高能评价核数据处理方法

张环宇，刘 萍，吴海成

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

中高能核反应具有与低能核反应不同的特性和反应机制，近年来受到广泛的关注和研究[1]。例如在加速器驱动次临界系统ADS中，源中子为高能散裂中子源，中子的能量可达102MeV甚至GeV，在裂变包层内散裂中子和裂变中子的综合作用下，中子能谱跨度可从10 eV到GeV。中高能核技术应用的研究对评价核数据提出了更高要求，近年来国际上关于中高能评价核数据的研究也取得了较大进展，也产生了多个高能中子评价核数据库。国际原子能机构(IAEA)通过CRP项目联合世界各国，为ADS建立了专门的应用库ADS-lib。

粒子输运程序MCNP[2]是ADS中子学计算分析过程中重要的计算程序，该程序的运行需将评价核数据制作成ACE格式的连续能量点截面文档。对于低能评价核数据，国内已拥有较成熟的处理经验，但在处理较高能量上限的评价核数据过程中尚存在障碍。因此，为满足ADS等中高能核装置的蒙特卡罗输运计算需求，本文开展中高能评价核数据处理方法的研究。

1 中高能评价核数据ACE格式处理方法

1.1 中高能评价核数据库简介

目前，国际上的高能、中高能评价核数据主要来自于美国、日本、欧洲以及IAEA。表1列出了国际上主要的高能、中高能中子反应数据的现状。其中，日本的高能、中高能评价核数据库JENDL-HE的能量上限最高，达3 GeV。

表1 高能、中高能中子反应数据现状Table 1 Current status of high and medium-high energy neutron reaction data

对于低能(中子能量NE<20 MeV)核反应评价数据，在其文档6(MF=6)中通常给出的是次级中子能量角度分布(即双微分截面)，如MF6/MT16代表(n,2n)双微分截面。当入射中子能量大于20 MeV时，由于核反应的复杂性，许多反应截面是无法分开的，因此，在高能(NE>200 MeV)、中高能(20 MeV

1.2 中高能评价核数据的ACE格式处理程序

Ruler[3]是我国自主研发的群常数制作软件，它通过共振重造、温度展宽、不可分辨共振自屏处理、热散射处理等物理处理后，将ENDF-6[4]格式的评价核数据文件加工制作成PENDF格式的点的评价核数据文件，继而通过多群模块的处理，计算出GENDF格式的中子多群截面、群到群的散射矩阵等多群常数，再通过多群常数接口模块的加工处理，制作专用的堆芯物理多群常数库(如WIMS-D格式的堆芯物理多群常数库)。但Ruler程序系统目前尚未完成ACE格式接口模块的开发，因此采用Ruler与NJOY[5]程序系统耦合的方法进行高能评价核数据ACE格式文档的制作，其流程如图1所示。

其中热散射截面计算模块TSC、气体产生截面处理模块GASPR、ACE格式接口模块ACER均需对MF6文档数据进行处理。

与低能(NE<20 MeV)核反应评价数据不同，中高能评价数据的MF6/MT5包含了总的质子、氘、α等粒子产生截面，未给出各分反应道的数据。研究表明，在制作高能评价数据的ACE库时一定要运行GASPR模块，将气体产生反应数据(MT=203～207)加到PENDF数据文件中，否则就会丢掉气体产生截面。

1.3 ACER模块的改进

基于高能评价库JENDL-HE-2007，采用Ruler耦合NJOY程序系统制作高能ACE库时，测试版本包括NJOY2016[6]、NJOY99.364及NJOY99.396，制作过程中发现以上版本的NJOY程序均不能将235U等一些核素制作成ACE格式数据库，在运行ACER模块时程序终止运行，但使用同样的输入卡、同样的NJOY程序系统，却可加工其他评价库的235U的中子评价数据(包括IAEA-ADS网站上能量上限为1 GeV的235U的中子评价数据)，而JENDL-HE-2007的能量上限达3 GeV，使得ACER模块无法运行。

