[論文レビュー] Recent MARS15 developments: nuclide inventory, DPA and gas production

N. Mokhov|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2012

Nuclear reactor physics and engineering被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー加速器施設における核反応のモデル化に関して、MARS15モンテカルロコードにおける最近の進展を提示している。核種インventry、格子欠損損傷（DPA）、およびガス生成を焦点としており、低〜中エネルギー相互作用のための改善された物理モデルを導入し、実験データと照合して妥当性を検証し、加速器部品の放射線損傷および活性化の予測精度を向上させている。

ABSTRACT

Recent developments in the MARS15 code are described for the critical modules related to demands of hadron and lepton colliders and Megawatt proton and heavy-ion beam facilities. Details of advanced models for particle production and nuclide distributions in nuclear interactions at low and medium energies, energy loss, atomic displacements and gas production are presented along with benchmarking against data.

研究の動機と目的

• 高エネルギーハドロンおよびレプトンビームにさらされた材料における核変換および活性化のモデリングにおけるMARS15の能力を向上させること。
• 加速器遮蔽およびビームダム環境における構造材料の格子欠損損傷（DPA）計算の精度を向上させること。
• 放射線条件下でのガス生成（例えばヘリウム、水素）のための高度なモデルの開発および妥当性検証。
• メガワット級プロトンおよび重イオンビーム施設および将来のコライダーの設計および安全性評価を支援すること。
• 広いエネルギー範囲にわたる粒子輸送、エネルギー損失、および核反応結果の信頼性の高いシミュレーションを確保すること。

提案手法

• 低・中エネルギー核子およびイオン誘発反応のための高度な核反応モデルの実装。
• 電子、プロトン、および重イオンのMARS15輸送コードにおける更新されたエネルギー損失およびイオン化効果の統合。
• 核種生成および崩壊系列を追跡する詳細な核反応系列モデルの開発。
• 二体衝突および熱スパイクシミュレーションに基づく原子格子欠損およびガス生成モデルの統合。
• 加速器および原子炉の照射キャンペーンからの実験データと照合したモデル予測のベンチマーク。
• 妥当性検証の出典として、FERMILAB-CONF-10-518-APCレポートおよびICFA HB2010ワークショップデータの使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MARS15は、高フラックスハドロン照射下における構造材料の特定核種生成量をどれほど正確に予測できるか？
• RQ2 加速器環境における重イオンおよびプロトンビームが材料に与える影響を反映させるために、DPAモデリングにどのような改善が必要か？
• RQ3 MARS15に新たに導入されたガス生成モデルは、プロトン照射下におけるシリコンカーバイドやステンレス鋼などの材料におけるヘリウムおよび水素蓄積量の実験測定値をどれほどよく再現できるか？
• RQ4 以前のバージョンと比較して、MARS15に更新された物理モデルは実験データとの乖離をどの程度低減するか？
• RQ5 強化されたMARS15コードは、次世代のメガワット級加速器施設の安全性および設計分析を信頼性を持って支援できるか？

主な発見

• 更新されたMARS15コードは、プロトンおよび軽イオンで照射された鉄、ケイ素、その他の材料における核種生成収率について、実験データと良好な一致を示している。
• DPA計算は、構造合金における原子格子欠損のエネルギーおよび材料依存性をよりよく反映しており、高フルエンス領域における不確実性が低減されている。
• ガス生成モデルは、シリコンカーバイドやステンレス鋼などの材料において、プロトン照射下でのヘリウムおよび水素生成速度を測定値とよく再現している。
• 詳細な核反応系列および崩壊データの統合により、長期的な活性化予測の精度が顕著に向上している。
• 加速器施設からのベンチマークデータとの妥当性検証により、新しいモデルが放射線安全および部品寿命評価に使用する上で信頼性があることが確認された。
• 放射線誘発材料変化の予測能力が向上し、高出力加速器におけるビームダムおよび遮蔽システムの設計および最適化に適した水準に達している。