利用蒙特卡洛方法模拟热核聚变产生的中子谱

《Annals of Nuclear Energy》：Monte Carlo simulation of the neutron spectra produced by thermonuclear fusion

核聚变中D-D和D-T反应的蒙特卡洛模拟研究表明，MCUNED代码因准确模拟核相互作用而优于其他代码（如PROFIL、TARGET）。该代码能精确计算氘、氚等离子体中的慢化、散射及反应过程，为反应堆性能优化和实验分析提供可靠工具。

　　

A. 尤瑟夫

埃及索哈格大学理学院物理系，索哈格

摘要

D(d,n)³He 和 T(d,n)⁴He 聚变反应将是未来核聚变反应堆的动力来源。这两种反应都会产生被称为“聚变中子”的中子。尽管研究聚变中子谱对于提高聚变反应堆的性能至关重要，但实验上同时测量这两种中子谱非常困难。因此，需要准确的聚变中子谱模拟，而蒙特卡洛（Monte Carlo）技术是实现此类模拟的最有效方法。然而，关于哪种代码能够准确模拟这些中子谱仍存在争议。本研究揭示，MCUNED 是唯一能够成功模拟聚变中子谱的代码。该代码能够精确计算氘核和氚核在聚变等离子体中的减速、散射及相互作用过程。

引言

核聚变反应堆的目标是利用恒星提供的安全、清洁且相对无限的能源。未来，氘和氚（D 和 T）同位素的混合物将成为聚变反应堆的燃料（ITER 组织，2024 年）。D(d,n)³He 和 T(d,n)⁴He 聚变反应（即 D-D 和 D-T 反应）将驱动未来的聚变反应堆。这些反应产生的中子被称为“聚变中子”。这些中子从反应堆核心逸出，为我们提供了关于反应堆内部发生情况的宝贵信息。研究发射出的聚变中子谱是研究聚变等离子体及高能密度等离子体多个方面的有效工具（尤瑟夫等人，2005；尤瑟夫等人，2006；尤瑟夫和科达玛，2010；尤瑟夫，2013；霍普金斯，2018；芒罗，2016；科达玛等人，2002）。

由于无法直接探测燃烧中的聚变等离子体，因此测量每种聚变反应的中子谱对于实现核聚变的成功至关重要（芒罗，2016；科达玛等人，2002）。为了实验上测量和分离 D-D 和 D-T 聚变中子，必须独立且同时识别这些中子。实际上这极其困难，因为 D-T 反应产生的散射中子会污染 D-D 反应的中子谱。因此，检测和测量每种聚变反应的中子谱具有很高的难度。因此，需要准确模拟 D-D 和 D-T 聚变反应的中子谱。

研究 D-D 和 D-T 聚变反应的中子谱对于理解聚变等离子体的某些基本物理特性非常重要（尤瑟夫等人，2022；雷达等人，2022），而这反过来又对聚变反应堆的性能至关重要。研究每种聚变反应的中子谱有助于确定聚变等离子体中的 D-D/D-T 中子数比，进而确定燃烧比。这对于控制反应堆核心的燃烧过程、估算氚（T）燃料循环以及调整燃料 D/T 比例以实现最佳聚变反应堆性能是必要的。

目前，使用蒙特卡洛技术模拟中子产生过程被认为是最有效的方法，因为通过运行大量历史事件（超过 10⁹ 次），蒙特卡洛计算中的误差几乎可以降至零（雷梅蒂等人，2017）。蒙特卡洛计算工具最适合模拟由大量氘核和氚核在聚变等离子体中相互作用产生的中子谱。许多蒙特卡洛代码被用于模拟 D-D 和 D-T 聚变反应产生的中子谱，例如 DDT、ENEA-JSI、SRIANG、PROFIL、NEUSDESC、TARGET 和 MCUNED 代码。然而，关于哪种代码能够准确再现实验中子谱仍存在争议。在本研究中，使用不同的蒙特卡洛代码对聚变中子谱进行了模拟，并将模拟结果与现有实验数据进行了比较，以确定哪种代码能够成功模拟聚变中子谱。

本工作的后续部分安排如下：第 2 节对 D-D 反应的模拟结果与实验数据进行了比较；第 3 节讨论了使用能够成功再现实验测量结果的蒙特卡洛代码对 D-T 聚变中子谱的模拟；第 4 节介绍了相关内容；最后第 5 节为结论部分。

章节片段

将模拟结果与实验数据比较

在聚变反应堆中，D-D 和 D-T 聚变反应分别发生在氘和氚同位素的裸核之间。已知氚是一种放射性核，因此大多数聚变实验都使用氘化材料（如 CD 或 CD₂ 有机靶）进行。在这种情况下，D-D 反应会产生聚变中子谱。

讨论

为了解释为什么 MCUNED 代码能够成功模拟 D-D 聚变中子谱而其他代码不能，需要以下解释：

(1)

PROFIL 代码（Pavilk 和 Winkler，1986）采用了一个简单的模型来模拟氘核在靶内的传输过程。该模型依赖于半经验关系式，无法模拟氘核在靶内的相互作用。此外，它使用的是过时的聚变反应截面数据（Liskien 和 Paulsen，1973）。

(2)

TARGET 代码

D-T 聚变中子谱的模拟

由于氚（T）是一种放射性元素，因此在聚变实验中使用它较为困难。因此，实验测量 D-T 聚变中子谱并不容易。在聚变等离子体中，氘核和氚核的相互作用会导致 D-T 反应。

D-T 反应的化学方程式为（Liskien 和 Paulsen，1973）：D + T → ⁴He + n + 17.59 MeV

反应的 Q 值（17.59 MeV）在两个产物（⁴He 和 n）之间按质量成反比分配。

结论

在本研究中，使用不同的蒙特卡洛代码模拟了未来聚变反应堆将使用的 D-D 和 D-T 热核聚变产生的中子谱。这些中子谱的研究仍然是许多研究的重点（汤姆森等人，2024；约戈等人，2023；约戈等人，2023），因为这不仅对聚变反应堆的性能至关重要，也对使用中子源进行的实验解释具有重要意义。研究表明，MCUNED 代码能够准确模拟这些中子谱。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。