Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7197

Development of calculation methods to analyze radiation damage, nuclide production and energy deposition in ADS materials and nuclear data evaluation

C.H.M.Broeders, A.Yu.Konobeyev

Abstract
A method of the evaluation of the defect production rate in metals irradiated with neutrons in various power units has been proposed. The method is based on the calculation of the radiation damage rate using nuclear models and the NRT model and the use of corrections obtained from the analysis of available experimental data and from the molecular dynamics simulation.

A method combining the method of the molecular dynamics and the binary collision approximation model was proposed for the calculation of the number of defects in irradiated materials. The method was used for the displacement cross-section calculation for tantalum and tungsten irradiated with protons at energies from several keV up to 1 GeV and with neutrons at energies from 10^-5 eV to 1 GeV.

A new approach has been proposed for the calculation of the non-equilibrium fragment yields in nuclear reactions at intermediate and high energies. It was used for the evaluation of the non-equilibrium component of the ⁴He and ³He production cross-section. The helium production cross-section has been obtained for iron, ¹⁸¹Ta and tungsten at proton energies from several MeV to 25 GeV and for ¹⁸¹Ta and tungsten at neutron energies up to 1 GeV.

A new model for the simulation of interactions of intermediate and high energy particles with nuclei was discussed. The non-equilibrium particle emission is simulated by the intranuclear cascade model using the Monte Carlo method. The deterministic evaporation model is used for the description of the equilibrium de-excitation. The model was used for the analysis of radionuclide yields in proton induced reactions at energies from 0.8 to 2.6 GeV. The results of calculations show the advantage of the model proposed in accuracy of predictions comparing with other popular intranuclear cascade evaporation models.

A new approach was proposed for the calculation of non-equilibrium deuteron energy distributions in nuclear reactions induced by nucleons of intermediate energies. The calculated deuteron energy distributions are in a good agreement with the measured data for nuclei from ¹²C to ²⁰⁹Bi.

The energy deposition has been calculated for the targets from lithium to uranium irradiated with intermediate energy protons using the models from the MCNPX code package and the CASCADE/INPE code.

Entwicklung von Berechnungsmethoden für die Analyse von Strahlenschäden, Nuklidprodukltion und Energiefreisetzung in Materialien für ADS und für Kerndatenauswertungen.

Zusammenfassung
Es wurde eine Methode vorgeschlagen für die Auswertung der Produktionsraten für Strahlenschäden in Metallen durch Neutronenbestrahlung in verschiedenen Reaktorsystemen. Die Methode basiert auf die Berechnung der Strahlenschädigungsraten mit nuklearen Modellen und der NRT Methode und eine nachfolgende Korrektur auf der Basis von Auswertungen von experimentellen Daten und Simulationen der molekularen Dynamik.

Eine Kombination der Methode der Simulation der molekularen Dynamik und der „Binary Collission Approximation“ wurde vorgeschlagen für die Berechnung der Anzahl Schädigungen in bestrahlten Materialien. Diese Methode wurde benutzt für die Berechnung von Displacement Querschnitte für Tantal und Wolfram nach Bestrahlung mit Protonen im Energiebereich von einigen KeV bis 1 GeV und mit Neutronen im Bereich 10^-5 eV bis 1 GeV.

Ein neuer Ansatz wurde vorgeschlagen für die Berechnung der Ausbeuten der Fragmente der Nicht-Gleichgewichtsprozesse bei intermediären und hohen Energien. Dieser wurde angewandt für die Auswertung der Nicht-Gleichgewicht Komponenten von ⁴He und ³He Produktionsquerschnitten. He Produktionsquerschnitte wurden bestimmt für Eisen, ¹⁸¹Ta und Wolfram für Protonen Energien von mehreren MeV bis 25 GeV und für ¹⁸¹Ta und Wolfram für Neutronenenergien bis 1 GeV.

Weiter wurde ein neues Modell diskutiert für die Simulation der Wechselwirkung von Teilchen mit intermediären und hohen Energien mit Atomkernen. Die Nicht-Gleichgewicht Teilchenemission wird nach der Monte Carlo Methode simuliert, während das deterministische Verdampfungsmodell benutzt wird für die Gleichgewichts Entregung. Dieses Modell wurde angewandt für die Analyse von Ausbeuten von Radionukliden nach durch Protonen induzierten Reaktionen bei Energien von 0.8 bis 2.6 GeV. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen die Vorteile des vorgeschlagenen Modells bei den Vorhersagen, im Vergleich mit anderen häufig angewandten intranuklearen Kaskade Verdampfungsmodellen.

Ein neuer Ansatz wurde vorgeschlagen für die Berechnung von Nicht-Gleichgewicht Energieverteilungen von Deuteronen bei nuklearen Reaktionen ausgelöst durch Nukleonen mit mittleren Energien. Die berechneten Energieverteilungen von Deuteronen sind in guter Übereinstimmung mit gemessenen Daten für eine Reihe von Nukliden von ¹²C bis ²⁰⁹Bi.

Schließlich wurden für Materialien von Lithium bis Uran Energiefreisetzungen nach Bestrahlung mit Protonen mit intermediären Energien berechnet unter Benutzung der Modellen in den Codes MCNPX und CASCADE/INPE.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK