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激光驱动尾波场加速电子诱导光核嬗变

强激光与粒子束 2023年第9期35卷 54-60页

作者：王岩成曹宗威孙向阳罗文南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001

提出了一种基于激光尾波场加速电子诱导光核嬗变的优化方案并开展了135Cs光核嬗变的数值模拟研究。蒙特卡罗模拟研究发现随着电子能量的增加,嬗变产额逐渐趋于饱和,单位能量电子的嬗变效率在40 MeV附近时存在峰值,半高处能量为20、120 ... 详细信息

提出了一种基于激光尾波场加速电子诱导光核嬗变的优化方案并开展了135Cs光核嬗变的数值模拟研究。蒙特卡罗模拟研究发现随着电子能量的增加,嬗变产额逐渐趋于饱和,单位能量电子的嬗变效率在40 MeV附近时存在峰值,半高处能量为20、120 MeV。为了提升半高处能量内的电子电量从而优化嬗变产额,使用粒子模拟程序研究了超短超强激光在气体等离子体中的传输过程。研究结果发现,随着等离子体密度的降低,尾波场加速的电子能量逐渐升高,但是电荷量逐渐减少,并且圆偏振激光加速的电子能量和电荷量均优于线偏振激光。通过调整等离子体密度和激光偏振,发现在圆偏振激光和特定等离子体密度条件下,存在嬗变产额的最优值。利用电导率等效方法对345 GHz折叠波导行波管中的电磁信号的传输损耗进行了仿真研究,考察了流通管孔径、加工粗糙度等对冷腔传输损耗的影响,流通管孔径较大或加工粗糙度较大都会导致电磁信号传输衰减严重。还模拟分析了热腔中电磁信号衰减对慢波结构净增益、带宽、最佳周期数等器件特征参数的影响,结果显示,电磁信号衰减会使得增益下降和带宽降低。

关键词：光核嬗变激光尾波场加速长寿命裂变产物气体等离子体密度

SLEGS嬗变长寿命裂变产物^(135)Cs的模拟

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原子能科学技术 2016年第5期50卷 884-890页

作者：李卓成朱志超宋英明范功涛王晓冬王兴柳罗文南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001 中国科学院上海应用物理研究所上海210800

结合激光康普顿散射模拟程序4D-MCLCSS和Geant4软件包,模拟基于上海激光电子γ源(SLEGS)的γ光产生及其对长寿命裂变产物^(135) Cs的光核嬗变过程,研究嬗变率随嬗变靶几何参数的依赖关系,并初步诊断基于SLEGS的光核嬗变产物分布,获得^(1... 详细信息

结合激光康普顿散射模拟程序4D-MCLCSS和Geant4软件包,模拟基于上海激光电子γ源(SLEGS)的γ光产生及其对长寿命裂变产物^(135) Cs的光核嬗变过程,研究嬗变率随嬗变靶几何参数的依赖关系,并初步诊断基于SLEGS的光核嬗变产物分布,获得^(135) Cs嬗变靶的最佳靶厚和半径分别为55cm和0.6cm,对应的嬗变率为1.62×10~6 s^(-1)。研究结果表明,基于SLEGS的光核嬗变率较强激光驱动的轫致辐射的高1个量级,SLEGS非常适用于开展^(135) Cs等长寿命裂变产物的光核嬗变研究。

关键词：光核嬗变康普顿散射γ光长寿命裂变产物135Cs Geant4

康普顿γ光源SLEGS对长寿命裂变产物^(126)Sn的嬗变潜力

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发光学报 2015年第9期36卷 1082-1087页

作者：谭桢干李卓成罗文王晓冬南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001 中国科学院上海应用物理研究所上海201800

结合激光康普顿散射模拟程序4D-MCLCSS和Geant4软件包,模拟上海激光电子γ源(SLEGS)的γ光产生及其对长寿命裂变产物126Sn的光核嬗变过程,研究嬗变率与嬗变靶几何参数的依赖关系,并初步诊断基于SLEGS的光核嬗变产物分布,获得126Sn嬗变... 详细信息

