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Assessment of the neutron fluence during operation of CEMHTI Cyclotron using Monte-Carlo codes - Simβ-AD study

Simβ-AD 研究通过将活化箔的中子通量测量值与四种蒙特卡洛代码（FLUKA、MCNP6、PHITS 和 RayXpert®）进行对比验证，确立了一种评估 CEMHTI 回旋加速器放射性废物活化的方法论，并证明了使用简化模型时实验数据与模拟结果之间具有良好的一致性。

原作者： Jean-Michel HORODYNSKI, Abir HASSANI, Frédéric CHAPELLE, Nicolas ARBOR, Djokhar BETELGUERIEV, Lucia Victoria GARCIA GARCIA, Stéphane HIGUERET, Léo NOWAK, Cédric DOSSAT, Sébastien BOUILLON, David CHAUL

发布于 2026-07-07

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CC BY 4.0

原作者： Jean-Michel HORODYNSKI, Abir HASSANI, Frédéric CHAPELLE, Nicolas ARBOR, Djokhar BETELGUERIEV, Lucia Victoria GARCIA GARCIA, Stéphane HIGUERET, Léo NOWAK, Cédric DOSSAT, Sébastien BOUILLON, David CHAULIN, William HATE, Patrice RIFARD, Thierry SAUVAGE

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

大局观：预测留下的“幽灵”

想象你拥有一台非常强大的机器（回旋加速器），它向目标发射质子和氘核等微小粒子。当这些粒子撞击时，它们并不会就此停止；而是会产生一场由被称为中子的不可见“幽灵”组成的混乱风暴。这些幽灵在房间里四处乱窜，撞击墙壁、磁铁和设备，使它们变得轻微具有放射性。

这项研究的主要目标是弄清楚：我们的计算机模拟能否准确预测这些“幽灵”会让房间变得多么“具有放射性”？

研究人员希望建立一套可靠的配方（方法论），以便在不需要事后拆解所有部件的情况下测量这种放射性。这对于安全管理放射性废物至关重要。

登场角色

回旋加速器： 位于法国 CEMHTI 设施的一台巨型粒子加速器。它就像是一个微小粒子的高速赛车场。它最近刚刚关闭，这使其成为在赛道永久消失前测试想法的完美场所。
“幽灵”（中子）： 当束流撞击目标时产生的不可见粒子。它们是导致其他材料具有放射性的主要元凶。
“粘性陷阱”（活化箔）： 研究人员在房间内的不同位置放置了薄薄的小金属片（金、钪、钽和铽）。把它们想象成粘蝇纸。当中子幽灵飞过时，它们会粘在金属上，使金属发生轻微变化。随后，研究人员测量了每张金属片上的“粘性”（放射性）程度。
“水晶球”（蒙特卡洛代码）： 这是四种不同的超级计算机程序（FLUKA、MCNP6、PHITS 和 RayXpert）。它们就像是天气预报员。你输入房间的地图和粒子的速度，它们就会尝试精确预测会有多少幽灵撞击这些粘性陷阱。

实验：现实检验

团队运行了回旋加速器，使用了两种类型的束流（质子和氘核），并将他们的“粘性陷阱”放置在各个位置：靠近束流出口处、靠近磁铁处以及靠墙处。

在机器关闭后，他们将金属片带到实验室，测量了它们究竟变得有多强的放射性。然后，他们将这些真实世界的数字与四个计算机程序的预测值进行了对比。

结果：这些“水晶球”表现如何？

研究人员发现，计算机程序在猜测结果方面其实做得相当不错，但并非完美。

得分： 计算机的预测值通常在真实测量值的 50% 到 150% 之间。在复杂的物理学领域，这被认为是“吻合良好”。这就像天气预报员说“将会降雨 1 到 3 英寸”，而实际降雨量为 2 英寸。
“黄金”故障： 其中一个计算机程序（FLUKA）在处理金片时遇到了特定的麻烦。它似乎猜错了放射性的量，因为它不确定如何处理金原子的特定“状态”（就像分不清一只正在睡觉的猫和一只醒着的猫）。当他们修复了这个逻辑后，预测结果变得好多了。
“角落”问题： 在束流出口附近（粒子首先撞击的地方），预测结果显得有些分散。这就像试图预测扔石头进池塘时水花溅起的样子；溅落点附近的涟漪是混乱且难以完美建模的。计算机有时会低估这些紧凑角落里的低能“幽灵”。

为什么这很重要（根据论文内容）

这项研究证明，你可以使用这些计算机代码来估算回旋加速器设施将产生多少放射性废物。

“贝塔”问题： 一些放射性物质只发射一种被称为“贝塔”辐射的能量，这种辐射很难在不破坏物体的情况下进行检测。论文指出，如果我们能通过这些代码准确预测中子活性，我们就能在无需切割机械设备的情况下，估算出“仅含贝塔”的废物量。
核心结论： 通过将计算机模型与少量的真实世界测量（粘性陷阱）相结合，我们可以建立一种可靠的方法来管理来自粒子加速器的放射性废物。

简而言：一句话总结

研究人员测试了四种不同的计算机程序，以观察它们是否能预测房间在粒子加速器运行后变得具有放射性的程度。他们使用真实的金属片作为“传感器”来捕捉这些不可见的粒子。计算机做得还不错（误差在 1.5 倍以内），这证明了只要我们了解机器的具体行为并修复软件中的一些微小逻辑错误，我们就可以利用这些数字模拟来进行放射性废物管理的规划。

