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我国自主研发最新版《中国评价核数据库》发布

2020/6/12 15:38:51来源:新浪科技作者:-责编:骑士评论:

北京时间6月12日消息,近日,由我国自主研发的《中国评价核数据库》最新版本CENDL-3.2正式发布。该数据库作为核工程与核技术研究的重要基础,是连接核物理基础研究与核技术应用的重要纽带,在国民经济建设、国家安全以及科学研究领域都起着不可或缺的作用。

▲《中国评价核数据库》-3.2版

新版CENDL-3.2采用国际通用的ENDF-6数据格式,中子入射能量范围从10-5eV到20MeV。相较前一版本,核素数量由240种增加至272种,数据质量、数据种类均有大幅度提升。使用我国自主研发的最新版UNF程序,利用包含我国自主测量在内的最新实验测量数据,对134个核素的中子反应数据经过了重新评价和计算,其中包括核能和核技术应用中重要的核素1H、6,7Li、56Fe、235,238U和239,240Pu的中子反应数据。对于核数据用户急需的截面数据协方差文档,基于我国自主研制的利用广义最小二乘法评估理论模型参数的不确定性,CENDL-3.2给出了70个裂变产物核的主要核反应截面模型相关协方差数据,实用性较前一版本有大幅提高。

此外,通过对1230个国际宏观基准系统进行检验,CENDL-3.2针对中子诱发235U和Pu裂变系统的预测能力有显著提高,在一些技术指标上已经超过了美国、日本和欧洲的评价核数据库。

我国核数据研究工作起步比欧美国家较晚,且在关键高精尖核数据与先进方法上始终受到国外封锁。特别是最近几年,美国在原有关键核数据与研究方法对我国限制的基础上,在其他基础核数据研究方面的制约也已日趋凸显。如:限制中美学术交流、停止核数据相关程序共享、关闭美国国家核数据网站等公共核数据服务平台、禁止我国参与核结构数据和核能衰变热能项目等。

在这一形势下,中国核数据中心在全国核数据工作协作网成员单位的大力支持下,牵头组织开展核数据研究工作。在充分掌握核心技术的同时,我国核数据工作者奉行多边主义,积极保持国际合作,与国际原子能机构(IAEA)和经济合作与发展组织核能署(OECD/NEA)等国际组织开展广泛的协作交流,建立了具有我国特色、独立自主知识产权的核数据研究体系和《中国评价核数据库》系列。

自1991年开始,《中国评价核数据库》已成为国际公认的五大主流核数据库之一,得到国际核数据界的高度认同,我国核数据研究水平在国际核数据界取得了与我国国际地位相符的地位。此次《中国评价核数据库》最新版本CENDL-3.2的发布,是在疫情期间我国核数据研究领域取得的一项重要科研成果,对发展我国自主知识产权的核数据技术,防范国外技术封锁,大力发展核能、核医学、同位素和辐照产业,进一步巩固并提升我国在国际核数据界和核数据相关研究领域的影响力和话语权有着极为重要的意义。

背景材料:

什么是核数据、核数据库?

我们知道自然界中所有物质均是由不同的分子、离子及原子构成的,原子则由原子核与核外电子构成,而原子核由质子和中子组成(质子带正电,中子不带电)。在自然界中,有些原子核是稳定的,如我们日常见到的大多数物质的原子核都是稳定的。而有些是不稳定的,会发生衰变,即从一种原子核变成另外一种原子核。如:U-238,会通过α衰变变成Th-234。核数据是用来描述与原子核相关的两大方面的性质:(1)原子核自身的基本性质:包括原子核的质量、结构(形变,能级,自旋,宇称等)及它本身的衰变数据(包括衰变方式、寿命等等)。(2)一个有一定能量的入射粒子(中子、质子、带电粒子、伽马射线等)与原子核碰撞后发生各种反应的概率。如:一个具有一定速度的中子与一个U-235原子核发生碰撞,会导致U-235发生链式裂变,同时放出巨大的能量,这正是核武器、反应堆能量来源的基本原理,而核数据正是描述这个中子与U-235发生碰撞,有多大的概率会发生反应形成复核,然后有多少概率发生裂变,每次裂变放出多少能量及几个中子与伽马,多大的概率会发生其他反应等数据的统称。将前面提到的两类核数据(很多核素的)根据不同的用途与要求进行组合、集成就形成了通常说的各种核数据库。

如上面提到,核数据是描述原子核本身特性和其他粒子与原子核发生各种反应的重要表征、重要基础数据。因此,人类一切与原子核和原子核反应相关的活动都离不开核数据!核数据的可靠性、准确性与完整性将会影响人类建设的各种与核有关的装置、核能和平利用以及核技术应用的安全性、经济性。也会带来巨大的社会效应与经济效应。

而要获得高质量的核数据,则强烈依赖于核物理基础实验及理论的发展,反过来,高质量的核数据,尤其是高质量的实验数据对核物理基础研究也有重要推动作用。

谁在应用核数据?核数据有什么用?

由于核数据是在微观层面对原子核进行表征的数据,人们不能在感官层面看见其如靓丽建筑、紧密的仪器、壮观的设施等等这种直接可见的高大上,但这丝毫不会减弱对其研究的难度、也不会影响其在实际应用中的重要性!甚至在某种程度上核数据研究决定了上面提到的宏观层面的外表!

