автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Библиотеки сечений и файлы данных для исследования процессов радиационной повреждаемости материалов, активации, трансмутации и переноса нейтронов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

БИБЛИОТЕКИ СЕЧЕНИЙ И ФАЙЛЫ ДАННЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАДИАЦИОННОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ, АКТИВАЦИИ, ТРАНСМУТАЦИИ II ПЕРЕНОСА НЕЙТРОНОВ

Специальность: 05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

На правах рукописи УДК 51-72: 539.17

2 ^ НОЯ

СТАНКОВСКИЙ Алексей Юрьевич

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Обнинск - 1997

Работа выполнена в Обнинском институте атомной энергетики.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Коровин Юрий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Манохин Василий Николаевич кандидат физико-математических наук, доцент Зеленецкий Андрей Владимирович

Ведущая организации: ГНЦ «Курчатовский институт»

2В ^1997 г. в " / 7"

Защита диссертации состоится ' заседании диссертационного совета К 064.27.01 при Обнинском институте атомной энергетики по адресу: 249020, г.Обнинск Калужской области, Студгородок, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИАТЭ.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Л«!'. А.И.Перегуда

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В различных областях науки и техники возрастает потребность в ядерных данных при промежуточных энергиях. Такие данные (полные сечения, энергетические и угловые распределения образующихся частиц, выходы радионуклидов) при энергиях выше 10 МэВ необходимы при разработке и проектировании перспективных ядерно-энергетических установок - термоядерных реакторов, подкритических реакторов на оскове ускорителей, установок для трансмутации ядерных отходов в жестком нейтронном спектре, мезокаталитических гибридных реакторов.

К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных данных по сечениям, тем не менее этого количества в силу различных причин (трудность постановки эксперимента, материальные затраты и др.) во многих случаях недостаточно. Но интерес к ядерным данным при промежуточных и высоких энергиях в связи с разработкой перспективных ядерно-энергетических установок постоянно возрастает Поэтому актуальность проблемы получения ядерных данных в объеме, необходимом для детального исследования процессов активации, трансмутации, радиационной повреждаемости материалов и нейтронного транспорта несомненна Такие данные сейчас можно получить с помощью расчетов на основе теоретических моделей

Несмотря на прогресс в развитии моделей, описывающих взаимодействие частиц промежуточных и высоких энергий с ядрами, к настоящему Бремени нет единых и простых подходов, позволяющих определять сечения и спектры вторнчных частиц для реакций, протекающих под действием частиц с энергией от ~ 10 МэВ до ~ 1 ГэВ. Прежде всего это относится к описанию эмиссии кластеров (с/, I, 3Не, а к др.) с использованием методов, пригодных для проведения массовых расчетов Методы теории прямых реакций, такие как приближение искаженных волн и метод связанных каналов, позволяют восстанов>ггь только относительно небольшую область спектра вторичных частиц, связанную с дискретными состояниями остаточных ядер, а предложенные ранее подходы на основе предравновесной экситонной модели достаточно противоречивы и иногда искаженно воспроизводят спектры составных частиц Применение существующих методов расчета приводило в некоторых случаях к некорректному описанию нуклонных спектров, процесса деления, различных характеристик ядерных реакций, протекающих при энергиях выше 10 МэВ. Приближенные подходы для оценки сечений ядерных реакций содержали некоторые неточности, основной

из которых являлся их эмпирический характер, затрудняющий предсказание сечений в области ядер, где отсутствуют экспериментальные данные.

Вследствие этого, большинство разработанных на сегодняшний день библиотек оцененных данных, позволяющих проводить исследования процессов активации, трансмутации, радиационной повреждаемости и переноса нейтронов в материалах, облучаемых частицами промежуточных и высоких энергий, предназначено для использования в расчетах при энергиях первичных частиц до 100 МэВ, а данные при больших энергиях существуют для небольшого количества ядер.

Целью работы являлась модификация существующих методов расчета для получения функций возбуждения, выходов радионуклидов, дифференциальных сечений образования вторичных частиц в реакциях, протекающих при промежуточных и высоких энергиях, создание на основе предложенных подходов библиотек сечений и файлов данных для исследования процессов радиационной повреждаемости материалов, активации, трансмутации и переноса нейтронов в материалах, облучаемых частицами с энергиями выше 10 МэВ.

