用于核素在线瞬发伽马数据测量的热中子源设计

江新标，邬泽鹏，苏春磊，张文首，于青玉

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

中子俘获瞬发伽马射线在部分核素核数据测量及其衰变纲图评价方面具有独特优势[1-7]。西安脉冲堆(XAPR)建有满足热中子注量标准和热中子标定实验的热柱孔道，该孔道从堆芯引出混合中子、伽马源，经石墨层中子慢化、铅层伽马屏蔽以及屏蔽门中心准直器的准直滤束后，引出热中子通量密度约为1.18×105cm-2·s-1的平行热中子束，其中，原热柱孔道屏蔽门中心准直器由外径17.5 cm、内径3 cm的含硼聚乙烯塞、聚乙烯塞、铁塞的复合屏蔽结构组成。随着放化诊断研究工作的深入发展，XAPR早期设计的热中子源中子强度偏低、伽马本底较高，不满足核素在线瞬发伽马数据测量以及测试诊断系统标定的要求。本文对屏蔽门中心准直器进行改造设计，以提供热中子通量密度大于4.0×105cm-2·s-1、中子伽马通量密度比值大于10且中子束流外围的中子、伽马本底剂量率满足辐射安全要求的平行热中子束，并利用热中子与核素核反应后的瞬发伽马射线来精确测量核素的基础核数据或标定测试系统，降低放化诊断基础核参数的不确定度，提高放化诊断的测量精度。

1 理论计算模型

图1示出了西安脉冲堆原热柱孔道的几何结构，该热柱孔道束流屏蔽设计属于各向异性极强的深穿透屏蔽计算问题，束流出口距堆芯372 cm，中子通量密度从堆芯输运到孔道出口约下降8个量级，且束孔直径较小，约3～4 cm，直接对堆芯、热柱、准直滤束装置等进行1次蒙特卡罗输运计算难以收敛，为解决该问题，研究建立了以下两段几何搭接的蒙特卡罗耦合计算方法。

1.1 中子、伽马平面源计算模型

中子、伽马平面源位于热柱孔道方腔前表面(图1a)，距堆芯245 cm。热柱方腔为50 cm×50 cm×50 cm的空腔或直径6.6 cm、长度50 cm的圆柱孔，其中准直热中子源采用圆柱孔的设计。本文采用蒙特卡罗程序MCNP[8]的KCODE临界源和中子-伽马耦合输运模型模拟计算热柱孔道方腔前表面处的中子、伽马平面源的空间分布、能谱分布和角分布。

热柱孔道方腔前表面的中子、伽马平面源J(r,E,μ)是空间、能量和方向的函数，由于MCNP程序在平面源问题的输运计算时，只需考虑μ>0的源项J+(r,E,μ)，为简化平面源的计算模型，本文假设正向平面源J+(r,E,μ)为：

J+(r,E,μ)=CJ+(r)J+(r,E)J+(r,μ)

(1)

式中：J+(r)为粒子正向流密度的空间分布；J+(r,E)为与空间有关的粒子正向流密度的能谱分布；J+(r,μ)为与空间有关的粒子正向流密度的角分布；C为归一化系数。

为得到平面源的空间分布、能量分布和角分布，利用MCNP程序中相应的分段计数卡(FSn)、分段除数卡(SDn)、计数能量卡(En)和计数余弦卡(Cn)对平面源的空间、能量和角度进行网格划分。采用蒙特卡罗耦合抽样方法[9]计算了各空间网格内的多群中子、伽马正向流密度的能谱分布J+(ri,Eg)，并计算了穿过平面源表面上各空间网格内的正向流密度的角分布J+(ri,μj)。

对J+(ri,μj)进行方向归并，得到各空间网格上的正向流密度J+(ri)为：

(2)

a——热柱孔道及混凝土屏蔽门；b——屏蔽门中心准直器图1 西安脉冲堆原热柱孔道屏蔽门中心准直器的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of centre collimator of shielding door at XAPR thermal column

式(2)即为平面源的空间分布。根据式(2)，可得平面源的总源强为：

(3)

式中：Ai为各空间网格的面积，cm2；S为热柱孔道准直器优化设计计算时中子和伽马源强的归一化常数。

1.2 热柱孔道出口处中子、伽马参数计算模型

基于建立的中子、伽马平面源，利用MCNP程序的SDEF表面源，对热柱孔道屏蔽门中心准直器的结构和材料组合方案进行优化设计。中子源计算采用Mode N P模型，伽马源计算采用Mode P模型，并对中子源和伽马源计算的伽马参数进行归并处理。

