利用蒙特卡洛方法模擬熱核聚變產(chǎn)生的中子譜
《Annals of Nuclear Energy》：Monte Carlo simulation of the neutron spectra produced by thermonuclear fusion
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時(shí)間：2026年03月03日
來源：Annals of Nuclear Energy 2.3
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核聚變中D-D和D-T反應(yīng)的蒙特卡洛模擬研究表明，MCUNED代碼因準(zhǔn)確模擬核相互作用而優(yōu)于其他代碼（如PROFIL、TARGET）。該代碼能精確計(jì)算氘、氚等離子體中的慢化、散射及反應(yīng)過程，為反應(yīng)堆性能優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)分析提供可靠工具。
A. 尤瑟夫
埃及索哈格大學(xué)理學(xué)院物理系，索哈格
摘要
D(d,n)3He 和 T(d,n)4He 聚變反應(yīng)將是未來核聚變反應(yīng)堆的動(dòng)力來源。這兩種反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生被稱為“聚變中子”的中子。盡管研究聚變中子譜對于提高聚變反應(yīng)堆的性能至關(guān)重要，但實(shí)驗(yàn)上同時(shí)測量這兩種中子譜非常困難。因此，需要準(zhǔn)確的聚變中子譜模擬，而蒙特卡洛（Monte Carlo）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)此類模擬的最有效方法。然而，關(guān)于哪種代碼能夠準(zhǔn)確模擬這些中子譜仍存在爭議。本研究揭示，MCUNED 是唯一能夠成功模擬聚變中子譜的代碼。該代碼能夠精確計(jì)算氘核和氚核在聚變等離子體中的減速、散射及相互作用過程。
引言
核聚變反應(yīng)堆的目標(biāo)是利用恒星提供的安全、清潔且相對無限的能源。未來，氘和氚（D 和 T）同位素的混合物將成為聚變反應(yīng)堆的燃料（ITER 組織，2024 年）。D(d,n)3He 和 T(d,n)4He 聚變反應(yīng)（即 D-D 和 D-T 反應(yīng)）將驅(qū)動(dòng)未來的聚變反應(yīng)堆。這些反應(yīng)產(chǎn)生的中子被稱為“聚變中子”。這些中子從反應(yīng)堆核心逸出，為我們提供了關(guān)于反應(yīng)堆內(nèi)部發(fā)生情況的寶貴信息。研究發(fā)射出的聚變中子譜是研究聚變等離子體及高能密度等離子體多個(gè)方面的有效工具（尤瑟夫等人，2005；尤瑟夫等人，2006；尤瑟夫和科達(dá)瑪，2010；尤瑟夫，2013；霍普金斯，2018；芒羅，2016；科達(dá)瑪?shù)热耍?002）。
由于無法直接探測燃燒中的聚變等離子體，因此測量每種聚變反應(yīng)的中子譜對于實(shí)現(xiàn)核聚變的成功至關(guān)重要（芒羅，2016；科達(dá)瑪?shù)热耍?002）。為了實(shí)驗(yàn)上測量和分離 D-D 和 D-T 聚變中子，必須獨(dú)立且同時(shí)識(shí)別這些中子。實(shí)際上這極其困難，因?yàn)?D-T 反應(yīng)產(chǎn)生的散射中子會(huì)污染 D-D 反應(yīng)的中子譜。因此，檢測和測量每種聚變反應(yīng)的中子譜具有很高的難度。因此，需要準(zhǔn)確模擬 D-D 和 D-T 聚變反應(yīng)的中子譜。
研究 D-D 和 D-T 聚變反應(yīng)的中子譜對于理解聚變等離子體的某些基本物理特性非常重要（尤瑟夫等人，2022；雷達(dá)等人，2022），而這反過來又對聚變反應(yīng)堆的性能至關(guān)重要。研究每種聚變反應(yīng)的中子譜有助于確定聚變等離子體中的 D-D/D-T 中子數(shù)比，進(jìn)而確定燃燒比。這對于控制反應(yīng)堆核心的燃燒過程、估算氚（T）燃料循環(huán)以及調(diào)整燃料 D/T 比例以實(shí)現(xiàn)最佳聚變反應(yīng)堆性能是必要的。