Научная новизна. В диссертационной работе:

• предложены модификации гибридно-эксигонной и каскадно-испарительной моделей, позволяющие рассчитывать функции возбуждения, спектры вторичных частиц, выходы радионуклидов, сечения смещения, найдены эффективные параметры для описания функций возбуждения на основе гибридно-экситонной модели, предложена новая реализация испар>гтельного механизма реакции;

• разработаны новые и модифицированы существующие алгоритмы и комплексы программ для вычисления и оценки функций возбуждения реакций, энергетических и угловых распределений вторичных частиц, выходов составных частиц, расчета сеченнй смещения атомов материала в широком диапазоне энергий (от нескольких МэВ до нескольких ГэВ),

• на основе решения задачи двух кулоновских центров в квазиклассическом подходе получены распределения мюонных атомов по кинетическим энергиям и квантовым числам в молекулярной смеси изотопов водорода.

Практическая ценность полученных результатов. На основе проведенных вычислений впервые созданы:

• библиотека сеченнй для исследования радиационной повреждаемости материалов

(БИСЕРМ2), содержащая сечения смещения, сечения образования водорода и гелия в реакциях, протекающих при облучении 259 стабильных ядер от ! Л1 до 1МВ! нейтронами с энергией до 1 ГэВ;

• файлы данных для исследования переноса нейтронов в материалах, содержащие информацию о сечениях реакций, спектрах вторичных частиц, угловых распределениях частиц, выходах радионуклидов, спектрах ядер отдачи для ряда ядер, в частности "С, 'бО,"Ыа,

51 У,"Сг, "й, тРЬ,232 ТИ, 233Га,231 и, 23,Ри, 240Ри;

• файлы данных для исследования процессов активации конструкционных материалов, содержащие информацию о выходах радионуклидов, функциях возбуждения различных реакций, протекающих при взаимодействии нейтронов с энергиями до 1 ГэВ с ядрами основных конструкционных материалов от алюминия до молибдена.

Полученные характеристики мезоатомов в молекулярной смеси изотопов водорода необходимы для разработки концепции мюончо-каталитического гибридного реактора.

Предложенные а диссертации расчетные методы и модифицированные комплексы программ необходимы для решения различных научных и практических задач, связанных с определением характеристик материалов, облучаемых частицами с энергиями от 10 МэВ до нескольких ГэВ, включая активационные исследования, изучение радиационной повреждаемости материалов, переноса нейтронов Созданные библиотеки сечений и файлы нейтронных данных представляют основу для исследования свойств облученных материалов перспективных ядерно-энергетических установок (установок для трансмутации радиоактивных отходов, подкритических реакторов на основе ускорителей, термоядерных реакторов, гибридных мезокаталитнческих реакторов), для разработки эффективных методов получения радионуклидов, используемых в промышленности и медицине, для изучения радиационных эффектов и исследования нейтронных потоков в различных средах.

На защиту выносятся:

1. Библиотека БИСЕРМ2 для исследования процессов радиационной повреждаемости конструкционных материалов, содержащая нейтронные сечения смещения, сечения образования водорода и гелия для 259 стабильных ядер от алюминия до висмута при энергиях нейтронов от 10 МэВ (сечения смещения) и от порогов реакций (сечения выхода гелия и водорода)до 1 ГэВ

2, Файлы данных для исследования процессов переноса нейтронов в материалах, облучаемых нейтронами с энергиями до 50 МэВ Файлы включают информацию о полных се-

нениях, сечениях упругого и неупругого рассеяния, сечениях пороговых реакций, угловых и энергетических распределениях вторичных нейтронов для реакций, протекающих на ядрах "С. "О/'Ка, 2ЛЛ/, '% "К иСг, ">Уе, тРЬ, 232 ТИ, 233Ра, 23% 239Ри, 2,°Ри.

3. Файлы данных для исследования процессов активации основных конструкционных материалов, облучаемых нейтронами с энергиями до 1 ГэВ. Оценка функций возбуждения реакций проведена на основе предложенных модификаций гибридно-экситонной и кас-кадно-испарительной моделей, связанных с поиском индивидуального набора эффективных параметров сверхтекучей модели ядра при расчете плотности ядерных уровней и уточнениями, внесенными в реализацию испарительного механизма Вайсскопфа, связанными с расчетом вероятностей испарения частиц.

