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

　 34卷第6期 第 　 2000年11月

原 子 能 科 学 技 术 Atomic Energy Science and Technology

Vol. 34 ,No . 6 Nov. 2000

加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究
樊 　 1 , 叶沿林1 , 赵志祥2 , N1M1 Sobolevsky3 , 徐春成1 , 陈 　 1 胜 陶
21 中国原子能科学研究院 核物理研究所 ,北京 　 102413 ; 31 Institute of Nuclear Physics , Moscow , Russia) (11 北京大学 技术物理系 ,北京 　 100871 ;

摘要 : 考虑了不同入射能量的质子和中子轰击 W 、 靶 ,利用 SHIELD 程序系统 ,研究了我国未来 Pb 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 116 GeV 的质子沿中心轴线入射长 60 cm 、 直径 20 cm 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 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 [ 5 ,6 ] 。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 、 靶引起的原子位移 , 利用 SHIELD 程 Pb 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 116 GeV 的质子沿中心轴线入射长 60 cm 、 直径 20 cm 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 　 (1968 — ,男 ,湖南常德人 ,在读博士后 ,核物理专业 胜

Ⅰ 原子位移 1

500

原子能科学技术 　　 34卷 第

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 100 MeV 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 ( Primary Knock2on Atom , P KA) 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 。P KA 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 Z P 和 A P ,入射能为 E0 ,靶的质量数和原子序数 分别为 Z T 和 A T ,则沉积在靶中的损伤能为 : E T ^ ( E ) = N 0 d E d x max T ( T ) dσd T ν ( 1) E 0 d E Ed dT Ed

∫

∫

式中 : N 为靶中原子核数目 ;d E/ d x 是阻止本领 ; T max是原子获得的最大动能 ; dσ d T 是原子 / 的 P KA 能谱 。 引起点缺陷的部分 ν( T ) [ 6 ] 定义为 : ν( T ) =
) 1 + kg (ε
2/ 3

T

( 2)

式中 :

k = 0 . 134 5 Z T / A T

2/ 3

3 1 ) g (ε = ε + 0 . 402ε / 4 + 3 . 4ε / 6

ε = T/ ( 0 . 086 9 × Z7/ 3 ) T
T max

则损伤截面定义为 :

σ damage =

∫ d Tν( T ) d T
Ed

dσ

( 3)

　　 原子位移截面定义为 :

σ = dpa

β

2 Ed

σ damage

( 4)

式中 :β= 018 [ 6 ] 。

原子位移产生率为 :

Kd = σ Φ dpa

( 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 800 MeV 质子入射 Al 、 、 和 W 薄靶引起 Fe Mo 的辐射损伤截面 。随着原子序数的增加 ,质子入射引起的辐射损伤截面增加 ,由于每一种核的 原子位移阈能不一样 , 原子位移截面的情况也不一样 。HETC 计算结果在 Mo 以下均高于 SHIELD 计算结果 。

第6期 　　 　 樊 胜等 : 加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究

501

图 1 　 SHIELD 计算的辐射损伤截面和其他计算结果的比较 用
Fig. 1 　The comparison of radiation damage cross section calculated by SHIELD , HETC and C. Rubbia
●—— — SHIELD 程序计算 ; ○——HETC 程序计算 ; △—— Rubbia 等计算 — — C.
a —— E P = 600 MeV ;b ——E P = 800 MeV — —

图 2 是中子入射薄钨靶的辐射损伤截面随入射能量变化的曲线。在 100 MeV 以下 ,SHIELD 计算的结果略高于 LAHET 和 SPECTER 的计算值 ,3 个程序计算的结果是一致的。随着入射能 量的增加 ,入射粒子引起的辐射损伤截面增加。这主要是因为入射粒子能量增加 ,余核原子获得 的最大动能增加 ,原子获得的反冲动能也增加 ,因而 ,增加了原子位移的几率。

图2　 中子入射引起的薄钨靶的辐射损伤截面
Fig. 2 　Radiation damage cross section induced neutron on t hin W target
○—— — SHIELD 程序计算 ; ■——E n < 20 MeV ,SPECTER 程序计算 ; ●——E n > 20 MeV ,LAHET 程序计算 — —

