[논문 리뷰] 7-Li(p,n) Nuclear Data Library for Incident Proton Energies to 150 MeV

S. G. Mashnik, M. B. Chadwick외 5명|ArXiv.org|2000. 11. 17.

Nuclear reactor physics and engineering참고 문헌 12인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 150 MeV까지의 입사 프로톤 에너지에서 7Li(p,n) 반응에 대한 새로운 ENDF-6 형식의 핵데이터 라이브러리를 제시한다. 실험 데이터와 GNASH 모델 계산을 융합하여 중성자 수율, 각도 분포 및 에너지 스펙트럼을 예측한다. 평가된 데이터는 정확한 방사선 이동 시뮬레이션을 가능하게 하며, MCNPX 결과는 기존의 Bertini 내부핵 캐스케이드 모델 대비 새로운 데이터 테이블을 사용할 경우 실험과 더 잘 일치함을 보여준다.

ABSTRACT

We describe evaluation methods that make use of experimental data, and nuclear model calculations, to develop an ENDF-formatted data library for the reaction p + Li7 for incident protons with energies up to 150 MeV. The important 7-Li(p,n_0) and 7-Li(p,n_1) reactions are evaluated from the experimental data, with their angular distributions represented using Lengendre polynomial expansions. The decay of the remaining reaction flux is estimated from GNASH nuclear model calculations. The evaluated ENDF-data are described in detail, and illustrated in numerous figures. We also illustrate the use of these data in a representative application by a radiation transport simulation with the code MCNPX.

연구 동기 및 목표

• 150 MeV까지의 프로톤 에너지에서 7Li(p,n) 반응을 위한 종합적이고 평가된 핵데이터 라이브러리를 개발하여 중성자원 설계를 지원한다.
• 박막 및 두꺼운 리튬 타겟에 대한 중성자 수율, 에너지 스펙트럼 및 각도 분포의 예측 정확도를 향상시킨다.
• 검증된 실험 기반 데이터 테이블을 사용하여 MCNPX를 활용한 신뢰할 수 있는 방사선 이동 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 기존 평가의 한계, 특히 30 MeV 이상의 에너지 및 중성자 피크 폭과 에너지 위치에 대한 한계를 해결한다.
• fusion 재료 시험 및 기타 응용 분야에서 7Li 타겟을 이용한 준단일에너지 중성자원으로서의 가능성을 평가한다.

제안 방법

• 임계값부터 150 MeV까지의 7Li(p,n) 반응에 대해 여러 출처(Meadows, Anderson, Poppe, McNaughton 등)의 평가된 실험 데이터를 수집한다.
• 실험 데이터를 바탕으로 n₀ 및 n₁ 중성자의 각도 분포를 레전드르 다항식 전개를 사용해 표현한다.
• GNASH 핵모델 코드를 활용하여 반응 플럭스의 붕괴를 추정하며, 사전평형 및 복합핵 붕괴 과정을 포함한다.
• 150 MeV까지의 입사 에너지 범위에서 중성자, 이온 입자 및 감마선의 포함형 생산 단면적을 계산한다.
• 모든 채널 단면적을 통합하여 방사선 이동 코드에서 사용 가능한 완전한 ENDF-6 형식의 데이터 라이브러리를 구축한다.
• 3.6-mm 두께의 7Li 타겟에 43-MeV 프로톤 비임을 대상으로 MCNPX 시뮬레이션을 수행하여 실험 데이터와 비교함으로써 라이브러리의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실험 데이터와 모델 기반 데이터는 150 MeV까지의 7Li(p,n) 반응에서 중성자 수율과 에너지 스펙트럼을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 평가된 ENDF-6 데이터를 사용할 경우와 Bertini 내부핵 캐스케이드 모델을 사용할 경우 시뮬레이션된 중성자 피크 폭과 에너지 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 입사 프로톤 에너지가 증가함에 따라 n₀ 및 n₁ 중성자의 각도 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 고에너지 영역에서 사전평형 및 복합핵 붕괴 과정이 중성자 방출에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 새로운 데이터 라이브러리는 중성자원 응용 분야에서 박막 및 두꺼운 리튬 타겟 시스템의 시뮬레이션 정밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 평가된 ENDF-6 데이터 라이브러리는 150 MeV까지의 7Li(p,n) 반응을 포함한 완전하고 실험적으로 제약된 기술을 제공하며, 미분 단면적 및 각도 분포를 포함한다.
• n₀ 및 n₁ 중성자 수율은 강하게 전방 피크를 보이며, 20 MeV까지는 입사 에너지 증가에 따라 단조롭게 증가하여 20 MeV에서 14.5 mb/sr에 도달한다.
• 40 MeV 이상에서는 경량 탈출입자(중성자, 양성자, 알파 입자)의 포함형 단면적이 정체되며, 이는 7Li의 총 결합 에너지와 일치한다.
• GNASH 계산 결과에 따르면 고에너지 영역에서 사전평형 중성자 방출 기여도가 증가하여 더 넓은 에너지 스펙트럼으로 나타난다.
• 새로운 데이터 라이브러리를 사용한 MCNPX 시뮬레이션은 Bertini INC 모델 대비 실험 중성자 플럭스와 더 잘 일치하며, 특히 피크 폭과 에너지 위치에서 개선된 결과를 보인다.
• 새로운 데이터 라이브러리는 실험 결과와의 중성자 피크 폭 격차를 감소시켜 기존 모델 대비 더 높은 물리적 정밀도를 확보함을 시사한다.