4. Распределения мюонных атомов по кинетическим энергиям и квантовым числам в молекулярной среде смеси изотопов водорода, полученные на основе решения задачи двух кулоновских центров в квазиклассическом подходе. Рассчитана степень квантовой хаотичности таких систем. Результаты уточняют ряд физических процессов, лежащих в основе концепции мюонно-каталитического гибридного реактора.

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на Международном совещании по методам трансмугации ядерных отходов в г.Дубне в 1996 г., на 8-й Международной конференции по перспективным ядерно-энергетическим системам 1СЕКЕ5'96 в г.Обнинске в 1996 г., на Международной конференции по ядерным данным для науки и технологии Ж>8Т'97 в г.Триесте (Италия) в 1997 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 статьях и докладах [1-10].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и за-ключйния. Текст диссертации содержит 139 страниц, включая 40 рисунков, 14 таблиц и библиографию из 147 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, обоснована ее актуальность. Подчеркнута новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации представлен краткий обзор современных методов расчета сечений ядерных реакций при энергиях выше 10 МэВ. На основе рассмотренных подходов создана библиотека ядерных данных для исследования радиационной повреждаемости конструкционных материалов БИСЕРМ2 (Библиотека Сечений для Радиационного Материаловедения).

В разделе 1.1 рассмотрены модели и подходы, применение которых позволяет получить функции возбуждения, спектры и угловые распределения вторичных частиц в широкой области энергий налетающих частиц и массовых чисел ядер-мншеней

Возможности предравновесных экситонных моделей по описанию различных характеристик ядерных реакций, включая спектры составных частиц (с/, /, 3Не, а), описываются в разделе 1.1.1. Проводится анализ моделей выбивания, подхвата и коалесценции, используемых для получения неравновесных спектров составных частиц Показано, что существующие модели не воспроизводят в полной мере экспериментальные спектры таких частиц, образующихся в реакциях под действием нуклонов с энергией до 100 МэВ. Неравновесные спектры, предсказываемые моделью выбивания, имеют характерный провал в «средней» части. Модель подхвата не описывает жесткого компонента неравновесных спектров при энергиях около 90 МэВ, что связано с характерным поведением плотности конечных состояний, рассчитанной в рамках этого подхода. Приближения, лежащие в основе коалес-центной модели, ограничивают ее применимость областью энергий выше нескольких сотен МэВ Тем не менее гибридная модель, соединенная с коалесцентной моделью, достаточно качественно описывает экспериментальные спектры сг-частиц в ядерных реакциях при промежуточных энергиях, а отноагтельная простота реализации такого подхода к расчету предравновесных спектров а-частиц позволяет использовать его в вычислительных программах, основанных на гибридной экснтонной модели.

В разделе 1.1.2 рассмотрены возможности применения каскадно-испарительной модели для расчета сечений ядерных реакций при энергиях выше 100 МэВ. Показано, что не-

смотря на успешное использование каскадно-испарительной модели для предсказания различных характеристик ядерных реакций, применение ее в области промежуточных энергий сталкивается с рядом проблем, связанных как с описанием экспериментальных данных, так и реализацией расчетного алгоритма.

В существующих вариантах модели не рассматривается процесс взаимодействия нуклонов с «приготовленными» кластерами в ядре. Как следствие ни одна из современных компьютерных программ, основанных на каскадно-испарительной модели, не содержит алгоритма для расчета спектров эмиссии составных частиц, образующихся на каскадной стадии реакции. В моделях, основанных на представлении ядра в виде сферических зон постоянной плотности, как правило, не рассматриваются эффекты преломления и отражения импульса частиц на границах зон, не учитывается ограничение на орбитальные моменты сталкивающихся частиц, определяемое конечным размером зон, игнорируется процесс проникновения заряженных частиц под кулоновским барьером. Для описания равновесной эмиссии используются грубые приближения, основанные на применении формул с «резким обрезанием» при вычислении сечений обратных реакций, и расчете плотности ядерных уровней с использованием упрощенных подходов.

Подчеркивается необходимость создания модифицированной каскадно-испарительной модели, рассматривающей эмиссию неравновесных «-частиц, корректно описывающую угловые и энергетические распределения вторичных частиц и имеющую область применимости, заметно перекрывающуюся с гибридно-экситонными моделями для возможности проведения массовых расчетов в широком диапазоне энергий.

