Built-in physics models and proton-induced nuclear data validation using MCNP, PHITS, and FLUKA; Impact on the shielding design for proton accelerator facilities

elik, Y.*; Stankovskiy, A.*; 岩元 大樹; 岩元 洋介; Van den Eynde, G.*

Annals of Nuclear Energy, 212, p.111048_1 - 111048_12, 2025/03

https://doi.org/10.1016/j.anucene.2024.111048

The MCNP, PHITS, and FLUKA are general-purpose Monte Carlo radiation transport codes that are widely used for many real-world shielding problems at accelerator facilities around the world. For high beam energy and high beam current accelerator applications, neutron emission through the vacuum pipe along the reverse direction of incident proton beam is an important factor for a shielding design in order to correctly assess the dose rates for workers and the structural materials of the accelerator and handle with the waste activated by the backscattered neutron fluxes. In this work, neutron-production cross sections and thick target yield predictions from MC codes relying on physics models and nuclear data libraries are benchmarked against the experimental data, in order to assess their accuracy in predicting neutron emission and furthermore to assess the corresponding impact on shielding design. The results of this study demonstrate that the nuclear data libraries and physics models, which are not expected to give good results at lower energies ( MeV) but are used anyhow when there is no nuclear data available or above the energy range where the data tables end in the so-called "mix-and-match" strategy, need further improvements. Among the investigated proton induced nuclear data libraries, JENDL-4.0/HE produces the most satisfactory agreement to experimental data for all target materials, but may still benefit from refinement. Concerning the physics models of the codes, FLUKA V4-4.0 has the best performance in terms of reproducibility of the experimental values. It is also shown that all discrepancies between the calculations and the experiments for the energy range MeV are up to factor of two. This might be considered as an acceptable figure as it is equivalent to a normal safety margin () considered in shielding calculations of accelerator facilities around the world.

Proceedings of the Joint Symposium on Nuclear Data and PHITS in 2023; November 15-17, 2023, Tokai Industry and Information Plaza "iVil", Tokai-mura, Ibaraki, Japan

執行 信寛*; 古田 琢哉; 岩元 洋介

JAEA-Conf 2024-002, 216 Pages, 2024/11

JAEA-Conf-2024-002.pdf:24.29MB

2023年度核データ研究会は、2023年11月15日17日に、東海村にある東海村産業・情報プラザ「アイヴィル(iVil)」にて開催された。本研究会は、日本原子力学会核データ部会が主催、日本原子力学会放射線工学部会、日本原子力学会北関東支部、日本原子力学会「シグマ」調査専門委員会、日本原子力研究開発機構原子力基礎工学研究センター、高エネルギー加速器研究機構が共催した。チュートリアルとして、「核データ処理コードFRENDY第二版の概要」を、講演・議論のセッションとして、「核データに関する最近の話題と粒子・重イオン輸送計算コードPHITS」の2セッションを実施した。さらにポスターセッションでは実験、理論、評価、ベンチマーク、応用など幅広い内容について発表が行われた。参加者数は108名で、それぞれの口頭発表およびポスター発表では活発な質疑応答が行われた。本報告書は、本研究会における口頭発表17件、ポスター発表19件の合計36の論文を掲載している。

Neutron capture cross section measurement of I and I using the NaI(Tl) spectrometer of the ANNRI beamline at J-PARC

Rovira Leveroni, G.; 木村 敦; 中村 詔司; 遠藤 駿典; 岩本 修; 岩本 信之; 藤 暢輔; 瀬川 麻里子; 前田 亮; 片渕 竜也*

European Physical Journal A, 60(5), p.120_1 - 120_14, 2024/05

https://doi.org/10.1140/epja/s10050-024-01333-3

The neutron capture cross section of I and I were measured from the thermal to the keV energy region with the NaI(Tl) spectrometer of the Accurate Neutron-Nucleus Reaction Measurement Instrument beamline in the Materials and Life Science Experimental Facility of the Japan Proton Accelerator Research Complex. The neutron capture yield was determined by means of the total energy detection principle with the pulse-height weighting technique. The present cross section results for I were normalized using the saturated resonance method with a thick-enough Au and provide good agreement with JENDL-5 from thermal to about 500 keV. A resonance analysis with the REFIT code was performed and the resonance parameters for I below 310 eV are presented in this work. In the case of I, the three largest resonances of I were employed for the cross section normalization. The present results for I are the first experimental data for the neutron region between thermal and 20 eV. The present data display a different energy dependence than that in the JENDL-5 and JEFF-3.3 and much similar to that in ENDF/B-VIII.0. Notwithstanding, good agreement was found at the thermal region between the present measurement of 31.6 1.3 b and both evaluated and most experimental data.

