高能評價核數據處理方法

張環宇，劉 萍，吳海成

(中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京 102413)

中高能核反應具有與低能核反應不同的特性和反應機制，近年來受到廣泛的關注和研究[1]。例如在加速器驅動次臨界系統ADS中，源中子為高能散裂中子源，中子的能量可達102MeV甚至GeV，在裂變包層內散裂中子和裂變中子的綜合作用下，中子能譜跨度可從10 eV到GeV。中高能核技術應用的研究對評價核數據提出了更高要求，近年來國際上關于中高能評價核數據的研究也取得了較大進展，也產生了多個高能中子評價核數據庫。國際原子能機構(IAEA)通過CRP項目聯合世界各國，為ADS建立了專門的應用庫ADS-lib。

粒子輸運程序MCNP[2]是ADS中子學計算分析過程中重要的計算程序，該程序的運行需將評價核數據制作成ACE格式的連續能量點截面文檔。對于低能評價核數據，國內已擁有較成熟的處理經驗，但在處理較高能量上限的評價核數據過程中尚存在障礙。因此，為滿足ADS等中高能核裝置的蒙特卡羅輸運計算需求，本文開展中高能評價核數據處理方法的研究。

1 中高能評價核數據ACE格式處理方法

1.1 中高能評價核數據庫簡介

目前，國際上的高能、中高能評價核數據主要來自于美國、日本、歐洲以及IAEA。表1列出了國際上主要的高能、中高能中子反應數據的現狀。其中，日本的高能、中高能評價核數據庫JENDL-HE的能量上限最高，達3 GeV。

表1 高能、中高能中子反應數據現狀Table 1 Current status of high and medium-high energy neutron reaction data

對于低能(中子能量NE<20 MeV)核反應評價數據，在其文檔6(MF=6)中通常給出的是次級中子能量角度分布(即雙微分截面)，如MF6/MT16代表(n,2n)雙微分截面。當入射中子能量大于20 MeV時，由于核反應的復雜性，許多反應截面是無法分開的，因此，在高能(NE>200 MeV)、中高能(20 MeV

1.2 中高能評價核數據的ACE格式處理程序

Ruler[3]是我國自主研發的群常數制作軟件，它通過共振重造、溫度展寬、不可分辨共振自屏處理、熱散射處理等物理處理后，將ENDF-6[4]格式的評價核數據文件加工制作成PENDF格式的點的評價核數據文件，繼而通過多群模塊的處理，計算出GENDF格式的中子多群截面、群到群的散射矩陣等多群常數，再通過多群常數接口模塊的加工處理，制作專用的堆芯物理多群常數庫(如WIMS-D格式的堆芯物理多群常數庫)。但Ruler程序系統目前尚未完成ACE格式接口模塊的開發，因此采用Ruler與NJOY[5]程序系統耦合的方法進行高能評價核數據ACE格式文檔的制作，其流程如圖1所示。

其中熱散射截面計算模塊TSC、氣體產生截面處理模塊GASPR、ACE格式接口模塊ACER均需對MF6文檔數據進行處理。

與低能(NE<20 MeV)核反應評價數據不同，中高能評價數據的MF6/MT5包含了總的質子、氘、α等粒子產生截面，未給出各分反應道的數據。研究表明，在制作高能評價數據的ACE庫時一定要運行GASPR模塊，將氣體產生反應數據(MT=203～207)加到PENDF數據文件中，否則就會丟掉氣體產生截面。

1.3 ACER模塊的改進

基于高能評價庫JENDL-HE-2007，采用Ruler耦合NJOY程序系統制作高能ACE庫時，測試版本包括NJOY2016[6]、NJOY99.364及NJOY99.396，制作過程中發現以上版本的NJOY程序均不能將235U等一些核素制作成ACE格式數據庫，在運行ACER模塊時程序終止運行，但使用同樣的輸入卡、同樣的NJOY程序系統，卻可加工其他評價庫的235U的中子評價數據(包括IAEA-ADS網站上能量上限為1 GeV的235U的中子評價數據)，而JENDL-HE-2007的能量上限達3 GeV，使得ACER模塊無法運行。

