氦生成率计算差异最高达859%
摘要
密歇根大学与Oak Ridge美国国家实验室研究发现，中子嬗变产生的氦生成率预测因核数据库和计算方法差异巨大——最高达859%。合金成分也影响结果。研究建议标准化计算并报告预期范围，以提升核材料数据准确性，推动先进核能部署。
密歇根大学(University of Michigan)与Oak Ridge美国国家实验室的研究人员发现，通过裂变和聚变反应堆中子嬗变产生的氦生成率预测存在巨大差异，且结果依赖于核数据库和计算方法的选择。
Oak Ridge美国国家实验室的Alvin M. Weinberg研究员兼研发科学家Stephen Taller表示：“氦生成对聚变和裂变系统中结构材料的高温脆化和尺寸稳定性有显著影响。随着各行业评估和部署其技术，需要一种具有不确定性意识的标准化分析方法，以便在不同材料系统和环境之间进行比较。”
如发表于《Journal of Physics: Energy》的一篇论文所述，研究团队运行了用于先进核模拟的多物理场软件FISPACT-II，计算氦生成率如何随中子通量谱和被辐照材料的合金成分而变化。
中子能量如预期般影响氦生成率，研究人员发现某些元素（如碳、氮和镍）的存在可能显著影响氦生成预测。
根据密歇根大学工程学院发表的一篇文章：“这一发现对行业具有启示意义，尤其是在何处以及如何获取合金来建造聚变和裂变能源系统方面，因为不同金属生产商的成分控制存在差异。”
研究人员还测试了他们原本认为不会显著改变预测结果的两个变量，结果出乎意料。
第一个变量是提供相互作用截面等信息的核数据库选择。研究团队发现“差异通常高达231%，有时甚至极端到859%”。
第二个变量是仿真中氦生成计算方法的选择，例如是在每个时间步计算速率还是跨时间段计算。这也被发现会造成显著差异。
密歇根大学核工程与放射科学教授Kevin Field表示：“我们真的非常惊讶核数据库和计算方法对最终结果的影响如此之大。这就像在咸味菜肴中忘记加盐，最终做出一道甜味菜一样显著。”
他们发现，与其他方法相比，使用将时间段内所有氦速率和损伤速率相加然后求比值的计算方法，能够提供最可靠的结果，在不同中子能量下实现一致的计算。而其他方法往往要么低估氦生成量，要么遗漏嬗变速率随时间的变化。
研究人员建议对该领域执行此类计算的方法进行标准化，指出最佳实践应包括“报告预期氦生成的计算范围而非单一数值，明确标注合金的独特炉号和微量元素，并记录反应堆的原始中子谱和数字化放大后的中子谱”。
Field表示：“如果采用我们的报告方法，将提高国内外正在生成的核材料数据库的实验和建模保真度，推动先进核能的快速部署。”