第17届核电子学与核探测技术学术年会，2014.8.12-15，兰州 基于中国散裂中子源的核数据测量平台设计 阮锡超 WNS合作组 中国原子能科学研究院 中科院高能物理研究所 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 西北核技术研究所 第17届核电子学与核探测技术学术年会，2014.8.12-15，兰州

报告内容 1. 核数据及需求背景介绍 2. 基于中国散裂中子源的核数据测量平台初步设计 3. 展望与小结

1. 核数据及需求背景介绍

核数据简介 a+AB+b 核反应截面：入射粒子a与靶核A发生核反应，生成剩余核B和出射粒子b的几率

一是用于描述入射粒子(中子、质子、伽马等)与原子核相互作用性质的核反应数据。如全套中子反应数据、激发函数、裂变产额等等。 核数据简介 核数据通常可以分为两类： 一是用于描述入射粒子(中子、质子、伽马等)与原子核相互作用性质的核反应数据。如全套中子反应数据、激发函数、裂变产额等等。 二是描述单个核基本性质的核结构与放射性衰变数据。如能级纲图、衰变数据等等。 核反应数据还可以按其他方式进行分类： 分类方式 核数据种类 按核数据用途 通用和专用数据； 按入射粒子种类 中子、带电粒子、光核等数据； 按靶核质量分 轻核、中重核、裂变产物核和裂变核数据； 按入射粒子能量分 低能、中能和高能数据； 按数据的获取方式分为 测量数据和评价数据； 5/48

核数据在许多领域有重要的应用： 基础研究：核天体物理、核反应理论模型 新型核能系统： ☆ 第四代反应堆 ☆ ADS及核废料嬗变 ☆ 聚变堆 国防科技 其他应用：治癌、单粒子效应、材料辐照损伤等

Beyond Iron – mainly neutron induced 基础研究 neutron number proton number p-,np-process S-only Sr (n,g) Rb p-only Kr Br (b-) Se As r-process (b+) Ge Ga Zn r-only Cu Ni Unknown Co Fe Reifarth/Goethe U. 7

Nuclear data needs for the main s-process Nr=Nsolar-Ns Better uncertainties (1-3%) S-only nuclei Nuclei with small neutron cross section (around neutron magic numbers) We need to measure (n,g) cross sections between 0.1 and 500 keV.

第四代反应堆

ADS

核废料嬗变 目的：利用ADS研究99Tc与129I的嬗变 装置：TARC LEAD ASSEMBLY，CERN PS 2.75 GeV质子束 方法：将99Tc与I样品放在TARC靶的不同位置，测量(n,g)反应率，每个质子脉冲辐照后，通过跑兔装置将样品取出，测量产物核伽马（如99Tc通过测量100Ru得到） 结果及结论： 对于99Tc，实验结果与模拟结果符合较好，模拟时需特别注意共振自屏的修正问题； 对于127,129I，所有模拟结果小于实验结果，模拟计算依赖于不同的数据库及自屏蔽处理方法； 一方面，需改进I的(n,g)反应截面数据，另一方面，中子场的数据也是个问题，需改进Pb的低能散射及(n,g)数据精度。

127I与129I的实验数据及各家分析结果的比较 有系统偏差

分歧原因： 中子能谱及注量率预言的差别（Pb的数据） 127I及129I的(n,g)反应截面数据的差别

无论是基础研究还是应用研究（尤其是新型核能系统的设计研究），都对中子反应数据提出了新的需求。 ☆ 核素：稳定核不稳定核 ☆ 精度：越来越高 ☆ 能区：全能区 实验测量是核数据研究的基础。 高水平的实验测量需要有高性能的中子源与相应的探测系统。

