一种轻核离位损伤截面的计算方法

本发明涉及核设施中辐照损伤计算，具体涉及一种轻核离位损伤截面的计算方法。

背景技术：

1、散裂中子源、轻核加速器等核设施会由于处于高能轻核辐照下而使得材料发生辐照硬化和脆化、辐照生长、辐照肿胀、高温氦脆以及辐照偏聚导致的相不稳定性等材料退化行为，最终导致材料失效。为了保证核设施的安全且经济地运行，需要准确的评估材料在某一辐照条件下的辐照程度，原子平均离位(dpa,displacement peratom)通常被用于评价材料在某一辐照条件下的辐照程度，它指的是在辐照条件下平均每个原子离位的次数。

2、dpa的计算依赖两个主要参数，即材料在受到辐照时的粒子通量以及材料的离位损伤截面。粒子通量是反应堆物理计算中的输出参数，可以采用确定论的粒子输运计算程序或蒙特卡洛程序模拟得到。随着计算机水平的发展以及理论模型的进步，粒子输运计算获得的粒子通量具有相当高的精度。因此，准确的计算入射粒子的材料离位损伤截面成为了保证dpa计算精度的关键。

3、为了获得精确的轻核离位损伤截面，需要计算反冲核能谱及离位原子个数，离位原子个数可通过国际上广泛使用的nrt模型及arc-dpa模型计算得到。轻核入射的反冲核能谱计算需要分别考虑弹性散射和去弹性散射两部分的贡献，目前国际上对质子入射时的反冲核能谱计算方法已经较为完善，但是仍未系统地实现氘核以及α粒子等其他轻核的反冲核能谱计算。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的问题，根据入射轻核与材料的反应模型，本发明提出了一种轻核离位损伤截面的计算方法，为评估材料在轻核辐照条件下的辐照程度提供了基础核数据。

2、为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

3、一种轻核离位损伤截面的计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1：从输入卡片读取平均原子离位阈能以及能量区划分能量点信息；

5、步骤2：根据轻核能量大小，分能量段计算弹性散射的反冲核能谱；针对轻核弹性散射，需要考虑入射轻核的库伦散射、核散射以及库伦散射与核散射之间的干涉效应，但是在全能量段内无法同时考虑这三种弹性散射类型；由于不同的弹性散射类型在不同能量段的占比不同，因此基于在不同能量段内各散射类型的重要性采用不同的方法计算反冲核能谱；

6、当入射轻核能量低于几兆电子伏时，库伦散射的占比最大，其他弹性散射类型忽略不计，屏蔽库伦散射的反冲核能谱的计算采用lns公式(1)：

7、

8、式中：

9、e—入射轻核能量；

10、t—反冲核能量；

11、dσ(e,t)—入射轻核能量为e，反冲核能量为t时的反冲核能谱；

12、t—无量纲碰撞参数；

13、aij—屏蔽函数半径；

14、f(t1/2)—散射函数；

15、无量纲碰撞参数的计算采用公式(2)：

16、

17、式中：

18、z—入射轻核的原子序数；

19、z—反冲核的原子序数；

20、m—入射轻核的原子质量；

21、m—反冲核的原子质量；

22、e—基本电荷；

23、屏蔽函数半径的计算采用公式(3)：

24、

25、a0—bohr半径；

26、散射函数的计算采用公式(4)：

27、

28、系数λ，m，q的取值分别为1.309，1/3，2/3；

29、当入射轻核能量达到5mev时，核散射逐渐变得重要，而忽略库伦散射的屏蔽效应的影响，采用光学模型计算轻核入射时的弹性散射反冲核能谱，光学模型势函数从ripl3数据库选取。当入射粒子是质子时，在5到50mev使用koning等人提供的光学模型势函数参数，在50到250mev范围内则使用madland提供的光学模型势函数参数；当入射粒子为氘核时，使用an等人提供的光学模型势函数参数；当入射粒子为α粒子时，使用avrigeanu等人提供的光学模型势函数。光学模型的计算采用ecis-06程序完成；

30、当入射轻核能量达到50mev或更高时，忽略核散射以及库伦散射与核散射之间的干涉效应，仅考虑库伦散射；因为高能入射粒子反应时需要考虑相对论效应，所以弹性散射反冲核能谱的计算采用考虑相对论效应的m-f公式(5)及公式(6)、公式(7)、公式(8)、公式(9)：

31、

32、

33、

34、

35、

36、式中：

37、c—光速；

38、v—电子速度；

39、—约化普朗克常数；

40、α—精细结构常数；

41、γ—洛伦兹系数；

42、tmax—反冲核最大能量；

43、反冲核最大能量的计算采用公式(10)：

44、

45、步骤3：在缺乏实验数据以及评价核数据的情况下，使用蒙特卡罗程序phits计算去弹性散射反冲核能谱；

46、步骤4：计算不同反冲核能量下的离位原子个数；有两种模型用于离位原子个数的计算，分别是nrt模型和arc-dpa模型，nrt模型的计算采用公式(11)：

47、

48、式中：

49、ed—平均原子离位阈能；

50、v(t)—离位原子数；

51、arc-dpa模型的计算采用公式(12)：

52、

53、式中：

54、ξ(t)—效率函数；

55、效率函数表示最终生存的缺陷数与nrt模型计算得到的缺陷数的比值，效率函数的计算采用公式(13)：

56、

57、其中，barc和carc表示arc-dpa模型参数。对于al元素，barc和carc分别为-0.44和0.393；对于fe元素，barc和carc分别为-0.568和0.345；对于cu元素，barc和carc分别为-0.68和0.318；对于w元素，barc和carc分别为-0.56和0.293。

58、步骤5：基于反冲核能谱及离位原子数求积分得到离位损伤截面；积分获得轻核离位损伤截面的计算如公式(14)：

59、

60、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

61、(1)、本发明可以计算轻核的离位损伤截面，包括质子、氘核、α粒子，轻核能量可达100gev。

62、(2)、本发明分能量段考虑轻核弹性散射部分的反冲核能谱计算，采用蒙特卡罗程序phits进行去弹性散射部分的反冲核能谱计算，并能使用arc-dpa模型进行离位原子数的计算具有较高的计算精度。

技术特征：

1.一种轻核离位损伤截面的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种轻核离位损伤截面的计算方法，其特征在于：步骤2中的光学模型选择如下：当入射粒子是质子时，在5到50mev使用koning等人提供的光学模型势函数参数，在50到250mev范围内则使用madland提供的光学模型势函数参数；当入射粒子为氘核时，使用an等人提供的光学模型势函数参数；当入射粒子为α粒子时，使用avrigeanu等人提供的光学模型势函数。

3.根据权利要求1所述的一种轻核离位损伤截面的计算方法，其特征在于：步骤4中，arc-dpa模型参数barc和carc具体数值如下：对于al元素，barc和carc分别为-0.44和0.393；对于fe元素，barc和carc分别为-0.568和0.345；对于cu元素，barc和carc分别为-0.68和0.318；对于w元素，barc和carc分别为-0.56和0.293。

技术总结本发明公开了一种轻核离位损伤截面的计算方法，首先从输入卡片读取平均原子离位阈能以及能量区划分能量点信息；然后分能量段计算弹性散射的反冲核能谱；使用蒙特卡罗程序PHITS计算去弹性散射的反冲核能谱；其次计算不同反冲核能量下的离位原子个数；最后积分获得弹性散射和去弹性散射离位损伤截面，进而求和获得总的轻核离位损伤截面。本发明首次系统地建立了轻核离位损伤截面的计算方法，为评估材料在轻核辐照条件下的辐照程度提供了基础核数据。技术研发人员：祖铁军,冯昊,尹文,吴宏春,曹良志受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4