目前，使用蒙特卡洛技術(shù)模擬中子產(chǎn)生過程被認(rèn)為是最有效的方法，因?yàn)橥ㄟ^運(yùn)行大量歷史事件（超過 109 次），蒙特卡洛計(jì)算中的誤差幾乎可以降至零（雷梅蒂等人，2017）。蒙特卡洛計(jì)算工具最適合模擬由大量氘核和氚核在聚變等離子體中相互作用產(chǎn)生的中子譜。許多蒙特卡洛代碼被用于模擬 D-D 和 D-T 聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子譜，例如 DDT、ENEA-JSI、SRIANG、PROFIL、NEUSDESC、TARGET 和 MCUNED 代碼。然而，關(guān)于哪種代碼能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中子譜仍存在爭議。在本研究中，使用不同的蒙特卡洛代碼對聚變中子譜進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，以確定哪種代碼能夠成功模擬聚變中子譜。
本工作的后續(xù)部分安排如下：第 2 節(jié)對 D-D 反應(yīng)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較；第 3 節(jié)討論了使用能夠成功再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的蒙特卡洛代碼對 D-T 聚變中子譜的模擬；第 4 節(jié)介紹了相關(guān)內(nèi)容；最后第 5 節(jié)為結(jié)論部分。
章節(jié)片段
將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較
在聚變反應(yīng)堆中，D-D 和 D-T 聚變反應(yīng)分別發(fā)生在氘和氚同位素的裸核之間。已知氚是一種放射性核，因此大多數(shù)聚變實(shí)驗(yàn)都使用氘化材料（如 CD 或 CD2 有機(jī)靶）進(jìn)行。在這種情況下，D-D 反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生聚變中子譜。
討論
為了解釋為什么 MCUNED 代碼能夠成功模擬 D-D 聚變中子譜而其他代碼不能，需要以下解釋：
(1)PROFIL 代碼（Pavilk 和 Winkler，1986）采用了一個(gè)簡單的模型來模擬氘核在靶內(nèi)的傳輸過程。該模型依賴于半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，無法模擬氘核在靶內(nèi)的相互作用。此外，它使用的是過時(shí)的聚變反應(yīng)截面數(shù)據(jù)（Liskien 和 Paulsen，1973）。
(2)TARGET 代碼
D-T 聚變中子譜的模擬
由于氚（T）是一種放射性元素，因此在聚變實(shí)驗(yàn)中使用它較為困難。因此，實(shí)驗(yàn)測量 D-T 聚變中子譜并不容易。在聚變等離子體中，氘核和氚核的相互作用會(huì)導(dǎo)致 D-T 反應(yīng)。
D-T 反應(yīng)的化學(xué)方程式為（Liskien 和 Paulsen，1973）：D + T → 4He + n + 17.59 MeV
反應(yīng)的 Q 值（17.59 MeV）在兩個(gè)產(chǎn)物（4He 和 n）之間按質(zhì)量成反比分配。
結(jié)論
在本研究中，使用不同的蒙特卡洛代碼模擬了未來聚變反應(yīng)堆將使用的 D-D 和 D-T 熱核聚變產(chǎn)生的中子譜。這些中子譜的研究仍然是許多研究的重點(diǎn)（湯姆森等人，2024；約戈等人，2023；約戈等人，2023），因?yàn)檫@不僅對聚變反應(yīng)堆的性能至關(guān)重要，也對使用中子源進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)解釋具有重要意義。研究表明，MCUNED 代碼能夠準(zhǔn)確模擬這些中子譜。
利益沖突聲明
作者聲明，他們沒有已知的財(cái)務(wù)利益沖突或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
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