图 3 是中子和质子入射薄的钨和铅靶的辐射损伤截面随入射能量变化曲线 。入射能量低

502

原子能科学技术 　　 34卷 第

于 100 MeV ,由入射粒子引起铅靶的辐射损伤低于钨靶 。入射能量高于 100 MeV , 由入射粒 子引起铅靶的辐射损伤明显高于钨靶 。在 100 MeV 以上 ,中子和质子引起的辐射损伤情况差 别不大 ; 在入射粒子能量低于 100 MeV ,质子入射引起的辐射损伤略高于中子入射 。

图3　 中子和质子入射薄钨和铅靶的辐射损伤截面
Fig. 3 　The radiation damage cross section induced neutron and proton on t hin W and Pb targets
a : W 靶 , □—— — 质子入射 , ●—— — 中子入射 ;b : Pb 靶 , □—— — 质子入射 , ●—— — 中子入射 ; c : 质子入射 , ○——Pb 靶 , ●——W 靶 ;d : 中子入射 , ○——Pb 靶 , ●——W 靶 — — — —

粒子沿厚靶中心轴线入射 ,在厚靶的各个部分引起的辐射损伤不一样 。在研究长 60 cm 、 直径 20 cm 的铅靶时 ,把铅靶分成质量相等的 30 部分 ,每一部分质量均为 M ( 图 4) 。图中 R 1 ～ R 5 存在如下关系 :
R2 = R2 - R2 = R2 - R2 = R2 - R2 = R2 - R2 1 2 1 3 2 4 3 5 4 ( 6)
21

　　 5 示出了图 4 所划区域在内圆柱的沿轴线方向的辐射损伤情况 , 入射质子能量为 图
cm2 ? ;而在最后一块区域 ,其值约为 10 keV 116 GeV 。在第 1 个区域 ,由 1 个质子在质量数 M 的部分的辐射损伤截面约为 211 × 10
22

cm2 ? 。可见 , 沿轴线方向 , 入射质子引起的 keV

辐射损伤越来越小 。在所用的粒子引起的辐射损伤中 , 能量小于 1415 MeV 的次级中子贡献 最大 ,约占 42 % ,其次是入射质子 ,约占 30 % 。在总的辐射损伤中 ,能量低于 20 MeV 以下的 粒子贡献约为 60 % 。 的辐射损伤最为严重 。而在圆柱边上 ,受到的辐射损伤最小 。并且 ,初级入射质子只在中心轴

图 6 示出了沿径向方向的 6 个区域的辐射损伤情况 。在中心轴线所在的区域 ,靶材受到

第6期 　　 　 樊 胜等 : 加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究

503

图 4 　Pb 靶划分成质量相等的 30 部分示意图
Fig. 4 　 Schematic drawing of t he t hick Pb target divided into 30 parts of equal mass

图5　 入射质子在轴线方向的辐射损伤分布
Fig. 5 　 Distribution of radiation damage of axes wit h induced proton
1 —— — 总辐射损伤 ;2 —— — 能量小于 1415 MeV 中子引起的辐射损伤 ;3 —— — 级联中子引起的辐射损伤 ; 4 —— — 级联质子引起的辐射损伤 ;5 —— — 入射质子引起的辐射损伤

线区域有贡献 ,其他区域主要是次级粒子 , 特别是能量小于 1415 MeV 的中子引起的辐射损

504

原子能科学技术 　　 34卷 第

伤 。厚靶的辐射损伤主要分布在质子入射点所在的一小块区域 。在厚靶的后部 ,辐射损伤很 小。

图6　 入射质子沿径向的辐射损伤分布
Fig. 6 　 Distribution of radiation damage of radial wit h induced proton
a ——L = 0～10 cm ;b ——L = 10～20 cm ;c ——L = 20～30 cm ; — — — d ——L = 30～40 cm ;e ——L = 40～50 cm ;f ——L = 50～60 cm — — —