那么究竟核数据都是谁在应用呢?由于核数据的应用领域极为广泛与我们的国民经济建设、国防安全和科学研究都密切相关,我们可以将其归纳为下述几个方面:

基础物理学方面:这包括了检验理论模型、设计实验、实验数据分析和天体物理学研究自然界元素的起源;

核能应用研究方面,如:反应堆研发、核燃料循环、核电池、操作安全、核辐射屏蔽、核废物处理和嬗变、聚变能的研究等;

核医学领域:放射性同位素生产、剂量计算、放射治疗、医学诊断等;

国家安全:核装置的研发、库存管理、临界安全、核法证、侦查核材料非法传输、核应急响应;

工业应用:油井测井、设备检测、材料辐照:

农业应用:辐照育种

由此可以看出,核数据的应用领域对人类、国家和个人都有非常重要的。正因为核数据的重要性以及广泛的应用领域,国际上发达国家都非常重视核数据研究与应用。那么核数据是怎样获得呢?

如何获取核数据?

到目前,人类获取可靠的核数据,主要还是通过两种方式获得。一是通过实验方法进行实际测量,二是基于可以开展的实验测量数据,再结合核反应理论模型,实验数据进行评价给出。通过这两种方式是相互结合、相互补充才能给出满足各种不同需求的核数据。

核数据测量需要很多大型的核实验设施,如:反应堆、加速器、散裂中子源、天然放射性源以及各种探测设备和方法。比如:如果我们需要测量一个入射中子与某个核发生相互作用的各种数据(截面、角分布、能谱等等),我们需要有能产生中子的设施,需要有比较纯的样品,同时还需要有能测量发生反应后各种出射粒子的仪器,还需要鉴别这些出射粒子是我们需要的测量发生不同反应后出射的粒子。这是非常复杂而成本高昂的实验活动。

通过评价获取核数据是基于实验测量获取的实验数据,再结合核理论模型,如:核结构、核反应等理论模型,仔细分析、评价实验测量核数据的规律、特征等给出在物理上自洽、合理的核数据。这是因为在现实中,通过实验测量方式获取核数据的成本是极其高昂的,且人们不能通过实验测量所有的核数据,如:一些原子核的寿命、原子核发生反应的过程都是极为短暂的,人类目前掌握的技术根本无法对其进行开展测量。因此,要获取完整的核数据必须利用已有实验测量数据和原子核理论方法结合的评价方式才能获取完整的核数据。

国际核数据研究怎样做的?

在核数据测量方面,国际上的中子源已经发展到第三代,即基于高能高功率质子加速器的散裂中子源(宽能区白光中子源)。目前,散裂中子源已成为核数据测量最为先进的平台,其中,最具代表性的如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的800 MeV质子直线加速器上的洛斯阿拉莫斯中子科学中心(LANSCE)和欧洲核子研究中心(CERN)的n-TOF(飞行时间法)装置。在探测器方面,随着科学技术的不断发展,国际上用于高精度核数据测量的探测器与探测技术也在不断涌现,如全空间高效率探测器阵列以及高分辨的组合探测技术等。国际上这些新发展的探测器技术为核数据的精确测量提供了技术支撑。

在核数据评价方面,美国、日本、欧洲等主要核数据大国一直在不断提高自己评价核数据库的水平,包括核素范围、数据种类、数据质量以及数据库更新频率等。他们已经建立了完整的核数据评价体系,包括用于核数据评价的先进的理论模型与计算程序、完整的核数据建库与检验技术、面向用户的完善的数据加工与制作技术、核数据灵敏度分析与数据调整技术等。

核数据基础研究对提高核数据库的质量有重要作用。随着计算机计算能力的大幅提高,近年美国在裂变基础研究方面取得了重要的进展。比如,实现了五维集体变形坐标下的位能曲面的真实计算,定性再现了裂变后的相关实验可观测量。

我国核数据研究情况怎样呢?

我国核数据研究开始于上世纪60年代初,根据核装置设计、核试验诊断的要求,开展了重要核数据的实验测量工作,有力地支持了我国核装置初期的发展。其后,我国核数据研究一直紧紧围绕核装置、核DONGLI发展的需要进行。通过全国核数据工作协作网各成员单位的共同努力,先后完成了多期核数据任务,取得了许多重要成果,并于1985年完成发行中国评价核数据库第一版CENDL-1,包含37个核素,中子能区从1keV-20MeV,满足了当时国内核工程对核数据急需,也为我国核数据评价和核数据库开辟了道路,奠定了基础。中国评价核数据库CENDL-2.1于1991年完成发行,它包含了代表当时先进水平的双微分截面和协方差文档,说明我们在评价方法、评价技术和评价手段上具有较高的水平,但在当时核素仅有54个,很难满足实际应用的需要。我国从1996年开始建立CENDL-3.1,并于2009年底完成。对整体数据库进行了大量改进:核素增加至240个,其中包括裂变产物核91个,所有这些核的数据都经过重新评价和计算;同时增加结构材料核同位素数据,与天然元素数据同时给出,天然元素数据与其同位素数据之间更满足物理上的自洽关系;更新改进了重要的裂变核素,如U-235、U-238、Pu-239等的数据。经过几代中国核数据工作者40多年的努力,我国完成了大量的核数据测量与评价工作,满足了国防急需,填补了大量核数据空白,澄清了部分关键核数据的分歧;形成了由实验测量、理论计算和评价以及宏观检验等构成的核数据研究能力;建成了一整套研究平台,形成了中国自己的评价核数据库《中国评价核数据库》(CENDL),不仅有力地支持了核装置研究和核动力技术的发展,在多项大型核科研工程建设及提高核电安全性、经济性、可靠性等技术指标方面也发挥了重要作用。

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关键词:数据库核能

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