A Benchmark for Monte Carlo simulation of photoneutron fields from electron accelerators

電子加速器における光中性子場のモンテカルロ計算コードベンチマーク

Sari, A.*; Meleshenkovskii, I.*; 小川 達彦   ; Tran, K.-T.*; Jinaphanh, A.*; Jouanne, C.*; Zoia, A.*

Sari, A.*; Meleshenkovskii, I.*; Ogawa, Tatsuhiko; Tran, K.-T.*; Jinaphanh, A.*; Jouanne, C.*; Zoia, A.*

電子加速器は非破壊分析や放射線治療など様々な用途で用いられ、中でも10MeV以上のエネルギーの電子線は制動放射を通して光核反応を誘起するため、放射線安全にとって重要な中性子線を発生させる。そうした中性子は系統的な測定データがないが、シミュレーション予測の精度を検証することは重要である。そこで、単色光子の照射を受けた様々な物質から生じる中性子のエネルギー・角度分布を種々の条件で計算・比較することで、シミュレーションの妥当性を検証した。3つの計算コードMCNP、TRIPOLI-4、PHITSにより評価済み核データENDF7uを用いて計算するとともに、PHITSでJENDL-5を使う場合と、PHITS自身の核反応モデルを使う場合で、同様の中性子生成計算結果を比較した。この解析の結果、まずW-184とTa-181のターゲットの場合、ENDF7uによる計算ではどのコードでも中性子エネルギースペクトルに物理的に不合理な凹凸構造が生じた。また、JENDL-5を使った計算では重水とベリリウムがターゲットの場合、保存則に沿わない中性子が生じた。これはPHITSのソースを調査したところ、座標系を重心系から実験室系に変換するPHITSの計算処理の誤りが原因であると判明した。しかしこの修正の後も、中性子の角度分布は運動学的に不合理な点があり、更なる修正が必要であることも分かっている。このように、本研究は光核反応の計算に関して放射線輸送計算コードや評価済み核データの問題点を明らかにし、修正の指針を与えることに貢献した。

Electron accelerators cover a wide range of applications, from nuclear waste package assay and security-related tasks to radiation therapy. High-energy photons produced by electron Bremsstrahlung radiation might induce photonuclear reactions emitting secondary neutrons. In this paper, we perform a two-stage benchmark for Monte Carlo simulation of photoneutron fields from electron accelerators operating in the 4-20 MeV range. On the one hand, we benchmark three independently developed Monte Carlo codes, i.e., MCNP, TRIPOLI-4; and PHITS, using ENDF7u photonuclear data from the ENDF/B-VII.1 library. On the other hand, we benchmark two photonuclear data sub-libraries, i.e., ENDF7u and JENDL-5, as well as nuclear reaction models, using the PHITS code. Errors in ENDF7u for W-184 and Ta-181 cause unphysical shapes of the photoneutron energy spectra with the three codes. Questionable behaviors are also found with JENDL-5, which calls for further examinations in this recently released library. For the cases of heavy water and beryllium, the photoneutron energy spectra obtained with MCNP6 is invalidated. We identified that the problem stems from wrong treatment of the reference frame in using the ACE data files by MCNP and previous versions of PHITS. Results obtained for tungsten and tantalum show that photoneutrons are overall emitted in an isotropic manner. However, results obtained for heavy water and beryllium display different tendencies. This investigation should help Monte Carlo code users to refine the current validity domain of the latest releases of MCNP6, PHITS and TRIPOLI-4 for the simulation of photoneutrons.