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中国散裂中子源靶—反射体—慢化器系统的模拟和优化研究

作　者: 殷雯
导　师: 梁九卿
学　校: 山西大学
专　业: 理论物理
关键词: 中国散裂中子源蒙特-卡罗模拟靶慢化器反射体中子通量热量沉积温度场应力场
分类号: O571.5
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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引　用: 3次
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内容摘要

本论文结合当前中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS)工程概念设计的迫切需要，选择国际上广泛使用的基于蒙特—卡罗方法，用于模拟粒子输运过程的程序MCNP4A和NMTC／JAM作为研究工具，首次对CSNS靶站进行了全面的模拟与优化，内容包括靶、反射体与慢化器系统的中子通量分布以及热量沉积，同时计算了靶的温度场与应力场分布。本论文的研究结果为中子散裂源工程建设提供了必要的研究数据，为选择靶的设计方案提供了基本依据。首先利用高能粒子输运程序NMTC／JAM计算了入射质子能量、靶的材料、形状、尺寸以及靶与慢化器耦合对中子通量的影响。研究结果表明，当入射质子能量高于1.6GeV时，随着入射质子能量的增加，用于产生π介子的能量也增加，中子有效通量反而降低；从中子产量、费用、机械性能和耐蚀性能几方面综合考虑，钨适合用作散裂源中靶的材料；在截面积相同时，矩形扁靶可比方形靶给出更高的中子通量；对相同形状的靶，中子通量随着靶截面积减小先增加然后减小；当高能粒子进入慢化器后，会在慢化器中发生散裂反应与(n，2n)核反应，因此，反射体可以大大提高中子通量；在慢化器长度等于分离靶的分开距离时，分离靶的总中子通量比整体靶可提高20.1％，但同时也会大大增加制造成本。接下来根据已优化的靶的参数，利用低能粒子输运程序MCNP4A进一步计算高能中子(快中子)进入慢化器后，在慢化器中的输运过程。得到经水慢化器慢化后，中子通量在慢化器厚度与高度方向上的分布；比较了水与液态氢的慢化能力以及中子在水、液态氢、液态甲烷这三种慢化器慢化后的能谱；在CSNS的靶站设计中，引出慢中子的导管不完全位于慢化器中子引出面的法线方向上，因此进一步计算了中子通量角分布。最后计算了靶、反射体以及不同慢化器(水、液态氢、液态甲烷)中的热量沉积，并以此为依据，利用工程软件IDEAS进一步计算了各种冷却条件下，靶中温度场与应力场分布。由于CSNS是千瓦级的散裂中子源，所以温度与热应力都不会对靶的寿命、机械性能产生太大影响。

全文目录

引言  8-14
第一章中子特性及散裂中子源靶站模拟研究现状  14-33
  第一节中子特性和中子散射在基础研究上的应用  14-21
    1.1.1 中子特性和中子散射理论基础  14-17
    1.1.2 中子散射在基础研究中的应用  17-21
  第二节蒙特-卡罗方法的基本思想及在散裂中子源靶站模拟中的应用技巧  21-28
    1.2.1 蒙特-卡罗方法的基本思想  22-23
    1.2.2 蒙特-卡罗方法在散裂中子源靶站上的应用技巧  23-28
      1.2.2.1 蒙特-卡罗方法在散裂反应中的应用  24-26
      1.2.2.2 直接模拟(Direct analogue)法和分裂与轮盘赌(Splitting and roulette)方法  26-28
  第三节散裂中子源靶站蒙特-卡罗模拟的软件NMTC／JAM和MCNPA  28-33
    1.3.1 软件特点  28-30
    1.3.2 主要计算函数  30-33
第二章 CSNS靶站的模拟与优化研究  33-50
  第一节散裂中子源靶站设计原则  33-36
  第二节 CSNS靶站的优化设计  36-47
    2.2.1 CSNS靶站的基本参数-质子束能量与靶材的选取  36-38
    2.2.2 靶站中反射体的选择  38-42
    2.2.3 靶站的优化设计  42-45
      2.2.3.1 靶的厚度选取  42
      2.2.3.2 靶的几何形状对中子通量的影响  42-43
      2.2.3.3 靶的尺寸对中子通量的影响  43-45
    2.2.4 靶中的热量沉积  45-46
    2.2.5 从靶中逸出的快中子能谱  46-47
  第三节整体靶与分离靶的比较  47-50
第三章中子慢化与扩散过程的模拟  50-61
  第一节中子的慢化与扩散  50-53
  第二节 CSNS靶站中子慢化过程的模拟  53-59
    3.2.1 从慢化器中逸出的慢中子通量  55-57
    3.2.2 慢中子能谱  57-59
  第三节慢化器中的热量沉积  59-61
第四章连续束流下CSNS系统靶的传热分析  61-74
  第一节片靶的传热计算  61-71
    4.1.1 片靶的传热计算模型  61-65
    4.1.2 靶中的温度场分布  65-69
    4.1.3 靶的热应力计算  69-71
  第二节连续束流下整体靶的传热计算  71-74
第五章总结和展望  74-77
第六章其他工作  77-109
  第一节电子在周期驱动耦合量子阱中的振荡  77-83
    6.1.1 模型和精确解  77-80
    6.1.2 电子布居数的时间演化  80-81
    6.1.3 讨论  81-83
  第二节相干光在光量子阱中的动力学行为  83-89
    6.2.1 态的时间演化  85-88
    6.2.2 相干光在光的量子阱中的振荡行为  88-89
  第三节运动二能级原子与驻波光场的相互作用  89-95
  第四节双模BEC的纠缠的时间演化  95-103
  第五节 Heisenberg各向异性交换相互作用对Swap操作的影响  103-109
参考文献  109-116
攻读博士学位期间完成的论文与成果  116-118
致谢  118

中国散裂中子源靶—反射体—慢化器系统的模拟和优化研究

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