[论文解读] 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 5

一句话总结

本文介绍了MARS15蒙特卡罗代码在高能加速器设施中模拟核相互作用方面的最新进展，重点聚焦于核素组成、位移损伤（DPA）和气体生成。该研究引入了低至中等能量相互作用的改进物理模型，通过实验数据验证了这些模型，并提高了对加速器部件辐射损伤和活化效应的预测准确性。

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.

研究动机与目标

• 提升MARS15在高能强子和轻子束照射下材料核嬗变与活化建模方面的能力。
• 提高加速器屏蔽和束流终止器环境中结构材料位移损伤（DPA）计算的准确性。
• 开发并验证材料在辐照下气体生成（如氦、氢）的先进模型。
• 支持兆瓦级质子和重离子束设施及未来对撞机的设计与安全评估。
• 确保在宽广能量范围内对粒子输运、能量沉积和核反应结果的可靠模拟。

提出的方法

• 实现低能和中能核子及离子诱发反应的先进核相互作用模型。
• 在MARS15输运代码中整合更新后的能量损失和电离效应模型，适用于电子、质子和重离子。
• 开发详细的核反应链模型，用于追踪核素生成与衰变链。
• 基于二体碰撞和热峰模拟，集成原子位移与气体生成模型。
• 将模型预测结果与加速器和反应堆辐照实验计划中的实验数据进行基准测试。
• 使用FERMILAB-CONF-10-518-APC报告和ICFA HB2010研讨会数据作为验证依据。

实验结果

研究问题

• RQ1 MARS15在高通量强子辐照下对结构材料中特定核素生成量的预测精度如何？
• RQ2 在加速器环境中，为准确反映重离子和质子束对材料的影响，DPA建模需要哪些改进？
• RQ3 MARS15中新的气体生成模型在多大程度上能复现实验测量的氦和氢在材料中的累积？
• RQ4 与先前版本相比，MARS15中更新的物理模型在多大程度上减少了与实验数据的偏差？
• RQ5 改进后的MARS15代码能否可靠支持下一代兆瓦级加速器设施的安全与设计分析？

主要发现

• 更新后的MARS15代码在质子和轻离子辐照下铁、硅及其他材料的核素生成产额方面，与实验数据的符合度显著提高。
• DPA计算现在更准确地反映了结构合金中原子位移的能量和材料依赖性，尤其在高通量区域的不确定性降低。
• 气体生成模型成功复现了硅碳化物和不锈钢等材料在质子辐照下测得的氦和氢生成速率。
• 引入详细的核反应链和衰变数据显著提升了长期活化预测的准确性。
• 与加速器设施基准数据的对比验证了新模型在辐射安全和部件寿命评估中的可靠性。
• MARS15代码在预测辐射诱导材料变化方面的能力现已足以支持高功率加速器中束流终止器和屏蔽系统的设计与优化。