结合激光康普顿散射模拟程序4D-MCLCSS和Geant4软件包,模拟上海激光电子γ源(SLEGS)的γ光产生及其对长寿命裂变产物126Sn的光核嬗变过程,研究嬗变率与嬗变靶几何参数的依赖关系,并初步诊断基于SLEGS的光核嬗变产物分布,获得126Sn嬗变靶的最佳靶厚和半径分别为16 cm和0.4 cm,对应的嬗变率为1.89×106/s。研究结果表明:基于SLEGS的光核嬗变率比强激光驱动的轫致辐射法要高2倍,而且升级潜力巨大。

关键词：光核嬗变 SLEGS 126Sn Geant4

基于激光等离子体加速的核废物嬗变初步模拟研究

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基于激光等离子体加速的核废物嬗变初步模拟研究

作者：王兴柳南华大学

学位级别：硕士

长寿命核废物的安全处理是核能发展过程中亟待解决的关键难题。探索新的嬗变原理、方案或途径来处理核电站产生的高毒、长寿命裂变产物具有重要的科学意义和应用前景。基于激光等离子体加速的核废物嬗变是指利用激光等离子体加速的相对... 详细信息

长寿命核废物的安全处理是核能发展过程中亟待解决的关键难题。探索新的嬗变原理、方案或途径来处理核电站产生的高毒、长寿命裂变产物具有重要的科学意义和应用前景。基于激光等离子体加速的核废物嬗变是指利用激光等离子体加速的相对论电子束与高Z靶相互作用产生一个准直性良好的高通量轫致辐射γ光源,继而辐照长寿命裂变产物核素并成功诱发光核反应来实现核废物的光核嬗变。近年来,随着激光脉冲技术向超快、超强和小型化的方向发展,超强超短激光装置的研制有了新进展,激光等离子体加速有了新突破,这为基于激光等离子体加速的核废物嬗变研究提供了前所未有的良好机遇。强激光驱动的电子加速物理机制主要有两种:激光有质动力加速(laser ponderomotive acceleration,LPA)和激光尾波场加速(laser wakefield acceleration,LWFA)。首先,基于国际开源蒙特卡罗模拟软件-Geant4构建基于LPA电子的核废物嬗变物理模型,开展长寿命裂变核素Cs的光致嬗变物理研究。在10、5×10、10和5×10W/cm四种激光强度下,模拟高能电子和轫致辐射伽玛光产生以及光核嬗变过程,获得优化的(轫致辐射)转换靶几何参数。研究表明,光核嬗变率取决于激光强度和嬗变靶尺寸。在优化的靶参数条件下,最佳的激光强度为10 W/cm,嬗变产额可达10/J激光脉冲能量。其次,提出基于LPA和LWFA混合加速的光致嬗变物理方案,有效提高光致嬗变率,进而获得增强的核废物嬗变产额。分别以单核素Sn样品以及多核素(Zr、Pd、Sn和Cs)混合样品为研究对象,利用粒子云网格(Particle in cell,PIC)模拟超强超短激光与近临界密度(Near-critical-density,NCD)等离子体相互作用过程,获得大电荷量(100 nC)、准直性优于300 mrad的强流相对论电子束。研究基于激光混合加速的核废物嬗变过程,获得高通量的轫致辐射γ光子。落入GDR能区的光子总数目高达10/shot,其诱发的嬗变反应数目可达10/shot。与文献报道的结果相比,本方案获得的嬗变产额要高出两个数量级左右。进一步的研究表明:紧聚焦的激光与密度相对较低、长度相对较长的等离子体相互作用产生的电子束更有利于驱动光核嬗变过程。本研究工作为基于桌面型的激光加速器的光核嬗变实验研究提供积极的理论指导,并为长寿命核废物的嬗变处理提供潜在的物理方案。

关键词：光核嬗变激光等离子体加速核废物轫致辐射γ光

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

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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：龚伟婷南华大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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)