Measurements of the neutron total and capture cross sections and derivation of the resonance parameters of Ta

遠藤 駿典; 木村 敦; 中村 詔司; 岩本 修; 岩本 信之; Rovira Leveroni, G.; 藤 暢輔; 瀬川 麻里子; 前田 亮

Nuclear Science and Engineering, 198(4), p.786 - 803, 2024/04

https://doi.org/10.1080/00295639.2023.2227826

The neutron transmission ratio and capture yield for Ta were measured in J-PARC MLF ANNRI to improve the accuracy of resonance parameters. The total cross section was determined from the transmission ratio in the energy range from 0.2 to 150 eV. The capture cross section was obtained from the capture yield using the pulse height weighting technique (PHWT) in the energy range from thermal to 150 eV. The obtained transmission ratio and capture cross-section were fitted by the resonance analysis code, REFIT, and the resonance parameters were determined below 150 eV. It was also discussed the correlations caused by fitting based on statistical uncertainty and correlations for systematic uncertainty based on sample thickness in the transmission measurements.

Double-differential cross sections for charged particle emissions from particle impinging on Al at 230 MeV/u

古田 稔将*; 魚住 祐介*; 山口 雄司; 岩元 洋介; 古場 裕介*; Velicheva, E.*; Kalinnikov, V.*; Tsamalaidze, Z.*; Evtoukhovitch, P.*

Journal of Nuclear Science and Technology, 61(2), p.230 - 236, 2024/02

https://doi.org/10.1080/00223131.2023.2294192

230MeV/u粒子のAl標的入射実験によって粒子のフラグメンテーション反応による荷電粒子生成の研究を行った。Si検出器と結晶シンチレータからなるカウンターテレスコープを用いて、p, d, t, He、及びHe各粒子の生成二重微分断面積を放出角15-60について測定した。取得データをより低い入射エネルギーの測定データと比較し分析した結果、(1)前方角の高エネルギー領域では陽子と中性子の放出スペクトルが類似している、(2)低入射エネルギー実験と同様に粒子の分解で生じたtとHeの収量の比は1:2である、(3)Heと粒子の幅広いピークの分布は入射粒子と標的原子核との衝突過程によって説明できるという一般的な特徴を見出した。

Recent improvements of the Particle and Heavy Ion Transport code System; PHITS version 3.33

佐藤 達彦; 岩元 洋介; 橋本 慎太郎; 小川 達彦; 古田 琢哉; 安部 晋一郎; 甲斐 健師; 松谷 悠佑; 松田 規宏; 平田 悠歩; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 61(1), p.127 - 135, 2024/01

https://doi.org/10.1080/00223131.2023.2275736

放射線挙動解析コードPHITSは、モンテカルロ法に基づいてほぼ全ての放射線の挙動を解析することができる。その最新版であるPHITS version 3.31を開発し公開した。最新版では、高エネルギー核データに対する親和性や飛跡構造解析アルゴリズムなどが改良されている。また、PHIG-3DやRT-PHITSなど、パッケージに組み込まれた外部ソフトウェアも充実している。本論文では、2017年にリリースされたPHITS3.02以降に導入された新しい機能について説明する。

粒子・重イオン輸送計算コードPHITSと核データを用いた照射損傷量の計算と検証実験

岩元 洋介

核データニュース(インターネット), (136), p.7 - 13, 2023/10

http://www.aesj.or.jp/~ndd/ndnews/No136.html

原子炉、核融合及び加速器施設の構造材の照射損傷量の指標として、NRTモデル(Norgett, Robinson, Torrens model)で導出される原子あたりの弾き出し数(dpa: displacement per atom)が用いられる。一方、2018年にNordlundらから、分子動力学計算により導出された格子間原子と空孔からなる欠陥の非熱的な再結合補正(arc: athermal recombination correction)の研究成果が報告された。そこで著者らは、あらゆる放射線施設の材料の照射損傷量評価(NRT-dpaとarc-dpa)を可能にするため、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSと核データライブラリJENDLを用いた、広いエネルギー範囲(eVTeV)の中性子、陽子、重イオン照射に対応する材料の照射損傷計算手法を開発した。また、計算手法の検証のため、極低温の照射装置を開発し、陽子照射に対するdpaに関連する弾き出し損傷断面積の測定を実施した。本成果について、2023年度日本原子力学会核データ部会と材料部会の合同企画セッションにおいて発表を行った。本レポートは発表内容について紹介を行う。

Outcomes of WPEC SG47 on "Use of Shielding Integral Benchmark Archive and Database for Nuclear Data Validation"

Kodeli, I. A.*; Fleming, M.*; Cabellos, O.*; Leal, L.*; Celik, Y.*; Ding, Y.*; Jansky, B.*; Neudecker, D.*; Novak, E.*; Simakov, S.*; et al.