В разделе 1.1.3 анализируются современные методы расчета сечений смещения атомов материалов, а также сечений образования водорода и гелия, используемых для изучения радиационной повреждаемости материалов, облучаемых частицами промежуточных и высоких энергий. Показано, что попытки определения нейтронных сечений смещения в области энергий до 1 ГэВ, предпринятые рядом исследователей, столкнулись с проблемой согласованного описания сечений смещения на основе различных ядерных моделей. Так, рассчитанные сечения смещения на основе каскадно-испарительной модели при энергиях выше 20 МэВ оказались значительно ниже значений сечений, полученных с использованием экспериментальных и расчетных данных в области более низких энергий. Сечения образования гелия, рассчитанные ранее при энергиях до 1 ГэВ, плохо согласуются с экспериментальными данными.

По этим причинам существует необходимость разработки надежного и эффективного метода расчета сечений смещения, сечений выхода составных частиц при энергиях выше 10 МэВ:

В разделе /.У.-/ рассмотрены приближенные подходы к вычислению сечений ядер-

271

пых реакций. Показано, что существующие приближенные методы расчета, основанные на использовании эмпирических выражений, не пригодны для описания выхода легких фраг-

мейтов (/, Не, а) в реакциях, образование которых играет важнейшую роль в процессах ак-

I \

тивации и радиационного повреждения материалов, облучаемых частицами промежуточных и высоких энергий. Отмечается, что для практических исследований знание выходов таких частиц необходимо в области энергий от порога реакции (5-25 МэВ) до десятков ГэВ.

Раздел 1.2 посвящен созданию библиотеки БИСЕРМ-2, содержащей сечения смещения, сечения образования гелия и водорода в области энергий от 10 МэВ (для гелия и водорода - от порогов реакций) до 1 ГэВ.

Возможности применения широко распространенных подходов на основе (ЧЯТ-стандарта для расчета сечений смещения исследуются в разделе 1.2.1. Показано, что применение каскадной функции в виде, предложенном Норгеттом, Робинсоном и Торренсом, для легких ядер возможно лишь при энергиях налетающих частиц в несколько сотен МэВ, поскольку максимальная энергия ядер отдачи, записываемая как

2А,Е(Е + 2шс') "" (т + А,)'с'+2А,Е' где Е - энергия налетающей частицы, т - масса налетающей частицы (в а е м ), соответствует энергии остаточного ядра, равной 252^/3А, (кэВ). Следовательно, максимальная энергия налетающих нуклонов, при которой оправданно использование каскадной функции в Щ.Т-стаидарте, имеет следующие значения: для11 А1 - 166 МэВ, для "Си - 2.3 ГэВ, для "'¡V - 66,5 ГэВ.

Расчеты сечений смещения для легких изотопов в области энергий до 1 ГэВ проводились с использованием каскадной функции в №1Т-стандарте, при этом число ядер отдачи, имеющих энергию выше максимального значения (25г^А,), не превышало 4% для *7А1 и становилось незначительным (менее 1%) уже для "Си.

Таким образом, количество ядер отдачи, превышающих максимально допустимую » этом случае энергию, является незначительным и практически не влияет на скорость накопления повреждающей дозы.

Расчеты нейтронных сечений смешения для упругого рассеяния проведены с помощью оптической модели с использованием различных оптических потенциалов. Для вы-• t'

числения сечений смещения в неупругих взаимодействиях нейтронов с ядрами использована модифицированная каскадно-испарительная модель, реализованная в программе DISCA2.

Проведено сравнение полученных сечений смещения с результатами вычислений, выполненных ранее другими авторами. На рнс.1 приведены'результаты расчетов полных нейтронных сечений смещения для 'UW. Величина полного сечения смещения (ojlol) рассчитывалась по программам DISCA и КАСКАД (неупругая часть) и SCAT (упругие взаимодействия нейтронов с ядрами).

16000

Я

9*

чэ

J оооо

Б000

5

W

Е, = BOeV

SPICTER (ENDP/B) 1АНЕТ 01SCA + SCAT CASCADE-*-SCAT

10 10" ,10 ■

Энергии нейтронов (МэВ)

10'

Рис.1. Сечения, смещения для вольфрама, облучаемого нейтронами низких и промежуточных энергий. Показаны расчеты с помощью программ SPECTER, LAHET и результаты вычислений в данной работе. Пороговая энергия смещения Ej - 90 эВ.

