天然镍结构材料中α粒子诱导次级质子产出的反应截面测量与反应堆安全评估

针对核反应堆结构材料中α粒子诱发(natNi(α,xp)61Cu)反应导致氢气泡积聚的安全隐患，研究人员采用叠箔活化法测量10-35 MeV能区反应截面数据，发现TALYS/EMPIRE理论预测与实验存在显著偏差，通过优化EMPIRE-3.2.3的β衰变通道提升了气体产额预测精度，为Gen IV反应堆材料选型提供关键数据支撑。

在核能技术快速发展的背景下，反应堆结构材料的辐射损伤问题日益凸显。作为核反应堆"骨骼"的镍基合金，虽以卓越的耐腐蚀性和高温稳定性著称，却面临高能粒子轰击产生的气体积聚风险。特别是当α粒子（核反应中产生的氦核）与镍结构材料相互作用时，会通过(natNi(α,xp)等反应产生次级质子，这些质子最终可能形成氢气泡，如同潜伏在材料内部的"微型炸弹"，威胁反应堆的安全运行。更棘手的是，现有理论模型TALYS和EMPIRE对这类反应的预测存在显著偏差，而国际原子能机构EXFOR数据库中的实验数据又存在相互矛盾的情况，这给新一代Gen IV反应堆的设计蒙上了阴影。

针对这一关键问题，来自印度可变能量回旋加速器中心（VECC Kolkata）的研究团队开展了一项突破性研究。他们利用K-130回旋加速器产生10.8-34.6 MeV的α粒子束，采用叠箔活化技术结合γ能谱分析，精确测量了natNi(α,xp)⁶¹Cu反应的激发函数。实验特别关注了三个反应通道：⁵⁸Ni(α,p)（Q值-3.11 MeV）、⁶⁰Ni(α,p2n)（Q值-23.5 MeV）和⁶¹Ni(α,p3n)（Q值-31.32 MeV）。研究团队还系统评估了TALYS 1.96和EMPIRE-3.2.3理论预测的可靠性，并探索了模型优化的可能性。

关键技术方法包括：1）叠箔活化技术制备45 mg/cm²天然镍靶；2）K-130回旋加速器产生10-35 MeVα粒子束；3）离线γ能谱法检测⁶¹Cu（半衰期3.34小时）的282 keV特征峰；4）采用IAEA-EXFOR数据库进行数据比对；5）TALYS和EMPIRE理论模型计算与参数优化。

研究结果揭示：

1. 实验数据可靠性验证：在23.4 MeV能点发现TENDL评估数据与实验结果偏差达40%，证实现有核数据库在反应堆能区存在系统性误差。

2. 理论模型改进：EMPIRE-3.2.3通过引入β衰变通道修正后，预测准确度提升约25%，而TALYS 1.96即使用户调整预平衡反应参数仍存在显著偏差。

3. 能量依赖性规律：首次确认在α粒子能量>30 MeV时，(α,p3n)反应通道贡献率突增，这一现象被归因于三核子发射的预平衡机制增强。

这项研究的意义不仅在于提供了可靠的实验基准数据，更开创性地揭示了理论模型在预测气体产额方面的局限性。研究团队提出的模型优化方案，为评估SS316不锈钢（含14%Ni）和Inconel合金（含>30%Ni）在极端辐射环境下的性能退化提供了新工具。特别是对正在研发的Gen IV反应堆而言，这些发现将直接影响堆芯材料的选择和寿命预测策略，为核能安全领域树立了新的技术标准。正如研究者Swapna Balakrishnan在讨论部分强调的，这项工作架起了基础核数据与工程应用之间的关键桥梁，其方法论也可推广至其他结构材料如Zr合金的气体产额研究。