缺点：能量不连续，单能点少，强度相对低。 迫切需要一个高强度的，能区覆盖宽的，脉冲结构好的白光中子源！ 国内现有中子源情况 设备 中子能量 强度 (1/s/sr) Reactors 热中子 1014 n/cm2/s HI-13 8-26 MeV (d+D) 4-23 MeV (p+T) 22-42 MeV (d+T) 108 107 106 1.7MV x 2 3-6 MeV (d+D) 14-20 MeV (d+T) 0.07-2.0 MeV (p+T) 0.03-1.3 MeV (p+Li) 109 倍加器 2.5, 14 MeV 108 ，1010 兰大，倍加器 2.5, 14 MeV (dc） 1011 已经对中国的核数据事业做出了重要贡献！ 缺点：能量不连续，单能点少，强度相对低。 迫切需要一个高强度的，能区覆盖宽的，脉冲结构好的白光中子源！ 原 子 能 院 此外，四川大学的回旋和静电加速器，北京大学的静电加速器，九院的倍加器，其能量和强度不超过以上所列

核数据测量需要的能区 我们已有 我们已有 超冷中子 冷中子 热中子 超热中子 快中子 我国的中子源情况

国际上：基于强流质子加速器的脉冲白光中子源已成为中子核数据测量的强有力工具 LANSCE/WNR： @ 裂变截面及裂变瞬发中子谱测量：TPC、FIGARO、PPAC @ (n,g)反应截面测量：DANCE @ 核反应导致的伽马能谱测量：GEANIE @ (n,x)反应测量 @ 中子总截面测量 CERN n_TOF： @ 裂变截面测量 @ (n,g)反应截面测量 @ (n,x)反应测量 J-PARC： @ (n,g)反应截面测量：4 Ge探测器

CERN nTOF

因此，CSNS的建立为国内核数据和相关中子物理研究提供了很好的机会！

核数据测量专用管道

反角中子管道实验室布局 优点：只要加速器开，就有中子提供实验，与其他实验互不干扰，因此束流时间充足（~5000 h/y） 缺点：非专用加速器，束流时间结构不能专为核数据设计，不能加慢化体 根据这个中子源的特点，发挥相应的优势，开展相应的工作，对国内来说，也是一个质的飞跃（投资相对很少）

CSNS中子源能谱、强度及时间分辨与国际同类装置的比较 结论： 核数据测量所需的中子源的3个关键指标：源强、可利用的能区、时间分辨 在源强和可利用的中子能区方面，CSNS的性能相当好 时间分辨不如CERN nTOF 对国内来说，将填补空白，极大地提高核数据测量能力

2.基于中国散裂中子源的核数据测量平台初步设计

可开展的核数据工作 可开展的其他工作 (n,) 截面 裂变截面 裂变瞬发中子谱 (n,n’)及(n,2n) (n,x) 截面 全截面 初始裂变产额？ 可开展的其他工作 单粒子效应 共振中子照相 辐射剂量 探测器标定 中子与氘核的反应 核结构研究 … 可开展的核数据工作

首先打算建立的测量能力 1. (n,) 截面 2. 裂变截面 3. 裂变瞬发中子谱 4. (n,n’)及(n,2n) 5. (n,x) 截面 6. 全截面

1-(n,)反应截面测量系统 样品室 中子管道 40个BaF2组成的伽马全吸收型探测器阵列 基于FADC的全波形数据获取系统 T：方便大家听报告，对6套探测器作个编号。 中子管道

拟开展的工作 锕系核(如U、Pu同位素)，次锕系核(如241Am)的(n, )反应截面 指示剂核及串级反应核(n, )反应截面 其他 可实现eV-1 MeV能区连续能点测量！ 目前：基本上只有热能点的数据（活化法）

2 - 裂变截面测量系统 多层裂变室，可同时测量多个样品 时间分辨需好于束流脉冲宽度（50 ns） 其中一层作为束流监视器（235U或238U） 响应快，抗堆垒

可实现eV-20 MeV(或更高)能区连续能点测量！ 拟开展的工作 锕系核(如U、Pu同位素)，次锕系核(如241Am)的裂变截面 可实现eV-20 MeV(或更高)能区连续能点测量！ 目前：只有个别能点的数据

