[논문 리뷰] Po-production in lead: A benchmark between Geant4, FLUKA and MCNPX

Alfredo Ferrari, D. Kiselev외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 10.

Nuclear Physics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 벤치마크 연구는 575 MeV 프로톤으로 조사된 lead에서 Po-이소토프 생성을 Geant4, FLUKA, MCNPX 및 INCL4.6/ABLA07 모델을 사용하여 평가한다. 이 연구는 이전에 기본 MCNPX에서 간과되었던 알파 및 트리톤 반응의 정확한 처리가 실험 데이터와 뛰어난 일치를 이끌어내며, 표준 1세대 내핵 반응 캐스케이드를 초월해 핵 반응 모델의 선택이 Po-활동 예측에 민감하게 영향을 준다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스팔라션 조사 조건에서 lead 내에서의 polonium 이소토프 생성을 시뮬레이션하는 Geant4, FLUKA, MCNPX의 예측 정확도를 평가하기 위해.
• MCNPX의 기본 모델, 특히 Bertini-Dresner 내핵 반응 캐스케이드가 Po-208, Po-209, Po-210 활동을 몇 개의 주기 수준으로 크게 과소평가하고 있다는 결함을 규명하기 위해.
• SINQ 스파라션 타겟 조사에서의 실험 데이터를 기반으로, INCL4.6/ABLA07을 사용한 개선된 MCNPX의 구현을 검증하기 위해.
• 특히 알파 입자와 트리톤을 포함한 반응에 민감한 핵 반응 모델 평가를 위한 기준으로서 Po-이소토프 생성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 계산 효율성을 확보하기 위해 복잡한 SINQ 스파라션 타겟 기하구조의 핵심 특성을 유지하는 단순화된 토이 기하구조를 개발하였다.
• Geant4, FLUKA, MCNPX2.7.0를 사용하여 몬테카를로 입자 운반 시뮬레이션을 수행하였으며, 핵 반응 캐스케이드 및 탈-excited 상태 처리에 INCL4.6/ABLA07 모델을 적용하였다.
• 세 코드 간의 Po-이소토프 활동 및 알파와 트리톤의 에너지 스펙트럼 결과를 비교하였다.
• 실험 데이터는 조사된 lead 샘플에서 Po-208, Po-209, Po-210 및 Pb-210의 방사화학적 분離 및 측정 결과를 기반으로 한 벤치마크로 사용되었다.
• 특히 알파 방출 및 Pb-208에서의 트리톤 포획에 대한 반응 채널 처리의 격차를 규명하는 데 집중하였다.
• 특정 반응 채널의 영향을 분리하기 위해 민감도 분석을 수행하였으며, 이는 208Pb(t,α)210Po 및 208Pb(α,2n)210Po와 같은 반응을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 기본 MCNPX 모델(Bertini-Dresner)은 lead 내 Po-이소토프 활동을 몇 개의 주기 수준으로 과소평가했는가?
• RQ2 Geant4, FLUKA, MCNPX에서 INCL4.6/ABLA07 모델을 사용한 Po-208, Po-209, Po-210 생성 예측이 실험 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 알파 및 트리톤 유도 반응은 Po-이소토프 생성에 얼마나 기여하는가? 왜 이러한 반응이 정확한 시뮬레이션에 필수적인가?
• RQ4 Po-이소토프 생성은 스파라션 반응을 시뮬레이션하는 데 있어 핵 운반 코드 성능 평가를 위한 민감한 기준이 될 수 있는가?
• RQ5 원래 MCNPX 시뮬레이션에서의 격차를 일으킨 특정 반응 채널—특히 트리톤과 알파와 같은 경량 이입자와 관련된 것—은 무엇인가?

주요 결과

• 기본 MCNPX 모델(Bertini-Dresner)은 lead 이소토프에서 알파 반응이 억제되어 Po-이소토프 활동을 몇 개의 주기 수준으로 과소평가하였다.
• MCNPX2.7.0에 INCL4.6/ABLA07 모델을 구현한 결과 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였으며, 이는 개선된 정확도를 확인한다.
• Pb-208에서의 트리톤 포착은 Pb-210을 생성하며, 이는 22.3년의 반감기를 가지며 Po-210으로 붕괴된다. 이는 Po-210 활동의 주요 기여 요소로 규명되었으며, 이전 1세대 모델에서는 간과되었다.
• Geant4, FLUKA, MCNPX에서 예측한 알파 및 트리톤의 에너지 스펙트럼 간 양호한 일치를 보였으며, 이는 경량 이온 방출 처리의 정확성을 검증한다.
• 이 연구는 특히 트리톤과 알파와 같은 경량 이온을 포함한 반응에 민감한 핵 반응 모델 평가를 위한 기준으로서 Po-이소토프 생성이 매우 민감한 기준임을 확인한다.
• 벤치마크는 스파라션 과정의 정확한 시뮬레이션을 위해서는 양성자, 중성자, 피온을 초월한 비표준 반응 채널의 세밀한 모델링이 필요하다는 것을 입증한다.