EPJ Web of Conferences, 284, p.15002_1 - 15002_8, 2023/05

https://doi.org/10.1051/epjconf/202328415002

経済協力開発機構原子力機関(OECD/NEA)において、放射線遮蔽積分ベンチマークアーカイブ及びデータベース(SINBAD)の利用促進とSINBAD評価活動への還元を目的として、国際核データ評価協力サブグループ47(WPEC SG47)「核データ検証のためのSINBADの利用」が2019年6月に立ち上がった。SINBADでは、核データ及び放射線輸送計算コードの検証と開発におけるニーズに合致した実験データベースの評価と保存を進めている。その中で、WPEC SG47の活動においては、SINBAD評価活動における核データの感度解析の利用、実験体系を再現する形状、放射線源、材料等のCAD情報のSINBADへの格納、OECD/NEAのソフトウェアGitLabを利用した様々な放射線輸送計算コードの入力ファイルの共有等について議論や提案が進められている。この活動中に約8例のベンチマーク実験データが核データの検証に利用され、今後、高崎量子応用研究所イオン照射研究施設(TIARA)で実施された中性子遮蔽実験を含む様々な実験データも核データの検証で利用される予定である。本発表では、WPEC SG47の活動の他、SINBADの核データ評価への利用例と評価活動計画について紹介する。

Neutron production in the interaction of 200-MeV deuterons with Li, Be, C, Al, Cu, Nb, In, Ta, and Au

渡辺 幸信*; 定松 大樹*; 荒木 祥平; 中野 敬太; 川瀬 頌一郎*; 金 政浩*; 岩元 洋介; 佐藤 大樹; 萩原 雅之*; 八島 浩*; et al.

EPJ Web of Conferences, 284, p.01041_1 - 01041_4, 2023/05

https://doi.org/10.1051/epjconf/202328401041

医療用RIの製造や核融合材料の照射損傷、放射性廃棄物の核変換などの研究において重陽子加速器を用いた高強度中性子源が提案されている。そのような中性子源の設計には重陽子を様々な標的に照射した際の中性子生成データが必要である。しかし、重陽子入射中性子生成二重微分断面積などの実験データは十分でない。そこで本研究では、大阪大学核物理研究センター(RCNP)において幅広い原子番号の標的に対する200MeV重陽子入射中性子生成二重微分断面積の系統的な測定を実施した。200MeVの重陽子ビームをビームスウィンガーマグネット内の薄い標的に照射し、放出される中性子を大きさの異なるEJ301検出器(直径及び厚さが2inchと5inch)を7m、20mの位置にそれぞれ設置し、測定した。測定角度は0度から25度までの5角度とし、中性子エネルギーは飛行時間法で決定した。それぞれの測定データは入射エネルギーの半分あたりに特徴的な幅広なピークを示しており、ピークの収量は標的の質量数に従って単調に増加した。DEURACSとPHITSを用いた理論モデル計算との比較の結果、DEURACSの計算結果はPHITSのものよりも実験値に対してより良い一致を示した。加えて、得られたLi, Be, Cの結果を用いてJENDL/DEU-2020とTENDL-2017の核データライブラリのベンチマークを行った。

Benchmark shielding calculations for fusion and accelerator-driven sub-critical systems

岩元 洋介; 津田 修一; 小川 達彦

Frontiers in Energy Research (Internet), 11, p.1085264_1 - 1085264_11, 2023/01

https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1085264

本レビューでは、核融合,加速器駆動未臨界システム(ADS)等の先進的な原子炉システムにおける放射線遮へい設計の検証に有益な実験データの解説と、放射線輸送計算コードPHITSと核データライブラリJENDL-4.0/HEを用いた実験値の検証計算結果について報告する。関連する加速器施設の遮蔽に関する実験の多くは日本国内で実施されている。今回、(1)14MeV中性子を線源とした鉄遮蔽体内の中性子スペクトル、(2)14MeV中性子を線源とした様々な材料の球状パイルからの漏洩中性子スペクトル、(3)数十MeV中性子源による鉄及びコンクリート遮蔽体透過後の中性子スペクトル、(4)高エネルギー重イオン入射によるターゲットからの生成中性子スペクトル、及び(5)重イオン核反応生成粒子を線源としたコンクリート中の誘導放射能量について検討した結果、全体を通して実験値と計算値は概ね良く一致することがわかった。これらの実験データは、先進的な原子炉システムの遮蔽設計に用いられる他の放射線輸送計算コードや核データライブラリの検証に活用される。