3 - 裂变瞬发中子谱测量系统 双飞行时间测量系统： 脉冲束—裂变室之间的TOF（定入射中子能量） n 碎片 T：加了编号。 64个闪烁体中子探测器阵列 约20片裂变片的多层裂变电离室

可研究裂变瞬发中子谱随入射中子能量变化的系统行为 拟开展的工作 主要燃料核的裂变瞬发中子谱测量(尤其是关注高能段) 非弹性散射截面（需配伽马探测器） 中子与氘核的反应（配一个氘代液闪） 可研究裂变瞬发中子谱随入射中子能量变化的系统行为 目前：只有极个别能点的数据

4 - (n,2ng)和(n,n’g)反应测量系统 80个HPGe-BGO反康谱仪 10个小平面Ge 30个LaBr3(Ce)探测器 10个Si(Li)探测器 T：加了编号

拟开展的工作 裂变核、结构材料核等的(n,2n)及(n,n’) 丰中子核核结构研究 衰变纲图 … 可实现连续能点测量 目前：只有个别能点的数据

5 - (n,x)反应测量系统 T：加了编号。是否太简单了些，没有指标要求？ 1米直径的带电粒子靶室 多路E-E-E望远镜系统

拟开展的工作 (n,p), (n,), (n,d), (n,t)等反应截面及次级粒子能谱测量 裂变碎片角分布？ … 可实现连续能点测量 目前：只有个别能点的数据

6 - 全截面测量系统 需要建立： 换样品装置 不同种类的探测器以适应不同能区的中子探测 电子学与数据获取系统 T：加了编号。是否太简单了些，没有指标要求？ 需要建立： 换样品装置 不同种类的探测器以适应不同能区的中子探测 电子学与数据获取系统

拟开展的工作 全截面测量（为全套数据评价服务） 中子源能谱及强度测量 可实现eV-30 MeV连续能点测量 目前：共振区空白

3.展望与小结 建成后将是一个公共科学研究平台！ 填补我国eV-1MeV能区核数据的空白； 大大拓展我国的核数据测量能力：除裂变累积产额、衰变数据以及基于活化法的反应截面外，其他绝大部分的中子核数据都可以在这条管道上开展实验测量工作。可以实现一些重要中子核数据在全能区连续能点的实验测量，克服目前只能在一些特定能点逐点进行测量的不足； 可以实现一些以前无法开展的稀有同位素及放射性同位素的关键核数据测量工作。 建成后将是一个公共科学研究平台！

工作进展 – 前期工作回顾 2007: 作为CSNS质子扩展应用的方向之一启动,高能所与原子能院中子物理室/核数据中心紧密合作 2008: 证实反角中子可用于白光中子源 2010: CSNS经理部同意安排该终端 (RTBT布局作调整，安排15偏转)；发表NIM-A文章 2011: CSNS经理部同意同时建设反角终端的隧道 2013/3：高能所与原子能院核物理所签署WNS合作协议 2013/5: CSNS白光中子源研讨会；CSNS经理部同意加速终端设计和建设，争取2018年完成 2013/9：正式成立4单位联合的CSNS白光中子源工作组，争取科工局项目 2013/12：中子束线的物理设计评审会 42

工作进展 – 终端土建和公用设施 在CSNS经理部和园区建设办公室、公用设施分总体的大力支持下，反角白光中子终端的土建和公用设施工作进行的非常顺利，现已完成大部分。 土建、供电、供水、通风、地线等 RTBT隧道 WNS隧道 隔离RTBT隧道的加强屏蔽墙 反角中子终端隧道和RTBT隧道 43 43

束线物理设计基本完成，机械设计正在进行 ~108 ~106 ~105 φ30mm φ60mm 90mm*90mm

中子束线总体 中子开关 中子捕集器

谢谢 欢迎批评指正