能量分布数据,也就是存储在MF3、MF5和MF6数据块中。此外,还有存储光子产生数据的MF12中。

【处理】

由于数据来源比较复杂,因此核数据处理程序(NJOY等)通常采用能量平衡法(energy-balance method)来计算。在使用能量平衡法计算第i种材料发生第j种反应时KERMA系数的计算如公式所示:

其E为入射中子能量,Q为反应过程中由于质量亏损产生的能量,Eijn是出射中子携带的能量,Eijr是出射光子携带的能量,σ为微观截面。对于不同的反应类型,出射中子携带的能量的计算方法截然不同。例如,对于弹性散射,出射中子能量的计算方法由公式给出:

而对于反冲核处于连续激发能级的非弹性散射,出射中子能量由如下公式给出:

由于出射光子携带的能量所占的比例很小,计算证明即使认为光子全部就地沉积,也可以保证数据的准确性和足够的精度。

【应用】

在连续能量核数据库(ACE格式)中,KERMA数据紧紧跟随总反应、总吸收、弹性散射数据之后存储,以及在不可分辨共振能区的概率表位置,也有可能会出现KERMA数据。

以下展示了核数据处理程序NJOY和RXSP得到的产热截面数据,如下所示:

Fe-56的出射中子能量

Fe-56的KERMA数据

关于热产生(KERMA)数据库的制备以及反应堆内的材料释热率分布的计算,敬请关注【核子资讯】公众号并在后台处留言。

参考文献:

李万林,等,RXSP中热产生与辐照损伤截面处理功能的初步研究,2014年度核反应堆系统设计技术重点实验室学术年会,四川成都,2014.

Macfarlane, Robert, et al. The NJOY Nuclear Data Processing System,Version 2016. No. LA-UR-17-20093. Los Alamos National Laboratory (LANL), 2017.

【版权声明】

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