2 平面源制作与验证

2.1 中子、伽马平面源制作

利用MCNP程序分别计算热柱孔道方腔(直径为6.6 cm的圆柱孔)前表面处半径分别为8.25、15、25、35、45、60 cm区域的中子、伽马的正向流密度的角分布、能谱分布和空间分布。

图2 热柱孔道方腔前表面处中子正向流密度和中子源强的空间分布Fig.2 Space distribution of forward neutron current density and source strength at the front plane of thermal column square cavity

图2～7分别示出了热柱孔道方腔前表面处6个空间网格内中子、伽马光子正向流密度的角分布、能谱分布和空间分布曲线图。由图2、5可知，中子正向流密度在半径20 cm附近有一峰值，然后随半径的增大而减小，而伽马正向流密度基本呈均匀分布；由图3可知，中子能谱接近麦克斯韦谱，且0.4 eV镉上中子份额极小，这表明反应堆中子源经石墨慢化后，在热柱方腔内已得到较纯的热中子源；由图4、7可知，中子正向流密度的角分布在r≤8.25 cm和r>8.25 cm区域内的变化趋势较大，伽马光子流密度的角分布在r≤8.25 cm和r>8.25 cm区域内的变化趋势基本保持一致，这表明热柱方腔内中子准直效果要优于伽马光子，有利于在距堆芯372 cm的热柱孔道出口处得到更好的平行热中子束。

图3 热柱孔道方腔前表面处不同半径区域内中子正向流密度的能谱分布Fig.3 Spectrum distribution of forward neutron current density at different rings at the front plane of thermal column square cavity

图4 热柱孔道方腔前表面处不同半径区域单位立体角内中子正向流密度的角分布Fig.4 Angular distribution of forward neutron current density per solid angle at different rings at the front plane of thermal column square cavity

2.2 平面源验证及修正

利用图1b中热柱孔道出口处(束孔直径3 cm，距堆芯372 cm)的热中子注量率实验测量值对2.1节制作的热柱方腔前表面处中子平面源进行验证。实验测量值为利用热中子注量率测量标准装置给出的数据[10]，采用两种标准测量方法的平均值：235U裂变电离室法以及金箔活化+4πβ-γ符合法。理论计算值为利用热柱方腔前表面处中子平面源计算热柱束流孔道出口处产生的中子参数及中子诱发伽马参数，同时采用热柱方腔前表面处伽马平面源计算束流孔道出口处直接贡献的伽马参数。

图5 热柱孔道方腔前表面处伽马正向流密度和源强的空间分布Fig.5 Space distribution of forward gamma current density and source strength at the front plane of thermal column square cavity

热柱孔道出口处的热中子通量密度理论计算值与实验测量值分别为2.20×105、(1.18±0.03)×105cm-2·s-1，相差约86%，该偏差主要是热柱孔道的实际几何结构、材料密度和杂质成分与理论计算采用的参数不完全一致以及平面源制作采用的近似处理方法造成的。因此，在后续热中子源升级改造设计时需修正中子和伽马参数，其修正系数k为1.18×105/2.20×105≈0.54。

表1列出了热柱孔道束流出口处中心束孔和束孔外侧的中子、伽马参数的理论计算值。由表1可知，伽马平面源在孔道出口处产生的直接伽马剂量率为8.99×10-1mSv·h-1，大于中子平面源在孔道出口处的诱发伽马剂量率1.20×10-1mSv·h-1，即伽马平面源对出口处伽马剂量率的贡献是中子平面源贡献的7倍以上，且孔道出口处的中子伽马通量密度比值为3.05，不满足大于10的要求，故需在准直器前端增加伽马过滤器，增强对来自堆芯的高能伽马射线的屏蔽。在热中子通量密度为1.18×105cm-2·s-1时，束孔外侧的中子、伽马总剂量率约为1.30×10-2mSv·h-1，在进一步提升中心束孔热中子通量密度时，采用图1b准直滤束装置势必造成中子、伽马本底剂量率的抬升，因此，为降低束孔外侧的中子、伽马本底剂量率，需采用新型屏蔽材料和屏蔽结构对图1b中的中子、伽马准直滤束装置进行优化设计。

