[論文レビュー] Po-production in lead: A benchmark between Geant4, FLUKA and MCNPX

Alfredo Ferrari, D. Kiselev+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2018

Nuclear Physics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、575 MeVプロトンによる lead の照射における Po-同位体生成を Geant4、FLUKA、MCNPX を用いてベンチマーク評価した。INCL4.6/ABLA07 モデルを用いた場合、従来の MCNPX で過小評価されていた α 粒子およびトリトン反応を正確に扱うことで、実験データと優れた一致を示した。これは、標準的な第1世代の核内カスケードを越えて、α 粒子やトリトンを含む反応モデルの選択が Po 活性予測に顕著な影響を与えることを示している。

ABSTRACT

On the last SATIF a comparison between the measured activities of the polonium isotopes Po-208, Po-209 and Po-210 and the simulated results using MCNPX2.7.0 was presented. The lead samples were cut from the SINQ spallation target at the Paul Scherrer Institut (PSI) and irradiated in 2000/2001 by 575 MeV protons. The Po-isotopes were separated using radiochemical methods by the group of D. Schumann at PSI and measured. Choosing the default model in MCNPX, Bertini-Dresner, the prediction underestimated the measured activities by up to several orders of magnitude. Therefore the Liège intranuclear-cascade model (INCL4.6) coupled to the de-excitation model ABLA07 were implemented into MCNPX2.7.0 and very good agreement was found to the measurement. The reason for the disagreement was traced back to a suppression of alpha reactions on the lead isotopes leading to Po and neglecting the triton capture on Pb-208, which leads to Pb-210 and decays into Po-210 with a much longer life time (22.3 years) than the decay of Po-210 itself (138 days). The prediction of the Po-isotope activities turns out to be a sensitive test for models and codes as it requires the accurate treatment of reaction channels not only with neutrons, protons and pions but also with alphas and tritons, which are not considered in intra-nuclear cascade models of the first generation. Therefore it was decided to perform a benchmark by comparing the results obtained with MCNPX2.7.0 using INCL4.6/ABLA07 to the predictions of FLUKA and Geant4. Since the model of the SINQ spallation source requires an elaborate geometry a toy model was setup. The toy model has a simplified geometry preserving the main features of the original geometry. The results for the activities of the three Po-isotopes and Pb-210 as well as the energy spectra for alphas and tritons obtained with the three particle transport Monte Carlo codes are presented.

研究の動機と目的

• スパリケーション照射下における lead におけるポロニウム同位体生成をシミュレートする際の、Geant4、FLUKA、MCNPX の予測精度を評価すること。
• MCNPX のデフォルトモデル、特に Bertini-Dresner 核内カスケードが、Po-208、Po-209、Po-210 の活動を著しく過小評価していたことの欠陥を特定すること。
• SINQ スパリケーションターゲットの照射から得られた実験データを用いて、INCL4.6/ABLA07 を用いた改良版 MCNPX の妥当性を検証すること。
• 特に α 粒子およびトリトンを含む反応に敏感な核反応モデルの性能を評価するためのベンチマークとして、Po-同位体生成を確立すること。

提案手法

• 計算効率を確保するため、複雑な SINQ スパリケーションターゲット幾何の主要な特徴を保持する簡略化されたトイジオメトリを開発した。
• Geant4、FLUKA、MCNPX2.7.0 を用いてモンテカルロ粒子輸送シミュレーションを実施し、核反応カスケードおよび励起状態の崩壊には INCL4.6/ABLA07 モデルを適用した。
• Po-同位体の活動および α 粒子とトリトンのエネルギースペクトルについて、3 つのコード間で結果を比較した。
• 実験データとして、照射された lead サンプルからの Po-208、Po-209、Po-210、Pb-210 の化学的分離と測定結果をベンチマークとして用いた。
• 反応チャネルの取り扱いの不一致、特に α 発射および Pb-208 におけるトリトン捕獲の特定に焦点を当てた。
• 特定の反応チャネル（例：208Pb(t,α)210Po および 208Pb(α,2n)210Po）が最終的な Po-同位体収量に与える影響を分離するための感度解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜデフォルトの MCNPX モデル（Bertini-Dresner）は lead における Po-同位体活動を予測できず、数個のオーダーも過小評価していたのか？
• RQ2 Geant4、FLUKA、および INCL4.6/ABLA07 モデルを用いた MCNPX が、lead における Po-208、Po-209、Po-210 生成に関して実験データとどのように一致するか？
• RQ3 α 粒子およびトリトン誘発反応が Po-同位体生成にどの程度寄与しているのか、そしてなぜ正確なシミュレーションにおいてこれらが重要なのか？
• RQ4 Po-同位体生成は、スパリケーション反応をシミュレートする核輸送コードの性能を評価するための感受性の高いベンチマークとして機能できるか？
• RQ5 特にトリトンや α 粒子を含む軽いイオンを伴う反応チャネルの中で、元の MCNPX シミュレーションの不一致を引き起こしていたのはどの特定の反応チャネルか？

主な発見

• デフォルトの MCNPX モデル（Bertini-Dresner）は、lead 同位体における α 反応が抑制されていたため、Po-同位体活動を最大数個のオーダーも過小評価していた。
• MCNPX2.7.0 に INCL4.6/ABLA07 モデルを実装したことで、実験データと優れた一致を示し、その高い正確性が確認された。
• Pb-208 におけるトリトン捕獲（Pb-210 を生成し、22.3 年の半減期で Po-210 に崩壊）が Po-210 活性の主要因であることが特定され、第1世代モデルでは以前に無視されていた。
• Geant4、FLUKA、MCNPX が予測する α 粒子およびトリトンのエネルギースペクトルは良好な一致を示し、軽いイオンの放出の取り扱いが妥当であることが検証された。
• 本研究は、Po-同位体生成が、特にトリトンや α 粒子を含む反応に敏感な核反応モデルの評価に非常に感受性の高いベンチマークであることを確認した。
• ベンチマークは、スパリケーション過程の正確なシミュレーションには、陽子、中性子、π 粒子を越えた非標準的な反応チャネルの精密なモデル化が不可欠であることを示している。