Приведенные на рис.1 данны? указывают на то, что выполненные вычисления представляют наиболее реалистическую оценку сечений смещения в области промежуточных энергий.

В разделе 1.2.2 рассматриваются методы расчета сечений образования, гелия. При энергиях падающих частиц ниже 100 МэВ вычисления проведены на основе гибридной эк-

отгонной и испарительной моделей с учетом неравновесной эмиссии а-частиц. При боле« высоких энергиях для получения сечений использовалась каскадно-испарктельнал модель. Вклад эмиссии составных частиц в полное сечение выхода гелия рассчитывался с помощью модели «нарушения ядерных связей».

Обсуждаются особенности расчета сечений образования составных частиц в реакциях под действием нуклонов промежуточных энергий. Исследована роль оболочечных эффектов,- различных способов описания сечений обратных реакций и плотности ядерных уровней при вычислении сечений выхода а-частиц в ядерных реакциях.

Сечения неупругих взаимодействий и обратных реакций рассчитывались по оптической модели. В ряде случаев для стабильных ядер проводилась корректировка рассчитанных сечений на основании имеющихся экспериментальных данных и систематик.

На рис. 2 приведены расчетные кривые полных сечений выхода а-частиц при взаимодействии протонов с ядром "Си.

С

а

у

ее

и

т

10 10* 10' 104

Энергна протонов (МэВ)

Рис. 2. Сечения образования а-частиц для ядра "Си.

' Учет оболочечных эффектов улучшает согласорание оцененных данных с экспери ментом. . -

Полученные данные по сечениям образования гелия, водорода и сечениям смещенш представлены в виде библиотеки БИСЕРМ2, включающей информацию о 259 стабильны: нуклидах от 17А1 до 309В1 при энергиях от порога реакций до 1 ГэВ. Данные библиотек) БИСЕРМ2 записаны в формате ЕИОР/В-б. . ; '

Вторая глава посвящена созданию файлов нейтронных данных, предназначен'ны: для исследования переноса нейтронов в материалах, облучаемых нейтронами с энергиям! до 50 МэВ. Получены данные для ряда конструкционных материалов и делящихся яде] ("С, "0,"На, "Я,'% "У, "Сг, "I■е,тРЬ, "31Ь, "3Ра, "'и, "'Ри. ™Ри).

Файлы включают информацию о полных сечениях, сечениях упругого и неупругоп рассеяния, сечениях пороговых реакций, угловых и энергетических распределениях-вто ричных нейтронов для реакций, протекающих на указанных ядрах.

В разделе 2.1 обсуждается метод оценки сечений, способ вычисления угловых I энергетических распределений испускаемых в реакциях частиц.

Для расчета сечений реакций, сечений упругих взаимодействий нейтронов с ядрами а также вклада прямого канала в процессы неупругого рассеяния был использован мето; связанных каналов.

Сечения пороговых реакций, вызванных нейтронами, и дважды дифференциальны« сечения неупругих взаимодействий нейтронов с ядрами оценивались с помощью гибридной экситонной модели с зависимостью от геометрии, объединенной с испарительной моделью. Указано на необходимость включения в рассмотрение предравновесной эмиссш кластеров (</,/,3Не,а), а также учета эмиссии ^-квантов и расчета плотности ядерных уровней согласно сверхтекучей модели.

Равновесные спектры вторичных частиц рассчитывались на основе испарнтсльноГ модели Вайскопфа. Рассматривается конкуренция процессов эмиссии вторичных частиц и ^-квантов на равновесной стадии реакции. ' '..

Обсуждается .способ расчета неравновесных спектров ^-квантов. Исследуется -возможный вклад в эмиссию ^-квантов «квазидейтронного» механизма

Проведен анализ возможности использования различных оптических потенциалов для расчетов сечений упругого и неупругого рассеяния, угловых распределений вторичных частиц. -

Исследованы механизмы вычисления сечений деления и характеристик делящихся ядер. Предложен способ описания конкуренции нейтронного и делительного каналов на испарительной стадии реакции, основанный на использовании независящих от энергии отношений нейтронной и делительной ширин Г/Г}.