图1 中高能评价核数据的ACE格式处理流程Fig.1 ACE format processing flow of medium-high energy evaluated nuclear data

在上述各版本的NJOY程序系统中，中国核数据中心内部版本NJOY99.396稳定性相对较好，通过对该版本ACER模块的研究，对该模块中acelf6子程序(处理ENDF格式数据中文档6数据的子程序)进行了修改，将该子程序通用产额存储空间进行了扩展。搭载调整后的ACER模块，建立了新的NJOY99.396.c10程序系统，并采用Ruler耦合NJOY99.396.c10成功将JENDL-HE-2007的235U等核素制作成ACE库。

2 中高能评价核数据ACE格式处理方法的测试与验证

2.1 ACE格式文档的绘图测试

为确保采用Ruler耦合NJOY99.396.c10系统制作的高能ACE库的可靠性及可用性，对ACE数据库开展了制作过程中的ACE文档绘图测试、释热截面检查及制作完成后的简单中子输运问题测试和验证。

采用NJOY99.396.c10程序系统ACER模块将ACE文档中的所有截面、角分布、次级粒子发射谱等进行绘图，生成PostScript格式绘图文件。以235U为例，分别对各反应截面、释热截面、损伤截面、弹性角分布、粒子产生截面进行绘图测试(图2)，均能正常绘制，不存在数据记录不完整、截面数据异常无法绘制等问题。

图2 235U的反应截面、KERMA系数、损伤截面、弹性角分布、粒子产生截面Fig.2 Neutron cross section, KERMA factor, damage cross section, elastic angular distribution and particle production cross section of 235U

经测试，基于JENDL-HE-2007评价库研制的包含106个核素的中高能ACE格式数据库均通过测试。

2.2 简单输运问题测试与验证

采用MCNPX[7]程序计算1个简单的中子输运问题，对高能ACE格式数据库中每种核素进行验证。验证问题为计算10-9～3 000 MeV能区的白光中子源在半径1 cm、密度2.0 g/cm3的样品球中心辐照产生的中子表面流量。图3为12C和235U经过输运问题验证计算得到的泄漏中子谱。

图3 12C和235U的简单输运问题测试中子谱Fig.3 Neutron energy spectra of simple transport problem test on 12C and 235U

经验证，所有ACE格式文档均可正常运算。这表明采用Ruler耦合NJOY99.396.c10程序系统制作的中高能ACE格式数据库适用于蒙特卡罗输运计算。

2.3 基准实验验证

基于由Ruler耦合NJOY系统制作的JENDL-HE-2007库ACE格式数据文档，对Lawrence Livermore脉冲球屏蔽基准实验[8]进行模拟计算，计算结果如图4所示。

图4 Lawrence Livermore脉冲球基准实验泄漏中子谱Fig.4 Leaked neutron spectrum of Lawrence Livermore pulse sphere benchmark experiment

在2～15 MeV能量范围内，由Ruler耦合NJOY系统制作的JENDL-HE-2007库ACE格式数据文档的计算值与ENDF/B-Ⅶ.1、CENDL-3.1等数据库的计算结果相当。

由于高能基准实验较少，暂未开展高能区，特别是1 GeV以上能量范围内，ACE格式数据库的可靠性验证。

3 结论

基于我国自主研发的群常数处理程序Ruler以及现有的群常数处理系统NJOY99.396，对ACE格式接口模块进行改进，建立了Ruler与NJOY耦合的中高能评价核数据处理方法，该方法可用于能量上限达3 GeV的中高能评价核数据向ACE格式数据库的转换。通过对ACE数据库制作过程中的ACE文档绘图测试、释热截面检查，以及制作完成后的简单中子输运问题测试和验证，证明了新建立的中高能评价核数据处理方法可用于制作可靠和可用的高能ACE库，为满足ADS等中高能核反应装置的蒙特卡罗输运计算需求提供了重要的技术支持。