圖1 中高能評價核數據的ACE格式處理流程Fig.1 ACE format processing flow of medium-high energy evaluated nuclear data

在上述各版本的NJOY程序系統中，中國核數據中心內部版本NJOY99.396穩定性相對較好，通過對該版本ACER模塊的研究，對該模塊中acelf6子程序(處理ENDF格式數據中文檔6數據的子程序)進行了修改，將該子程序通用產額存儲空間進行了擴展。搭載調整后的ACER模塊，建立了新的NJOY99.396.c10程序系統，并采用Ruler耦合NJOY99.396.c10成功將JENDL-HE-2007的235U等核素制作成ACE庫。

2 中高能評價核數據ACE格式處理方法的測試與驗證

2.1 ACE格式文檔的繪圖測試

為確保采用Ruler耦合NJOY99.396.c10系統制作的高能ACE庫的可靠性及可用性，對ACE數據庫開展了制作過程中的ACE文檔繪圖測試、釋熱截面檢查及制作完成后的簡單中子輸運問題測試和驗證。

采用NJOY99.396.c10程序系統ACER模塊將ACE文檔中的所有截面、角分布、次級粒子發射譜等進行繪圖，生成PostScript格式繪圖文件。以235U為例，分別對各反應截面、釋熱截面、損傷截面、彈性角分布、粒子產生截面進行繪圖測試(圖2)，均能正常繪制，不存在數據記錄不完整、截面數據異常無法繪制等問題。

圖2 235U的反應截面、KERMA系數、損傷截面、彈性角分布、粒子產生截面Fig.2 Neutron cross section, KERMA factor, damage cross section, elastic angular distribution and particle production cross section of 235U

經測試，基于JENDL-HE-2007評價庫研制的包含106個核素的中高能ACE格式數據庫均通過測試。

2.2 簡單輸運問題測試與驗證

采用MCNPX[7]程序計算1個簡單的中子輸運問題，對高能ACE格式數據庫中每種核素進行驗證。驗證問題為計算10-9～3 000 MeV能區的白光中子源在半徑1 cm、密度2.0 g/cm3的樣品球中心輻照產生的中子表面流量。圖3為12C和235U經過輸運問題驗證計算得到的泄漏中子譜。

圖3 12C和235U的簡單輸運問題測試中子譜Fig.3 Neutron energy spectra of simple transport problem test on 12C and 235U

經驗證，所有ACE格式文檔均可正常運算。這表明采用Ruler耦合NJOY99.396.c10程序系統制作的中高能ACE格式數據庫適用于蒙特卡羅輸運計算。

2.3 基準實驗驗證

基于由Ruler耦合NJOY系統制作的JENDL-HE-2007庫ACE格式數據文檔，對Lawrence Livermore脈沖球屏蔽基準實驗[8]進行模擬計算，計算結果如圖4所示。

圖4 Lawrence Livermore脈沖球基準實驗泄漏中子譜Fig.4 Leaked neutron spectrum of Lawrence Livermore pulse sphere benchmark experiment

在2～15 MeV能量范圍內，由Ruler耦合NJOY系統制作的JENDL-HE-2007庫ACE格式數據文檔的計算值與ENDF/B-Ⅶ.1、CENDL-3.1等數據庫的計算結果相當。

由于高能基準實驗較少，暫未開展高能區，特別是1 GeV以上能量范圍內，ACE格式數據庫的可靠性驗證。

3 結論

基于我國自主研發的群常數處理程序Ruler以及現有的群常數處理系統NJOY99.396，對ACE格式接口模塊進行改進，建立了Ruler與NJOY耦合的中高能評價核數據處理方法，該方法可用于能量上限達3 GeV的中高能評價核數據向ACE格式數據庫的轉換。通過對ACE數據庫制作過程中的ACE文檔繪圖測試、釋熱截面檢查，以及制作完成后的簡單中子輸運問題測試和驗證，證明了新建立的中高能評價核數據處理方法可用于制作可靠和可用的高能ACE庫，為滿足ADS等中高能核反應裝置的蒙特卡羅輸運計算需求提供了重要的技術支持。