[论文解读] $^{235}$U(n, f) Independent Fission Product Yield and Isomeric Ratio Calculated with the Statistical Hauser-Feshbach Theory

Shin Okumura, Toshihiko Kawano+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Nuclear physics research studies被引用 6

一句话总结

本文提出HF3D模型，一种用于计算235U(n,f)裂变中独立裂变产物产额（YI(A)）和同质异能比（IR）的确定性Hauser-Feshbach模型。通过将统计衰变理论应用于约1,000个初级裂变碎片，并调整参数以重现实验测得的中子多重性及质量依赖性，该模型在YI(A)方面与JENDL/FPY-2011数据具有良好的一致性，同时预测的IR低于Madland-England模型，且发现IR在高达5 MeV的入射中子能量下基本不受影响。

ABSTRACT

We have developed a Hauser-Feshbach fission fragment decay model, HF$^3$D, which can be applied to the statistical decay of more than 500 primary fission fragment pairs (1,000 nuclides) produced by the neutron induced fission of $^{235}$U. The fission fragment yield $Y(A)$ and the total kinetic energy TKE are model inputs, and we estimate them from available experimental data for the $^{235}$U(n$ m_{th}$,f) system. The model parameters in the statistical decay calculation are adjusted to reproduce some fission observables, such as the neutron emission multiplicity $\overlineν$, its distribution $P(ν)$, and the mass dependence $\overlineν(A)$. The calculated fission product yield and isomeric ratio are compared with experimental data. We show that the calculated independent fission product yield $Y_I(A)$ at the thermal energy reproduces the experimental data well, while the calculated isomeric ratios tend to be lower than the Madland-England model prediction. The model is extended to higher incident neutron energies up to the second chance fission threshold. We demonstrate for the first time that most of the isomeric ratios stay constant, although the production of isomeric state itself changes as the incident energy increases.

研究动机与目标

• 开发一种替代蒙特卡洛方法的确定性方法，用于裂变产物产额（FPY）评估，以实现对罕见裂变碎片构型的高效且全面采样。
• 通过引入真实的初始碎片构型与实际的统计Hauser-Feshbach衰变，提高235U(n,f)中独立裂变产物产额（YI(Z,A)）与同质异能比（IR）预测的准确性。
• 评估235U(n,f)中同质异能比在高达5 MeV能量范围内的能量依赖性，填补当前核数据库中的空白。
• 提供一个一致的框架，将裂变碎片衰变与衰变数据库相连接，实现累积产额与质量链产额的同时预测。

提出的方法

• HF3D模型将统计Hauser-Feshbach理论应用于235U(n,f)裂变产生的约500对初级裂变碎片（共1,000种核素）的衰变，采用确定性而非蒙特卡洛采样方法。
• 输入参数包括初级裂变碎片质量分布（用五个高斯函数建模）、总动能（TKE），以及通过最可能电荷（Zp）模型获得的电荷分布。
• 通过实验数据对初始碎片激发能、自旋宇称分布及非等温参数RT进行调优，以重现平均瞬发中子多重性ν̄、其质量依赖性ν̄(A)，以及中子发射多重性分布P(ν)。
• 模型计算轻、重碎片的中子蒸发过程，追踪每个核素向最终基态或亚稳态的演化过程。
• 基于基态与亚稳态之间的自旋差异，结合RIPL数据库中的核结构数据，计算同质异能比。
• 模型扩展至入射中子能量高达5 MeV，其TKE与碎片分布输入参数随能量变化，依据实验趋势确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过确定性Hauser-Feshbach方法在不使用蒙特卡洛采样的前提下，准确重现235U(n,f)的独立裂变产物产额（YI(A)）？
• RQ2 HF3D模型预测的同质异能比（IR）与广泛使用的Madland-England模型及实验数据相比如何？
• RQ3 在235U(n,f)中，同质异能比在多大程度上随入射中子能量变化，特别是接近二次裂变阈值时？
• RQ4 为重现235U(n,f)中实验测得的ν̄、ν̄(A)与P(ν)，尺度因子f与非等温参数RT的最佳取值是多少？
• RQ5 当与衰变数据库耦合时，HF3D模型能否一致地预测独立与累积裂变产物产额？

主要发现

• 计算得到的235U(n,th,f)独立裂变产物产额YI(A)与JENDL/FPY-2011评估数据高度一致，尤其在A ≈ 93、96和134处表现出双峰结构，这是由于初级碎片的瞬发中子发射所致。
• 该模型预测的同质异能比（IR）低于Madland-England模型，表明与标准方法存在系统性偏差，尤其在136I等核素中差异显著。
• 对于100Y与138Cs等选定核素，尽管基态与亚稳态的份额随入射中子能量从热中子到5 MeV发生变化，其同质异能比仍保持近似恒定。
• 非等温参数RT对中子多重性ν̄(A)的质量依赖性敏感，而自旋分布中的尺度因子f主要影响P(ν)分布的形状。
• 该模型成功重现了实验测得的平均瞬发中子多重性ν̄及其质量依赖性ν̄(A)，验证了初始碎片参数调优的有效性。
• 本研究结果表明，235U(n,f)中同质异能比通常对入射中子能量不敏感，支持在核数据库中采用能量无关的IR值。