基于温度相关声子谱模型的通用热中子截面产生技术及影响因素研究

Nuclear design and neutronic analysis of thermal neutron reactor need high reliable thermal neutron cross sections, neutron cross sections in thermal range are correlated with energy, temperature, physical and chemical properties of the scattering medium, reflecting the phonon spectrum of material itself. However, currently most studies at home and aboard were based on the semi-empirical and simplified phonon spectrum, which is irrelevant to the temperature, and then several approximations are introduced to get the thermal neutron cross sections, resulting in big errors for reactor physics and neutron spectrum calculations. Present thermal scattering library (TSL) generation techniques cannot fulfil the urgent demand for high fidelity calculation, especially for new moderators and materials suffering radiation damage. Therefore accurate determination of the thermal neutron scattering cross sections generation technique becomes a necessity. This project was focused on generating a more accurate phonon density of states with temperature dependent for moderator materials using ab initio and molecular dynamic method, a general techniques for thermal neutron cross section processing will be proposed, the impact of the vacancy, interstitial atoms and dopants on the thermal neutron scattering cross section will be investigated, it will reveal the varying characteristic of temperature dependent phonon spectrum and inelastic scattering cross sections, which can lay the important foundation for studying new moderators and neutronic analysis of thermal reactor, as well as for design of the thermal neutron filer and cold neutron source.

热中子反应堆的核设计和中子学分析需要高可靠的热中子截面数据，热能区的中子截面与散射介质的能量、温度、物理和化学性质密切相关，反映的是材料自身的声子谱特征，然而，目前国内外大多还是采用基于半经验关系的简化声子谱模型，与温度不相关，并引入较多近似从而得到热中子截面，给反应堆临界和中子能谱计算引入了较大误差，尤其是对于新型慢化剂和造成辐照损伤的材料，已有的热中子截面产生技术已经无法满足精细计算的需要。因此深入研究更加完备的热中子截面产生技术已成为迫切课题。本课题将采用第一性原理和分子动力学方法研究慢化剂材料更为精确的与温度相关的声子态密度，提出通用的热中子截面产生技术，研究空穴、间隙和掺杂等影响因素对材料热中子截面的影响，揭示不同温度下声子态密度及非弹性散射热中子截面的变化规律，为新型慢化剂的研究和热中子反应堆中子学计算以及热中子过滤器、冷中子源设计奠定重要的基础。

可靠的热中子散射数据对热中子反应堆的中子学分析、热中子过滤器和冷中子源的设计等工作至关重要，热能区中子的散射截面强烈依赖于材料自身的声子态密度特征，其准确性直接影响反应堆临界和中子能谱的计算。目前国际上评价核数据库中热中子散射数据的协方差数据是缺失的，研究由热中子散射数据不确定度引起积分参数的不确定度是国内外重要的研究内容。.本项目研究了半经验关系式、第一性原理以及分子动力学方法产生热中子散射材料声子态密度的办法，避免了单一方法对不同材料的局限性，提出了采用热力学参数实验值来验证声子态密度计算值的办法，基于分子动力学方法研究了温度相关声子态密度的产生，发现了掺杂后声子态密度的偏移现象。.在热中子散射数据的处理过程中，针对热中子散射律数据的制作，本项目发现声子展开法更倾向于在均匀能量间隔的网格上提供声子态密度输入，而数值积分法在不均匀声子分布下计算更灵活，针对双微分截面数据的计算，提出了与核素相关、嵌入β网格的自适应入射能量网格技术，可以准确捕捉金属氢化物总截面的振荡特征，并基于“Broomstick”问题，证明了用连续型热中子散射数据表示的物理过程更贴近真实情况。.在热中子散射数据的宏观检验过程中，针对热中子散射数据对反应堆临界安全的影响，研究了不同相结构的ZrHx热中子散射数据对西安脉冲堆中子学特性的影响，证明了热中子散射特性对反应堆临界计算的重要性。针对热中子散射数据对热中子过滤效果的影响，研究了铋和蓝宝石热中子散射数据对CARR研究堆和西安脉冲堆不同孔道出射中子束流成形效应的影响，证实了不同热中子散射特性对孔道的屏蔽过滤效果影响显著。.本项目提出了一种与半经验声子模型相关的热中子散射数据评价方法，利用统计学抽样完成ZrHx中H的热中子散射数据不确定性对反应堆keff不确定度的分析，基于实验核数据，分别采用确定论最小二乘法和统一的蒙特卡罗方法调整声子参数，降低了微分截面数据和积分数据keff的计算误差和不确定度，总截面理论值与实验值的平方偏差最大减小为之前的20%，keff计算值精度最大可提高160pcm，不确定度最大可减小193pcm，调整后的keff误差小于80pcm、不确定度小于120pcm。.本项目建立了基于先进声子态密度的热中子散射数据的产生和评价方法，对热中子反应堆中子学计算、新型慢化剂材料的中子慢化能力研究等工作具有重要的理论和现实指导意义。