[论文解读] Monte-Carlo simulation for fragment mass and kinetic energy distributions from neutron induced fission of 235U

M. Montoya, E. Saettone+1 more|ArXiv.org|Sep 7, 2007

Nuclear Physics and Applications参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究采用蒙特卡洛模拟，对热中子引发的 $^{235}$U 裂变中碎片质量与动能分布进行建模，考虑了中子发射以及初级碎片产额和动能的变异。该模拟成功再现了实验中观测到的最终碎片动能标准差的两种展宽：一处位于质量 $m \approx 109$，另一处位于 $m \approx 125$，前者归因于中子发射动力学，后者归因于初级碎片平均动能曲线的不连续性。

ABSTRACT

The mass and kinetic energy distribution of nuclear fragments from thermal neutron induced fission of 235U have been studied using a Monte-Carlo simulation. Besides reproducing the pronounced broadening on the standard deviation of the final fragment kinetic energy distribution $σ_{e}(m)$ around the mass number m = 109, our simulation also produces a second broadening around m = 125, that is in agreement with the experimental data obtained by Belhafaf et al. These results are consequence of the characteristics of the neutron emission, the variation in the primary fragment mean kinetic energy and the yield as a function of the mass.

研究动机与目标

• 理解在热中子引发的 $^{235}$U 裂变中，实验观测到的最终碎片动能标准差 ($\sigma_e(m)$) 展宽的起源。
• 研究 Belhafaf 等人观测到的 $m \approx 125$ 处展宽是否源于初级碎片特性或裂变后动力学。
• 通过中子发射，建模从初级碎片分布（质量产额 $Y(A)$，动能 $E(A)$）到最终碎片分布（$Y(m)$，$e(m)$）的转化过程。
• 确定中子发射特性以及初级碎片动能和产额变化在塑造最终动能分布中的作用。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛模拟，将初级碎片质量与动能分布通过中子发射过程传播，以获得最终碎片分布。
• 初级碎片动能 $E(A)$ 被建模为具有质量依赖性均值和标准差的高斯分布。
• 中子发射通过质量依赖的平均中子发射数 $\bar{\nu}(A)$ 模拟，其基于实验数据，并通过参数 $\alpha$ 和 $\beta$ 进行调整。
• 最终碎片动能 $e(m)$ 通过能量守恒计算，考虑中子发射导致的动能损失。
• 计算最终动能分布的标准差 $\sigma_e(m)$ 作为最终质量 $m$ 的函数，以与实验数据对比。
• 通过改变参数 $\alpha$ 和 $\beta$ 进行敏感性分析，评估其对 $\sigma_e(m)$ 中展宽形状与大小的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在 $^{235}$U 裂变中，最终碎片动能分布的标准差 ($\sigma_e(m)$) 在 $m \approx 109$ 处表现出显著展宽？
• RQ2 在 $\sigma_e(m)$ 中观测到的第二处展宽（$m \approx 125$）是由何原因引起，为何早期模拟未能再现该现象？
• RQ3 中子发射特性以及初级碎片平均动能 $\bar{E}(A)$ 的变异在多大程度上导致了 $\sigma_e(m)$ 中观测到的展宽？
• RQ4 是否可通过一个包含中子发射和初级碎片产额/能量变异的简化模型，再现包含 $m \approx 125$ 特征的完整实验 $\sigma_e(m)$ 曲线？
• RQ5 在 $m \approx 130$ 附近是否存在第三处展宽？若存在，何种物理机制可解释其成因？

主要发现

• 模拟成功再现了 $m \approx 109$ 处 $\sigma_e(m)$ 的显著展宽，证实其源于中子发射以及初级碎片动能分布的形状。
• 模型成功再现了 $m \approx 125$ 处的第二处展宽，其归因于初级碎片平均动能曲线 $\bar{E}(A)$ 在 $A = 126$ 与 $A = 125$ 之间的不连续性，与实验数据一致。
• $\sigma_e(m)$ 中展宽的形状与大小对中子发射模型中的参数 $\alpha$ 和 $\beta$ 敏感，其中 $\alpha = 0.62$ 与 $\beta = 0.35$ 时与实验结果匹配最佳。
• 模拟得到的最终碎片平均中子发射数 $\bar{\nu}(m)$ 展现出从 $\bar{\nu}(A)$ 的偏移，与初级到最终碎片的质量转移一致。
• $m \approx 125$ 处的展宽并非源于初级动能分布的本征展宽，而是中子发射与 $Y(A)$ 及 $\bar{E}(A)$ 斜率变化相互作用的结果。
• 模拟表明在 $m \approx 130$ 附近可能存在第三处展宽，该推测得到实验数据在 $m = 129$ 处 $\sigma_e = 3.9$ MeV 的外推结果支持。