利用高通量MeV伽玛光开展长寿命裂变产物的嬗变模拟研究

作     者：龚伟婷 

作者单位：南华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱志超

授予年度：2020年

学科分类：082704[工学-辐射防护及环境保护] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：激光康普顿光源 质子共振伽玛源 光核嬗变 长寿命裂变产物(LLFPs) 

摘      要：长寿命裂变产物(LLFPs)的安全处理是核能可持续发展过程中亟待解决的关键问题。利用核反应将LLFPs嬗变成短寿命或稳定核素有望解决LLFPs的潜在危害性,从而消除核电发展的瓶颈问题。作为中子嬗变法的有力补充,伽玛核嬗变是指利用原子核巨共振能区(GDR)内的高通量伽玛光束辐照LLFPs,诱发光核反应并将其嬗变为短寿命(或稳定)且低毒(或无毒)核素,从而实现核废物的安全处理。近年,超强超短激光和粒子加速器等大科学设施的陆续兴建,为高通量MeV级的激光康普顿伽玛源的产生提供了前所未有的机遇。在此背景下,本论文主要利用MeV量级的高通量伽玛光源开展LLFPs的嬗变研究,同时提出基于质子共振伽玛光束的LLFPs嬗变新方案。研究结果为未来开展基于高通量、准单能伽玛光源的LLFPs嬗变实验提供了理论依据和技术支撑。激光康普顿光源(LCS)是利用高能电子束与激光脉冲实现逆康普顿散射产生的高通量、准单色、能量可调的X/伽玛光源。论文基于国际开源的Geant4软件包构建LCS驱动的LLFPs嬗变物理模型,开展了乏燃料中典型的LLFPs核素Cs、Sn、Pd、Zr的光核嬗变研究。模拟诊断光核嬗变的反应类型和产物分布,获得光核嬗变率随LLFPs靶材几何的依赖关系。结果表明,当入射光能量为0-22 MeV、通量为10 phs/s时,针对最佳的嬗变靶材几何条件下光核嬗变率可达10/s。强流质子共振伽玛源是产生MeV能区的单能伽玛射线的有效途径。构建基于强流质子束与Li靶相互作用的质子共振俘获反应模型,产生能量为14.8(I=33%)和17.6 MeV(I=67%)的两条单能伽玛射线,伽玛射线出射方向各向同性。研究了质子共振伽玛光源的产额与入射质子束流能量、Li靶几何参数的依赖关系,发现流强10 mA、能量441 keV的质子束流可以产生通量为2.1×10/s的伽玛光源。进一步利用共振伽玛光源针对放射性碘和铯开展光核嬗变模拟,获得最佳靶厚条件下的光核嬗变率为5×10/s。另外,探讨了平面靶和中空圆柱靶两种嬗变布局对嬗变效果的影响,发现后者的嬗变效果是前者的两倍。