На рис.Э представлены сравнения оцененных данных для реакции (п,2п), содержащиеся в файлах, с экспериментальными величинами сечений и данными международных библиотек.

"усм"У

Л л Гг*Ш| (1И0)

V N

V - Нгат (шоп 50 М>В - 1ВМОЫ)

1« II . )• «

Энерпи (МэВ)

Энергия (МэВ)

Энерпи (МэВ)

)• I) .» и )» . )|

Энергия (МэВ)

Рнс.З. Сравнение оцененных данных и данных различных библиотек с доступными экспериментальными сечениями реакции (п,2п).

В разделе 2.2 изложен способ представления данных в файлах, наиболее приемлемый для их дальнейшего использования в расчетах переноса нейтронов.

Данные в файлах записаны в формате ENDF-6. Для записи сечений и дополнительной информации используются только стандартные номера МТ-секций. Обосновывается выбор способа записи угловых распределений упруго и неупруго рассеянных нейтронов в зависимости от свойств ядра-мишени. Отмечается, что при энергиях первичных нейтронов до 20 МэВ рассчитанные со?азса;и;с.г!азсь с да-.тымк международных библиотек

(JENCL-3 и ENDi-:iZ--"Л).

- Глава 3 посвящена созданию файлов актнвационных данных, содержащих информацию о выходах радионуклидов и фунхщшх возбуждения различных реакций, протекающих при взаимодействии нейтронов с энергиями до 1 ГэВ с ядрами основных конструкционных материалов от алюминия до молибдена.

В разделе 3.1 проводится исследование возможностей использования различных теоретических моделей для получения сечений ядерных реакций при энергиях до 1ГэВ.

. В разделе 3.1.1 описаны способы вычисления функций возбуждения на основе габ-рндно-экситонной модели с зависимостью от геометрии, соединенной с коалесцентной моделью подхвата, в области энергий первичных частиц до 100 МэВ.

Вычисление предравновесных спектров нуклонов проводилось с учетом многократной предравновесной эмиссии нуклонов. При этом был устранен ряд неточностей, связанных с описанием такой эмиссии для реакций с образованием протонов на основе алгоритма, реализованного в программе ALICE.

Исследовано влияние, которое оказывает способ вычисления плотности ядерных уровней на рассчитываемые величины сечений ядерных реакций. Установлено, что способ расчета плотности ядерных уровней оказывает заметное влияние на вычисляемые величины сечений конкретных реакций с множественным вылетом частиц. На основе проведенных расчетов для энергии нейтронов 145-МэВ найден набор индивидуальных эффективных параметров для группы ядер от алюминия до молибдена, с помощью которых достигнуто более корректное описание экспериментальных данных.

На рис.4 приведены рассчитанные на основе предложенного подхода функции возбуждения различных реакций, протекающих при взаимодействии нейтронов с "Zr.-

Как следует из рис.4, функции возбуждения, рассчитанные с учетом эффективных параметров, полученных для 14.5 МэВ, имеют правильную тенденцию и в области более высоких энергий.

91

Энергия (М.)В)

СЬгсгпм (МэВ)

Энергия (МэВ)

Рис.4. Сравнение функций возбуждения, рассчитанных различными способами, для реакций, протекающих при взаимодействии протонов с энергиями до 200 МэВ с ядрами

"гг.

В разделе 3.1.2 описывается предложенный подход к реализации испарительного механизма Вайсскопфа, заключающийся в использовании для расчета вероятностей испарения частиц плотностей уровней и сечений обратных реакций, рассчитанных для групп близких ядер. Проведенные сравнения полученных сечений различных реакций, протекающих при взаимодействии протонов с ядрами циркония, стронция и цезия, показали целесообразность использования такого подхода. В таблице 1 приведено сравнение отклонений

расчет и:, даккы.к от эхспор;:,.. :гтсльных, получение для "Л/ другими авторами, с отклонениям сслений, рассчитанных с помощью приближенных формул, описывающих ис-пар1ггсльную стадию, так и в предложенном подходе.

Таблица 1.

Сравнение отклонений сечений протонных реакций на ''¿г. Энергия протонов 1 ГэВ.

Соболевский и др. КАСКАД КАСКАД модифицир.

