鈾黃餅的MCNP模擬探測(cè)范文

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《應(yīng)用科技雜志》2015年第一期

1裂變中子鈾黃餅探測(cè)原理

鈾235為易裂變核，在不同的中子能量條件下具有不同的裂變反應(yīng)截面，和快中子可以發(fā)生快裂變，和熱中子可以發(fā)生熱裂變，而且熱裂變截面大于快裂變截面[9]。裂變過(guò)程中放出的中子，統(tǒng)稱為裂變中子。裂變中子99%以上都是在裂變的瞬間釋放出來(lái)，稱為瞬發(fā)中子；不到1%的裂變中子是在裂變發(fā)生一段時(shí)間后，由某些裂變碎片經(jīng)一系列的衰變過(guò)程放出的，稱為緩發(fā)中子。熱中子和鈾235發(fā)生熱裂變產(chǎn)生的瞬發(fā)中子能量較高，平均能量為1.98MeV，因此中子源脈沖結(jié)束后，記錄的是超熱中子能量范圍的瞬發(fā)中子。因此，產(chǎn)生的超熱中子數(shù)目與鈾含量成一定比例，據(jù)此可用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾黃餅的探測(cè)。鈾235與熱中子的反應(yīng)截面很大，為-262518210m。脈沖中子源發(fā)射出中子，誘發(fā)鈾235發(fā)生裂變，產(chǎn)生2~3個(gè)瞬發(fā)裂變中子，其裂變的一般反應(yīng)式如式（1）所示，式中X、Y為裂變碎片。此反應(yīng)中，裂變發(fā)射出來(lái)的瞬發(fā)中子通量密度與脈沖中子源的強(qiáng)度、以及鈾核材料中鈾的含量是直接相關(guān)的，當(dāng)設(shè)置好脈沖中子源的發(fā)射強(qiáng)度后，通過(guò)對(duì)裂變中子通量密度的測(cè)量就能直接反映出鈾核材料中的鈾含量。

2鈾黃餅?zāi)Ｐ图澳M方法

2.1計(jì)算模型[10]利用mcnp程序建立鈾黃餅的數(shù)值計(jì)算模型：外殼內(nèi)外徑分別為50和55cm，由內(nèi)向外，分別由2.5cm的聚乙烯慢化體與2.5cm的石墨反射體組成。黃餅直徑為20cm，長(zhǎng)20cm。探測(cè)器直徑為5cm，長(zhǎng)20cm，距離中子源30cm。采用柵元通量計(jì)數(shù)，根據(jù)能量分段計(jì)數(shù)超熱中子與熱中子。脈沖中子持續(xù)發(fā)射時(shí)間為10μs，周期為2ms，模擬中子源粒子數(shù)為4×108個(gè)。

2.2瞬發(fā)裂變中子鈾黃餅探測(cè)模擬瞬發(fā)裂變中子探測(cè)技術(shù)利用氦三探測(cè)器，記錄鈾黃餅中由于發(fā)生瞬發(fā)裂變而增加的超熱中子計(jì)數(shù)。中子源脈寬為10μs，周期為2ms，改變黃餅中鈾的含量分別為0、0.1%、0.5%、1%，探測(cè)器分別記錄0～2000μs超熱中子和熱中子衰減時(shí)間譜。由圖2、3可以看出，鈾黃餅中的鈾含量對(duì)超熱中子的影響較大，當(dāng)不含鈾時(shí)，由源中子慢化產(chǎn)生的超熱中子在t<100μs的時(shí)間內(nèi)完全消失；而當(dāng)鈾黃餅中含鈾時(shí)，超熱中子通量明顯增加，而且鈾黃餅中鈾含量越高，增加的超熱中子越多。這主要是由于鈾黃餅中含鈾時(shí)，中子與鈾235發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生的瞬發(fā)裂變中子增加了超熱中子的通量。記錄脈沖結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)的超熱中子通量計(jì)數(shù)，可以反映鈾黃餅中鈾的含量。而鈾黃餅中鈾含量對(duì)熱中子時(shí)間譜影響不大。

3計(jì)算結(jié)果分析

鈾含量的變化對(duì)熱中子時(shí)間衰減譜影響很小，但超熱中子計(jì)數(shù)隨著鈾含量的不同變化較大，因此對(duì)超熱中子時(shí)間衰減譜做積分處理，由圖2可知，不含鈾黃餅在100μs前超熱中子通量遞減為零，即源中子慢化而來(lái)的超熱中子通量遞減為零，這之后產(chǎn)生的超熱中子基本上全是熱中子與鈾235發(fā)生熱裂變產(chǎn)生的裂變中子；而600μs后，統(tǒng)計(jì)漲落相對(duì)較大。因此將時(shí)間譜中120～600μs內(nèi)共計(jì)60道的超熱中子計(jì)數(shù)進(jìn)行累加，得到如表格1所示這4種鈾含量下的超熱中子相對(duì)計(jì)數(shù)，圖4為鈾黃餅中超熱中子相對(duì)計(jì)數(shù)與鈾含量的關(guān)系。模擬時(shí)，中子源很穩(wěn)定，建立的模型都是在理想狀態(tài)下進(jìn)行模擬的，而在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，中子源的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)降低鈾含量的準(zhǔn)確度。而超熱中子的增加是由于鈾黃餅中的鈾235發(fā)生熱裂變產(chǎn)生的，因此鈾黃餅的超熱中子衰減速度和熱中子相同。此時(shí)，可以利用超熱中子與熱中子的比值來(lái)確定鈾黃餅中的鈾含量，如圖5所示。

4結(jié)論

1）脈沖中子源脈沖結(jié)束后產(chǎn)生的超熱中子能量范圍的裂變中子，和黃餅鈾含量呈正比關(guān)系，裂變中子計(jì)數(shù)越多，黃餅鈾含量越大。2）在測(cè)量過(guò)程中，中子源的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)降低鈾含量的準(zhǔn)確度。超熱中子的增加是由于鈾黃餅中的鈾235發(fā)生熱裂變產(chǎn)生的，因此鈾黃餅的超熱中子衰減速度和熱中子相同。此時(shí)，可以通過(guò)熱中子計(jì)數(shù)來(lái)校正黃餅中的鈾含量，即利用超熱中子與熱中子的比值來(lái)確定鈾黃餅的鈾含量。3）基于本文的理論運(yùn)用于實(shí)際，還需考慮極限探測(cè)距離與不均勻、不規(guī)則的探測(cè)對(duì)象。

作者：張坤明張雄杰瞿金輝湯彬單位：東華理工大學(xué)教育部核技術(shù)應(yīng)用工程研究中心