图6 热柱孔道方腔前表面处不同半径区域内伽马正向流密度的能谱分布Fig.6 Spectrum distribution of forward gamma current density at different rings at the front plane of thermal column square cavity

图7 热柱孔道方腔前表面处不同半径区域单位立体角内伽马正向流密度的角分布Fig.7 Angular distribution of forward gamma current density per solid angle at different rings at the front plane of thermal column square cavity

表1 热柱孔道束流出口处中心束孔和束孔外侧的中子、伽马参数Table 1 Neutron and gamma parameters of centre beam and outside beam at exit of thermal column

3 热中子准直器的优化设计

为进一步提高热柱孔道出口处的热中子通量密度、中子伽马比，本文根据表1模拟结果，并参考国外研究堆瞬发伽马分析用中子源的设计方案[11-12]，增大图1b准直器中心束孔的直径，并在准直器前段设置屏蔽伽马射线的3 cm铋过滤器，在中段和后段设置了由新型硼铝复合材料、含硼聚乙烯、镉、铅、铋等组成的准直屏蔽热中子、伽马射线的复合结构，优化结构示于图8，其中，准直器方案1、4、5后段采用直径4 cm的小准直器对中心束孔的束流进行准直限束并抑制束孔外侧的中子、伽马本底剂量率。

图9示出了采用5种准直器方案时，热柱孔道出口处所在平面的中子通量密度和中子、伽马总剂量率的空间分布。由图9可知，采用准直器方案5时，孔道出口处中心束孔的中子通量密度最大，且束孔外侧的中子、伽马本底剂量率较小，即该方案为热柱屏蔽门中心准直器的优选方案。

表2列出了采用图8准直器方案5时热柱孔道束流出口处中心束孔和束孔外侧的中子、伽马参数的蒙特卡罗计算结果。由表2可知，热柱孔道出口处中心束孔的热中子通量密度为4.11×105cm-2·s-1，中子伽马通量密度比值为12.56，满足核素核参数在线瞬发伽马分析测量的要求；中心束孔外侧的中子剂量率、中子诱发伽马剂量率、直接伽马剂量率、总剂量率的最大值分别为3.08×10-2、3.54×10-3、1.25×10-3、3.56×10-2mSv·h-1，中子本底剂量率份额较大，约占总本底剂量率的86.5%，总本底剂量率最大值约为3.56×10-2mSv·h-1，基本达到0.025 mSv·h-1的辐射防护标准。

图8 热柱孔道及其屏蔽门中心准直器优化设计结构图Fig.8 Structure chart of optimization design for thermal column and centre collimator of shielding door

图9 采用不同准直器方案时热柱孔道出口处中子通量密度和中子、伽马总剂量率的空间分布Fig.9 Space distribution for neutron flux density and total dose rate of neutron and gamma at the exit of thermal column by using different collimator schemes

表2 采用优化方案5时热柱孔道束流出口处中子、伽马参数的蒙特卡罗计算结果Table 2 Calculation results of neutron and gamma parametersat the exit of thermal column by using optimization collimator scheme 5

图10示出了热柱孔道出口平面半径分别为2、6、8.25、15、25 cm的不同网格内中子通量密度的能谱分布曲线。由图10可知，热柱孔道出口中心束孔位置处(r≤2 cm)的中子能谱呈高斯分布，且中心束孔0.4 eV以上的快中子以及束孔外侧的本底中子均较小，即热柱孔道出口处的中子源为准直性能较好的平行热中子源。

图10 热柱孔道出口平面不同半径区域内的中子能谱分布曲线Fig.10 Neutron energy spectrum distribution at different rings of exit plane of thermal column

4 结论

本文热柱孔道屏蔽门中子束流引出屏蔽装置采用图8中的优化设计方案5，可在热柱孔道出口处得到热中子通量密度大于4.0×105cm-2·s-1、中子伽马通量密度比值大于10、束孔外围中子和伽马总本底剂量率较低的平行热中子束。同时，热柱孔道出口处直径4 cm中心束孔的中子、伽马剂量率较大，须设计中子、伽马捕集器，有效捕获准直束流。束流外围的环境本底剂量率稍大于0.025 mSv·h-1，需在准直束流外围增加必要的屏蔽措施，降低束流外围的环境本底剂量率，确保反应堆稳态2 MW满功率运行时，堆大厅环境剂量率满足辐射安全要求。