7.725 10.939 6.442

0.429 0.470 0.3609

0.090 0.266 0.131

0.807 0.638 0.761

Кдк следует из табл.1, рассчитанные в предложенном подходе сечения образования различных изотопов более качественно воспроизводят экспериментальные данные по сравнению с расчетами других авторов. Данный вывод подтверждается тем фактом, что дисперсия, рассчитанная для данных, полученных на основе предложенного подхода, во всех случаях меньше дисперсий результатов, полученных ранее, а также с использованием оригинальной версии программы КАСКАД (соответственно на 20% для 15% для т1г и 18% для '"Сл).

Раздел 3.2 содержит описание способа получения оцененных активациоиных данных в области энергий от порогов реакций (5-25 МэВ) до 1 ГэВ. Оценка сечений проведена на основе предложенных в разделе 3.1 модификаций гибридно-экситонной и каскадно-испаригельной моделей. При энергиях нейтронов ниже 20 МэВ использованы данные библиотек ЕАР и АОЬ-З. Обсуждается формат представления данных, соответствующий сган-

дарту ЕГЛ)Р-6 и позволяющий использовать полученные данные в дальнейших исследованиях процессов активации конструкционных материалов.

В четвертой главе исследуются процессы образования мезатомов в молекулярной среде смеси изотопов водорода.

На основе решения задачи двух кулоновских центров в квазиклассическом подходе получены количественные характеристики процессов образования мюонных атомов на начальном этапе цикла мюонного катализа. По сравнению с более ранними исследованиями учтено влияние на распределения мюооных атомов по кинетическим энергиям и квантовым числам отталкивательных термов, которые диссоциируют на мюонный атом и ядро. Уста-

I

новлено, что полученные первичные распределения мюооных атомов по квантовым числам существенно отличаются от аналогичных распределений для захвата мюонов в атомарном водороде Распределения мюонных атомов по кинетическим энергиям по сравнению с результатами для атомарного водорода несколько сдвигаются в сторону более низких кинетических энергий, хотя качественно они сходны, что является следствием неравномерной заселенности состояний, которая снижается с увеличением главного квантового числа.

Распределения мюонных атомов по кинетическим энергиям (в системе ц.и. при распаде покоящегося иона) без учета и с учетом притягивательных термов, приведены на рис.5, а) и б), соответственно.

а)

б)

Рис 5 Распределение мюооных атомов по кинетическим энергиям для случая отталкивательных (а) и как отталкивательных, так и притягивательных (б) термов.

Для определения степени хаотичности рассматриваемой системы были получены распределения относительных междууровневых расстояний для термов меэомолекулярных

ионов. Эти распределения позволяют сделать вывод о том, что при рассматриваемых условиях система является упорядоченной, а также подтверждют предположение о том, что распределение Вигнера хорошо описывает свойства серий уровней сложных систем с фиксированными точными интегралами движения (в данном случае - полным угловым моментом).

Утверждается, что установление физической картины процессов образования мезоатомов необходимо для разработки концепции мюонно-каталитического гибридного реактора.

Выводы

Результаты расчетов, выполненных с использованием разработанных на основе предложенных методов и моделей программ, позволили создать библиотеки и файлы данных, предназначенные для проведения исследований процессов радиационной повреждаемости, активации, трансмутации и переноса нейтронов для широкого круга материалов, облучаемых нуклонами промежуточных и высоких энергий.

Предложены модификации гибридно-экситонной и каскадно-испарительной моделей, основывающиеся на индивидуальном наборе эффективных параметров сверхтекучей модели ядра для проведения расчетов плотности ядерных уровней в рамках гибридно-экситонной модели, и уточнений, внесенных в реализацию испарительного механизма Вайсскопфа, связанных с расчетом вероятностей испарения частиц.

На основе решения задачи двух кулоновских центров в квазиклассическим подходе получены распределения мюонных атомов по кинетическим энергиям и квантовым числам в молекулярной смеси изотопов водорода Исследована степень квантовой хаотичности таких систем. Результаты уточняют количественные характеристики процессов образования мезоатомов, лежащих в основе концепции мюонно-каталитического гибридного реактора.