技术摘要：使用蒙特卡洛代码评估 CEMHTI 回旋加速器运行期间的中子通量

问题陈述
回旋加速器设施有效的放射性废物管理需要准确的放射性特征表征，特别是对于需要破坏性测量方法的 $\beta$ 单核素（例如 $^{36}\text{Cl}$ 、 $^{49}\text{V}$ 、 $^{55}\text{Fe}$ 、 $^{63}\text{Ni}$ ）。Sim $\beta$ -AD 研究旨在建立一种结合蒙特卡洛（MC）代码与主动中子探测器的方法，以评估回旋加速器设施内的材料活化。本文解决的具体挑战是，通过将 MC 代码与实验数据进行基准测试，以验证中子通量计算并确定 $\beta$ 单核素与 $\gamma$ 发射核素之间的比例。本研究重点关注 CEMHTI 回旋加速器设施，该设施自 1976 年运行至 2023 年停用，为在设施退役前利用真实运行数据验证模型提供了独特的机会。

方法论
本研究采用了实验测量与使用四种不同蒙特卡洛代码（FLUKA、MCNP6、PHITS 和 RayXpert）进行的数值模拟之间的对比方法。

几何与物理建模：
- 基于蓝图和原位测量，构建了 CEMHTI 屏蔽室、实验区域、回旋加速器组件（磁铁、轭铁、注入器）以及靶材的高保真模型。
- 模拟了两种主要的束流场景：
  1. 质子束： 16 MeV，25 µA，停止在钽（Tantalum）块中，并在偏转器处存在二次损失。
  2. 氘离子束： 17.5 MeV，30 µA，停止在铍（Beryllium）靶中。
- 为优化每种代码的物理设置以增强中子产生统计量，包括使用特定的截面库（JEFF 3.3、TENDL-2019/2021/2024、ENDF/B-VIII.0）以及方差缩减技术（例如强制碰撞、重要性采样）。
实验装置：
- 在 2021 年的两轮辐照实验期间，将由金 (Au)、钪 (Sc)、钽 (Ta) 和铽 (Tb) 制成的被动活化箔片放置在多个位置（提取口、管道、轭铁、偏转器、墙壁、门、磁铁）。
- 箔片分别在质子模式下辐照 5 小时，在氘离子模式下辐照 2 小时。
- 辐照后，使用效率为 40% 的 ISOCS 检测器进行 $\gamma$ 能谱分析，以量化 $\gamma$ 发射核素（ $^{198}\text{Au}$ 、 $^{46}\text{Sc}$ 、 $^{182}\text{Ta}$ 、 $^{160}\text{Tb}$ ）的活度。
活化计算：
- 由 MC 代码导出的中子通量被用作 FISPACT-II（配合 TENDL-2019 库）和 RayActive 代码前一版本的输入，进行离线活化计算。
- FLUKA 还通过其 RESNUCLEI 卡执行了在线活化计算。

主要结果
研究对比了测量活度与计算值，得出以下发现：

总体一致性： 测量值与计算值在所有四种代码中均表现出良好的一致性，测量值与计算值的比值落在 0.5–1.5 范围内。
质子束：
- FLUKA 在线计算显示出良好的吻合度，但除金 (Au) 箔片外，由于 RESNUCLEI 卡中使用了任意的 50/50 基态/同质异能核素比，导致了偏差。这一问题通过使用 FISPACT-II 得到了解决。
- 对于位于束流损失点（偏转器、管道）附近的箔片，代码显示出较高的差异，特别是对 Au、Ta 和 Tb 而言，这些元素对低能中子较为敏感。这表明在相对于束流的小角度范围内，低能中子通量的计算存在差异。
- RayXpert 和 MCNP6 表现出相似的趋势，而 PHITS 在大多数情况下遵循 FLUKA 的趋势。
氘离子束：
- 使用耦合了来自 FLUKA、MCNP6 和 PHITS 通量的 FISPACT-II 进行的计算显示出良好的吻合度。
- FLUKA 在线计算由于同质异能核素平衡问题，显著低估了 Au 箔片的活度。
- 其他代码倾向于高估活化量，这可能是由于高估了来自 Be(d,n) 反应的低能中子以及随后在混凝土墙中的热化过程。
代码性能： 在靠近束流损失点时，RayXpert 和 MCNP6 与其他代码相比显示出更高的差异，这归因于低估了小角度下的低能中子通量。

意义与主张
论文指出，使用蒙特卡洛代码结合相对准确的设施模型进行中子通量估算，是评估回旋加速器环境中被动探测器活化的可靠方法。研究证明：

方法论验证： 将 MC 代码与离线活化工具（FISPACT-II、RayActive）相结合，是一种可行的放射性废物活化表征方法，其结果处于可接受的性能范围（0.5–1.5 比值）内。
不确定性来源： 质子束场景的主要不确定性来源被确定为缺乏关于加速器内部束流损失强度和形状的精确数据。
未来应用： 随着 CEMHTI 回旋加速器现已停用，验证后的方法论将被用于将数值模拟与对退役回旋加速器部件及混凝土墙进行的测量进行对比。这将有助于进一步研究 MC 代码、截面库和中子热化行为之间的特定差异，最终支持 Sim $\beta$ -AD 关于定义用于废物管理的 $\beta$ 单核素与 $\gamma$ 发射核素比例的目标。

作者得出结论，尽管需要改进对束流参数的了解，但目前的结果证实了这些模拟工具在放射性特征表征中的实用性。