采用康普顿伽玛光嬗变几种长寿命裂变产物的研究

The disposal of the radioactive nuclear waste of nuclear power plant is an important problem to be solved for the countries all over the world. Recently, scientists proposed a method of using high flux Compton gamma rays for transmutation of Long-Lived Fission Products (LLFPs), which can be used as a supplement to the neutron transmutation method. This project is aimed to analyze the difficulties in experiments and the shortcomings in theoretical calculations on transmutation of LLFPs induced by Compton gamma rays, study on the photo-transmutation of highly toxic, LLFPs such as Cs-135, Pd-107, Zr-93, Sn-126, whose neutron cross sections are relatively small, and analysis the photo-transmutation process under Compton gamma rays. Considering the effect of various reaction channels and prompt neutrons on photo-transmutation, we shall build a reasonable physical model of photo-transmutation by Compton gamma rays, and develop the corresponding simulation program. Aiming at the four LLFPs target, the simulation and calculation of the photo-transmutation will be carried out, and the key parameters diagnosed, such as the products of photo-nuclear reaction and the transmutation rate. Aimed at Shanghai Laser Electron Gamma Source (SLEGS) being constructed in China, we will optimize of the transmutation rate by tuning the parameters of Compton gamma beam and the target geometry, get the key physical parameters of Compton gamma beam and LLFPs target, provide a practical theoretical basis and technical support for treatment of the highly toxic, LLFPs for experimental research on SLEGS device in the future. This project is helpful to exploit a new application for intense Compton gamma rays in the field of transmutation of LLFPs, and there is a great hope to provide a new way for the safety disposal of LLFPs.

核电站中放射性废物的安全处理是世界各国函待解决的重要问题。国内外近来提出的利用高通量康普顿伽玛光嬗变处理长寿命裂变产物(LLFPs)的方法，可作为中子嬗变法的补充。本项目针对当前康普顿伽玛光嬗变LLFPs的实验困难和理论计算不足，以中子嬗变效果不显著的高毒、长寿命裂变产物Cs-135、Pd-107、Zr-93、Sn-126为光核嬗变对象，合理构建康普顿伽玛光－核嬗变的物理模型，开发相应程序，系统开展上述四种LLFPs靶材的嬗变模拟计算，诊断光核嬗变产物、嬗变反应率等关键参数；针对我国在建的上海激光电子伽玛源（SLEGS）装置，从康普顿伽玛光束参数及嬗变靶参数上优化光核嬗变反应率，获得束、靶关键物理参数，为将来用SLEGS嬗变LLFPs的实验研究提供切实可行的依据和理论支撑。本项目研究有助于开拓强康普顿伽玛光在LLFPs嬗变处理领域的新应用，并有很大希望为LLFPs的安全处理提供一种新途径。

核电站中放射性废物的安全处理是世界各国函待解决的重要问题。高通量康普顿伽玛光嬗变处理长寿命裂变产物(LLFPs)的方法，可作为中子嬗变法的补充。针对当前康普顿伽玛光嬗变LLFPs的实验困难和理论计算不足，本项目采用蒙特卡洛模拟的研究方法，以中子嬗变效果不显著的高毒、长寿命裂变产物Cs-135、Pd-107、Zr-93、Sn-126为光核嬗变对象，系统的开展了光核嬗变研究工作。本项目主要开展了以下四个方面的工作，并取得了明显进展。.(1)提出利用高通量、能量可调的康普顿γ光对Cs-135、Pd-107、Zr-93、Sn-126四种LLFPs进行光核嬗变处理。用4D-MCLCSS对SLEGS产生的原始γ谱进行模拟计算，并将光核反应模块耦合至Geant4软件包，构建了康普顿γ光与LLFPs相互作用的物理模型，开发出自主蒙特卡罗模拟程序，同时进行了物理模型检验，验证了程序的正确性和可靠性。.(2)对长寿命裂变产物Cs-135、Pd-107、Zr-93、Sn-126进行了嬗变模拟研究。运用自主开发的蒙特卡罗程序包研究SLEGS的康普顿γ光与Cs-135、Pd-107、Zr-93、Sn-126靶发生的光子作用（光子与物质的光电效应、康普顿效应、电子对生成及包括(γ,n)、(γ,2n)光中子反应、(γ,α)、(γ,p)、(γ,np)等反应及瞬发中子(n,f)反应在内的各种反应道）的物理过程。诊断嬗变产物分布表明，Cs-135、Pd-107、Zr-93、Sn-126的嬗变产物皆为稳定或短寿命核素。.(3)开展了SLEGS伽玛光束参数及靶参数优化研究。通过调节激光能量、激光与储存环电子的入射角，对产生的康普顿伽光的能谱进行了优化。优化了嬗变靶的最佳靶厚和半径。模拟得到了SLEGS康普顿伽玛光对四种裂变产物的嬗变率和嬗变耦合效率。结果表明，当SLEGS的康普顿γ光的光子通量为2×10^{8}/s时，获得优化后的最大嬗变反应率分别为Cs-135：1.6×10^{6}/s；Pd-107：1.7×10^{6}/s；Zr-93：1.4×10^{6}/s； Sn-126：1.1×10^{6}/s。.(4)评估了基于康普顿γ光源嬗变处理LLFPs的潜力及应用前景。结合国内外在建高品质康普顿γ光源及相关工艺发展，系统评估基于强康普顿γ光源嬗变处理LLFPs的潜力及应用前景。