— —— — 总辐射损伤 ; … —— — 初级入射质子引起的辐射损伤 ; 2 2 2 —— — 能量小于 1415 MeV 中子引起的辐射损伤

3　 结果和讨论

密度约为 200 μA/ cm2 。C. Rubbia [ 2 ] 在 利 用 快 中 子 的 ADS 概 念 设 计 中 , 入 射 质 子 能 量 为 1 GeV ,入射质子流密度约为 113 μ cm2 。C. Rubbia 实验小组利用 800 MeV 质子入射钨靶 , A/ 7 000 h后 ,钨靶总的原子位移约 200 dpa ,原子位移率约为 0169 dpa/ d 。在这样的情况下 ,钨靶 的使用寿命约 1 a [ 2 ] 。M. S. Wechsler [ 7 ] 研究 A TW 的靶辐射损伤 ,由质子直接入射引起的原子 位移率约为 1 dpa/ d 。尽管 A TW 次临界堆内中子通量高达 1016 cm2 ? - 1 , 但由于中子平均能 s 量较低 ,原子位移截面相对较小 。由中子引起的原子位移率约为 0112 dpa/ d 。因此 ,在 A TW 中靶的总的原子位移产生率约为 1112 dpa/ d 。 利用 SHIELD 计算了不同能量情况下的辐射损伤截面 。利用公式 ( 3 ) 和 ( 4 ) 可得到原子 位移截面和原子位移产生率 。800 MeV 的质子入射钨的原子位移截面约为612 × - 21 cm - 2 , 10 2 在入射质子流密度约为 200 μA/ cm 时 ,原子位移率约为 0165 dpa/ d ,这一结果同 C. Rubbia计

C. D. Bowman [ 1 ] 的 A TW 计划中 ,利用 116 GeV 的质子轰击靶产生散裂中子 ,入射质子流

第6期 　　 　 樊 胜等 : 加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究

505

算值 [ 2 ] 相当 ; 若入射质子流密度约为 113 μA/ cm2 ,原子位移率约为 0137 dpa/ d ,这一结果约为 寿命低于 1 a ;018 GeV 质子入射 ,钨窗的使用寿命约为 1 a ; 而 018 GeV 质子入射 ,入射质子流 密度为 113 μA/ cm2 时 ,钨窗的使用寿命高于 1 a 。 参考文献 :
[ 4 ] 　 苏著亭 1 钠冷快增殖堆 [ M ] 1 北京 : 原子能出版社 ,19911211 [J ] . Nucl Sci and Eng , 1972 ,49 :130～144. 1 681. ry ,1992. and Applications[ C] . New York :A IP Press ,1995. 488～494. plifier :CERN/ A T/ 95245 ( ET) [ R ] . Switzerland : European Laboratory for Particle Physics , 1995. an Accelerator2driven Intense Thermal Neutron Source[J ] . Nucl Instrum Met hods , 1992 ,A320 :336 367. ～

入射质子流密度约为 200 μA/ cm2 时 , 原子位移率约为 0194 dpa/ d , 这与 M. S. Wechsler 计算 A TW 的结果一致 [ 1 ] 。因此 ,116 GeV 质子入射 ,入射质子流密度 200 μ cm2 时 , 钨窗的使用 A/ 贡献最大 ,约占 42 % ,其次是入射质子 ,约占 30 % 。在总的辐射损伤中 ,能量低于 20 MeV 的 粒子贡献的约为 60 % 。在中心轴线所在的区域 , 靶材受到辐射损伤最为严重 。而在圆柱边 上 ,受到辐射损伤最小 。初级入射质子只在中心轴线区域有贡献 ,其他区域主要是次级粒子 ,
[ 3 ] 　 樊 　 1 加速器驱动洁净核能系统中的两个核物理问题研究 [ D ] 1 北京 : 中国原子能科学研究院核物 胜

厚靶中由质子和中子引起的辐射损伤在不同的部位是不同的 。沿轴线方向 , 入射质子引 起的辐射损伤越来越小 。在所有的粒子引起的辐射损伤中 , 能量小于 1415 MeV 的次级中子 特别是能量小于 1415 MeV 的中子引起的辐射损伤 。厚靶的辐射损伤主要分布在质子入射点 所在的一小块区域 。在厚靶的后部 ,辐射损伤很小 。这些研究结果对未来我国散裂靶的设计 有定量的指导意义 。
理研究所 ,19981
Spectra , Displacement Rates and Gas Production Rates[J ] . Nucl Sci and Eng ,1976 ,61 :21～30. A26 Target Status[J ] . J Nucl Mater , 1984 ,122 :1 078～1 084. Production in Stainless Steel Irradiated Wit h S pallation Neutrons [J ] . J Nucl Mater , 1994 , 212 : 1 678～ Transmutation Technologies and Applications[ C] . New York :A IP Press ,1995. 879～887.