На основе проведенных вычислений созданы:

• библиотека сечений для исследования радиационной повреждаемости материалов БИСЕРМ-2, содержащая сечения смещения, сечения образования гелия и водорода в реакциях, протекающих при облучении 259 стабильных ядер от алюминия до висмута нейтронами с энергией до 1 ГэВ;

• файлы данных для исследования процессов переноса нейтронов в материалах, облучаемых нейтронами с энергиями до 50 МэВ, включающие информацию о полных сечениях,

сечениях упругого и неупругого рассеяния, сечениях пороговых реакций, угловых и энергетических распределениях вторичных нейтронов, спектрах ядер отдачи для реакций, протекающих на ядрах "С., "0,"Na, яЯ, "'К, 11К "Cr, "Fe, тРЬ, 2,2ГН, 23,Ра, т(/, 23,Ры,24°Ри.

• сформированы файлы данных для исследования процессов активации основных конструкционных материалов, облучаемых нейтронами с энергиями до 1 ГэВ.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Станковский А Ю, Фесенко Г. А. Плотность уровней мюонного молекулярного иона и распад симметричных мезоионов // Известия вузов. Ядерная энергетика, 1993, т.2, с.97-103.

2. Yu A Korovin, V.V.Artisyuk, A.Yu Konobeyev, P E Pereslavtsev, V.I Plyaskin, A.Yu Stankovsky. Neutron data library for transactinides at energies up to 100 MeV // Proc Int. Conf. on Accelerator-Driven Transmutation Technologies and Applications, Las-Vegas, USA, 1994, p 834-837.

3. A.Yu Konobeyev, Yu A.Korovin, P.E.Pereslavtsev, V.I.Plyaskin, A.Yu.Stankovsky. WIND. Nuclear Data Library for Transactinides at Energies up to 100 MeV // Report IAEA, INDC(CCP)-384, July 1995.

4. Yu.A Korovin, A.Yu Konobeyev, P.E.Pereslavtsev, V.I Plyaskin, A.Yu.Stankovsky. Evaluation of Nuclear Data for Transuranium Elements in the Intermediate Energy Region // Progress in Nuclear Energy, 1995, v.29(SuppIement), p 297-302.

5 Korovin Yu.A., Konobeyev A.Yu, Pereslavtsev P.E., Stankovsky A.Yu, Plyaskin V.I.. Nuclear data to study radiation damage, activation and transmutation of materials irradiated by particles of intermediate and high energies // Proc. Int. Workshop on Nuclear Methods for Transmutation of Nuclear Waste (NMTW'96), Dubna^ Russia, May 1996, p. 146-152.

6. Yu A Korovin, A.Yu Stankovsky, A.Yu Konobeyev and P.E.Pereslavtsev. Cross section calculations for radiation damage of structural materials irradiated by particles with energies up to 10 GeV // Proc. Int. Conf on Emerging Nuclear Energy Systems, Obninsk, Russia, June 24-28, 1996, p 640-649

7. Yu.A Korovin, A.Yu Konobeyev, P E.Pereslavtsev, A.Yu Stankovsky, A.NChmelev, V.V Artisyuk, M Saito, Y Fuji-e, M.Suzuki. General problems of emerging nuclear energy sys-

terns // Proc. Int. Conf on Emerging Nuclear Energy Systems, Obninsk, Russia, June 24-28, 1996, p.9-20.

8. Коровин Ю.А, Конобеев А.Ю., Переславцев П.Э., Станковский А.Ю. Ядерные данные для исследования радиационных эффектов, активации и трансмутации материалов, облучаемых частицами промежуточных и высоких энергий // Известия вузов. Ядерная энергетика, 1996, т.6, с.76-84.

9. Yu.A.Korovin, A.Yu.Konobeyev, V.P.Lunev, P.E.Pereslavtsev, A.Yu.Stankovsky, U.Fischer, U.v.Möllendorff, M.Sokstic-Kostic, P.Wilson, D Woll. Evaluation and Test of High-Energy Neutron Cross Section Data for the IFMIF Intense Neutron Source // Proc. 19-th Symp. on Fusion Technology, Lisbon, Portugal, Sept. 16-20, 1996, p.20-26.

10. E.Daum, U.Fischer, A.Yu.Konobeyev, Yu.A.Korovin, V.PI.Lunev, U.von Möllendorff, P.E.Pereslavtsev, M.Sokcic-Kostic, A Yu.Stankovsky, P.P.H.Wilson, D.Wotl. Neutronics of the High Flux Test Region of the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) // Forschungszentrum Karlsruhe, Wissenschaftliche Berichte, FZKA 5868, 1997.