【科研团队展示】核物理

       研究方向简介

      可靠的核数据是核工程与核技术应用领域的基本要素，包括核电厂运营、核燃料循环管理、新型反应堆研发、乏燃料嬗变、核分析技术、核医学等。鉴于可靠且系统的核数据具有重要的战略意义，在核技术发展早期，大国强国纷纷半封闭式地发展自己的核数据库，从而形成了现今的五大核数据库共存的格局。学院具有出色的核物理、核数据和反应堆物理研究基础，并制定了在十四五期间深入研究新一代快中子核能系统的学科规划。学院顺应华南地区核科学与核技术发展的大潮流，利用华南地区诸多核领域大科学装置以及相关资源，在十四五期间围绕新一代快中子核能系统开展学科建设与学术攻关。在此背景下，本研究团队将快中子裂变核数据及其应用作为主要科研方向。目前该方向主要围绕着快中子裂变数据测量、模型发展、数据评估、数据应用等方面开展研究工作，已经取得若干重要成果。

【成果1】快中子裂变核数据及其应用

      在实验测量方面，已完成溴化镧探测器的初步测试，积累了精细谱学实验技术，为搭建溴化镧探测阵列，开展裂变产物精细谱学鉴别积累了经验。在广东省基础与应用基础研究重大项目、十四五学科建设经费的支持下，购买了若干溴化镧探测器，开展了探测器的测试实验。核数据科学与应用课题组，已购买19个溴化镧探测器，配合裂变靶室或硅探测器，计划在散裂中子源等单位开展中子诱发核裂变的关键核数据测量。

图1  溴化镧探测阵列建设与裂变产物精细谱学实验平台

在裂变模型发展方面，优化了微观动力学模型、宏观朗之万模型、机器学习算法，开展了裂变机制的研究，为全能普裂变核数据的预测提供了物理基础。将重离子核反应微观输运模型Boltzmann-Uehling-Uehlinbeck模型推广到库仑位垒能区，对熔合裂变与准裂变的竞争机制做出了解释；模型可计算的裂变产额质量分布与角度关联。发展了宏观朗之万模型，对锕系核素裂变过程中断点前中子发射机制做出了解释，探究了前锕系核素裂变中的壳效应；模型可计算裂变碎片质量分布、动能分布等。基于机器学习中张量分解算法的原理，建立了裂变产额张量模型，针对部分核素裂变产额数据缺失的问题，评估裂变产额数据，获得一套从Th到Cm的主要同位素裂变产额数据。

图2：发展裂变模型与算法，为裂变核数据预测提供物理基础

在裂变模型发展方面，优化了微观动力学模型、宏观朗之万模型、机器学习算法，开展了裂变机制的研究，为全能普裂变核数据的预测提供了物理基础。将重离子核反应微观输运模型Boltzmann-Uehling-Uehlinbeck模型推广到库仑位垒能区，对熔合裂变与准裂变的竞争机制做出了解释；模型可计算的裂变产额质量分布与角度关联。发展了宏观朗之万模型，对锕系核素裂变过程中断点前中子发射机制做出了解释，探究了前锕系核素裂变中的壳效应；模型可计算裂变碎片质量分布、动能分布等。基于机器学习中张量分解算法的原理，建立了裂变产额张量模型，针对部分核素裂变产额数据缺失的问题，评估裂变产额数据，获得一套从Th到Cm的主要同位素裂变产额数据。

在核数据应用方面，开展核取证研究并取得重要进展，深度溯源6种反应堆中辐照后燃料的初始富集度与燃耗、以及区分压水堆（PWR）与沸水堆（BWR）。反应中的一个很常见的问题是通过反应产物推断反应物和反应过程，这是个典型的逆问题或反问题。对于核反应堆，确定初始富集度的燃料在经历一定的燃耗后，乏燃料中会包含各种锕系核素和裂变产物。反之，如果知道最后产物的浓度，也有可能反推初始富集度和燃耗。核取证作为一门新兴学科，通过对核走私以及核爆炸样品的分析进行溯源，能够有效地防范核扩散和核威胁。我们提出了一种新思路解决此问题，也即使用了两组核素比例的线性组合作为表征依据。基于OECD核能署发布的乏燃料（测量）数据库SFCOMPO-2.0，挑选了测量数据较多的铀、钚的7种长寿命同位素，按两组核素比相组合，进行穷举分析，发现PWR，BWR，VVER-400，VVER-1000，MAGNOX和AGR共6种类型的反应堆中辐照后的燃料内确实存在相应的线性约束，并确定了与之相关的模型；基于开源蒙特卡洛程序OpenMC模拟的PWR与BWR数据亦符合上述模型。此外，通过机器学习的方法，发展了基于两组核素比例的区分中子学性质相近的PWR与BWR。

【成果2】中微子及相关核数据研究

中微子探测技术在基础研究领域已经取得了巨大的成功， 但由于中微子与普通物资的反应截面极小，且在基础研究中的探测系统设计方案并不适用于应用领域，故中微子探测技术在实际应用上，如商用核反应堆监测、国防中的安全监测，还未见突破性进展。中微子监测技术的实际应用，虽然目前来看具有一定的技术屏障，确是一种非常具有潜力的探测技术。各核工业强国都在进行积极投入其未来应用价值可见一斑。美国能源部核安全管理局组织了一批中微子专家和核工程师，通过两年时间的整理于2021年10月发布了Nu-Tool 报告，对未来中微子在核能和核安全方面的应用给出了指导性建议。美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 近年来支持了多个基于中微子探测的核反应堆监测技术研发项目。

图3：中微子探测器研发进展