Benchmark study of PHITS for various projectiles and observables using SINBAD

様々な粒子・観測量に関するSINBADを使ったPHITSのベンチマーク

小川 達彦   ; Labonnote, N.*

Ogawa, Tatsuhiko; Labonnote, N.*

原子力機構の汎用放射線輸送シミュレーションコードであるPHITSを、国際的な検討を経て策定された放射線遮蔽ベンチマーク実験アーカイブであるSINBADを用いて検証した。以前のSINBADを用いたPHITSベンチマークが主に陽子加速器の遮蔽実験に焦点を当てていたのに対し、本研究では、陽子、電子、イオン、およびパイオンによる二重微分中性子収量、放射化、残留線量、およびマイクロドシメトリック量などでベンチマークを行った。これにより、従来の検証では使われなかったモデルやデータベースが使用されるため、見過ごされていた問題点を発見した。PHITSの計算結果は一般的に実験データと概ね2倍以内の精度で一致し、遮蔽や燃焼計算に関しては再現性に影響するような問題はないことが示された。一方、核反応過程に起因する問題は、高エネルギーハドロンカスケードモデルで生じる残留核の角運動量が計算されない問題、同モデルがパイオン入射で中性子放出を計算する際に100MeV以下の中性子を過小評価する傾向、蒸発モデルが陽子過剰核を過小評価する傾向、および重イオン反応モデルが高エネルギーの二次中性子を過小評価することなどがあり、これらについて改良が必要であることが明らかになった。これらの結果を、今後のPHITSの改良指針としていく予定である。

The general-purpose particle and heavy ion transport code system, PHITS, developed by the Japan Atomic Energy Agency, was validated against the SINBAD, an internationally recognized benchmark experiment archive for radiation shielding. Unlike the previous PHITS benchmark against SINBAD, which primarily focused on shielding experiments for proton accelerators, this study conducted benchmarking for double-differential neutron yields, activation, residual dose, and microdosimetric quantities induced by protons, electrons, ions, and pions. This allowed for the use of models and databases not previously employed in validation studies, leading to the discovery of previously overlooked issues. While PHITS calculations generally agreed with experimental data within a factor of two, a detailed comparison revealed the need for improvements in several areas. These include: the inability of the high-energy hadron cascade model to calculate the angular momentum of residual nuclei, the underestimation of neutrons below 100 MeV in pion-induced reactions by the same model, the underestimation of proton-rich nuclei by the evaporation model, and the underestimation of high-energy secondary neutrons by the heavy-ion reaction model. These findings will be used as guidelines for future improvements to PHITS.