C. Rubbia 计算值的 1/ 2 。116 GeV 的质子入射钨的原子位移截面约为 81684 × 10

21

cm - 2 ,在

[ 1 ] 　 Bowman CD , Art hur ED , Lisowski PW , et al. Nuclear Energy Generation and Waste Transmutation Using [ 2 ] 　 Rubbia C , Rubio JA , Carminati F. Conceptual Design of a Fast Neutron Operated High Power Energy Am2 [5 ] 　 Gabriel TA , Amburgey JD , Greene NM , et al. Radiation2damage Calculations : Primary Knock2on Atom tion Neutron Environment [ A ] . Art hur ED , Rodriguez A. International Conference on Accelerator2driven [ 7 ] 　 Wechsler MS , Sommer WF. Spallation Radiation Damage and t he Radiation Damage Facility at t he LAMPF [ 11 ] 　 Stubbins J F , Wechsler MS , Borden M , et al. Behavior Structural and Target Materials Irradiated in Spalla2 [ A ] . Art hur ED , Rodriguez A. International Conferene on Accelerator2driven Transmutation Technologies

[ 6 ] 　 Doran G. Neutron Displacement Cross Section for Stainless Steel and Tantalum Based on a Linhard Model

[ 8 ] 　 Wechsler MS , Ramavarapu R , Daugherty EL , et al. Calculation of Displacement , Gas and Transmutation

[ 9 ] 　 Wechsler MS , Stubbins J F , Sommer WF , et al. Selection and Qualification of Materials for t he Accelerator Transmutation of Waste Project : LA2U R29221211[ R ] . Los Alamos , USA : Los Alamos National Laborato2

[10 ] 　 Daemen LL , Ferguson PD , Sommer WF , et al. Radiation Damage Effects at Spallation Neutron Sources

506

原子能科学技术 　　 34卷 第

Abstract :Radiation damage , such as radiation cross section , displacement atom cross section and als W and Pb induced intermediate energy protons and neut rons are st udied by using SHIELD dius 20 cm is completed in t his work. t he rate of displacement atom , in target , container window and spallation neut ron source materi2 Key words :radiation damage cross section ; displacement atom cross section ; rate of displacement

codes system. And t he st udy of radiation damage in t he t hick Pb target wit h 60 cm long and ra2 atom

[12 ] 　Wechsler MS , Lin C , Sommer WF , et al. Radiation Effects in Materials for Accelerator driven Neutron 2 Technologies[J ] . J Nucl Mater , 1997 ,244 :177～189. [ 13 ] 　Takahashi H , Chen X , Takashita H , et al. The Evaluation of Radiation Damage to t he Target Material Due World Scientific Press , 1996. 931～942. [14 ] 　Sobolevsky NM. Internation Code Comparison for Intermediate Energy Nuclear Data : NSC/ DOC ( 96 ) 215 [ R ] . Austria : International Atomic Energy Agency ,1996. [ 15 ] 　 徐春成 1 加速器驱动洁净核能系统靶中物理过程的模拟 [ R ] 1 北京 : 北京大学技术物理系 ,19991

to t he Injection of Medium and High Energy Proton[ A ] . Rubbia C. 2 t h Int Conf on AD T T[ C] . London :

Radiation Damage f or the Spallation Target of ADS
Ⅰ Displacement Atom 1

( 11 Technical Physics Depart ment , Peki ng U niversity , Beiji ng 100871 , Chi na ;

21 Chi na Instit ute of A tom ic Energy , Beiji ng 102413 , Chi na ; 31 Instit ute of N uclear Physics , Moscow , R ussia)

N . M. Sobolevsky3 , XU Chun2cheng1 , CHEN Tao1

FAN Sheng1 , YE Yan2lin1 , ZHAO Zhi2xiang2 ,