核能發(fā)電一直以鈾作為，盡管鈾資源能夠滿足目前工業(yè)需求，尋找一個長期穩(wěn)定增殖系數(shù)及靜態(tài)堆芯參數(shù)，并對電子驅(qū)動釷基熔鹽次臨界系統(tǒng)進行概念設(shè)計。進行核數(shù)據(jù)評價和加工是很有必要的。目前，國際上有部分電子驅(qū)動實驗平裝置部分開展研究，設(shè)計適用于核數(shù)據(jù)測量的電子驅(qū)動實驗裝置。實驗研制工作，包括電子打靶的物理及熱工模擬分析，中子探測影響因素分析（包括中子慢化，及飛行管道方案設(shè)計對中子探測的影響分析，靶體結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計，以及實驗中子靶焊接測試系統(tǒng)設(shè)計等。目前SINAP用于核數(shù)據(jù)實驗平臺的電子能量為15MeV。15MeV轟擊重中子效率就會更低。因此針對低能入射電子打靶的特性，研究設(shè)計了鎢銅焊接組合靶：電子驅(qū)動釷基次臨界系統(tǒng)，，物理設(shè)計，熱工分Althoughtheuraniumreservecanmeetthecurrentdemandsinnuclearindustry,searchingforternativeresourceisstillquiteurgent.InChina,thereisplentyofthoriteresource,whichcansustainthenuclearfuelwiththedevelopmentofthethorium-uraniumnuclearsystem.Combiningthethorium-basednuclearenergyprojectsoftheShanghaiInstituteofAppliedPhysics(SINAP)andtakingadvantageofmatureexperienceinelectronacceleratorconstruction,thepartofthisprfocusesonthestudyofelectron-driventhorium-basedsubcriticalsystem.WithMonte-carlosimulationoftheelectronbombardingintothethorium-basesubcriticalsystem,theeffectivemultiplicationfactorandthestatic-statephysicalparametersofthesubcriticalcoreisstudiedandtheconceptualdesignofthisreactorsystemisdeveloped.Inthethorium-basednuclearenergysystem,manyimportantnuclidedataarenotyetcompleted.Itrequiresanexperimentalmeasurementontherelevantdataandatheoreticalevaluationandprocessingafterwards.Therearesomeactiveelectron-accelerator-drivenneutronfacilitiesfortransmutationnuclidedataexperimentsintheworld,whilethereisnosuchfacilityfornulidedataexperimemtofthethorium-basedsysteminChina.DuetoSINAP’sdemandsofthenuclidedatainthethorium-basednuclearenergysystem,thesecondpartofthisprconcentratesondevelopmentofanelectron-accelerator-drivenneutronsourcefornuclidedataexperiment.Thisworkincludestheneutronsimulation(bothphysicalandthermal),thecoolingsystemdesign,thestudyofinfluencingfactorsontheneutrondetectionoftheneutronsource,includingtheneutronmoderator,shieldingandflightpipedesign,andsoon.Currently,theenergyoftheavailableelectronacceleratorinSINAPis15MeV.Theneutrongenerationefficiencyisquiowwith15MeVelectronsbombardingintotheheavymetalandthedepositedenergyontheincidentsideisveryintensive.Attheme,theelectronwillloseenergywhentraversingthroughthebeamwindowandcoolingwaterlayer,whiakestheneutrongenerationefficiencyevenlower.Asaresult,withthesecharacteristicsofthelow-energyincidenectron,thestructureofawholetungstenjointingasidewithcopperendisdesigned.Thetungstenisputinsideoftheelectronbeamtube,whilethecopperendisdugwithslotsandfilledwithcoolingwater.Thenewstructureofneutron izetheneutronyieldandguaranteethesafetyofTheneutron simulationinthisprprovidesreferencedatafortheneutronfacilityconstructionprogram.DevelotheSINAPexperimentalneutronfacilitytocarryoutthenucleardatameasurementandevaluatingthenucleardataofthethorium-uraniumcyclesystemareveryimportanttothedevelopmentofthorium-basednuclearenergy.KEYWORDS：Thorium-basedSubcriticalsystemdrivenbyelectronaccelerator,neutronsource,Physicaldesign,Thermal ...........................................................................................................................I 第一章緒 核工業(yè)問題及釷鈾循環(huán)系統(tǒng)介 1.2驅(qū)動次臨界系統(tǒng)及的國內(nèi)外研究狀況及進 1.3主要內(nèi)容及意 第二章電子驅(qū)動釷基次臨界系 2.1驅(qū)動次臨界系統(tǒng)原 電子驅(qū)動次臨界系統(tǒng)堆芯模擬計算方 電子驅(qū)動釷基次臨界裝置模 第三章電子驅(qū)動實驗中子靶裝置物理設(shè) 電子打靶模擬分 中子慢化及模 中子模 中子飛行管道模 第四章實驗中子靶裝置熱工模擬及冷卻系統(tǒng)設(shè) 4.1介 中子靶熱工分 冷卻系統(tǒng)管路布 第五章中子靶裝置機械設(shè)計及測試實 中子靶機械設(shè) 中子靶測試實 第六章總結(jié)及展 參考文 作者簡 文章情 致 圖圖1-1釷鈾系統(tǒng)核素 圖1-2浦項裝置總體結(jié)構(gòu)示意 圖1-3浦項裝置靶室結(jié)構(gòu)示意 圖1-4浦項裝置慢化體、層及支座結(jié)構(gòu)示意 圖1-5浦項中子探測實驗布局 圖1-6nELBE裝置總體結(jié)構(gòu)示意 圖1-7nELBE裝置靶室及桶機構(gòu)示意 圖1-8nELBE裝置結(jié)構(gòu)三維示意 圖1-9nELBE裝置實物 圖1-10CSNS散裂靶體結(jié)構(gòu)示意 圖1-12ADSF中子靶組件及冷卻通道結(jié)構(gòu)三維示意 圖1-13SINAP釷基次臨界實驗裝置及中子靶實驗平臺概念設(shè)計圖錯誤!未定義書簽。圖2-1模擬堆芯結(jié)構(gòu)示意 圖2-2堆芯柵元通道中子通量分布 圖2-3堆芯柵元通道功率分布 圖2-4有源、無源堆芯及電子打中心靶三組中子能譜對比 圖2-5有源、無源堆芯中子通量分布對比 圖3-1入射靶體示意 圖3-2電子打W靶產(chǎn)生的光子能譜 圖3-310MeV-1GeV電子入射到四組靶材上的中子產(chǎn)額對比 圖3-4100MeV電子入射到四組靶材上的中子能譜對比 圖3-5不同能量入射電子在W靶上產(chǎn)生的中子能譜對比 圖3-6靶體上的中子通量分 圖3-7測量中子溢出角分布所設(shè)置的環(huán)探測器布置示意 圖3-830MeV入射電子W靶上中子角分布 圖3-915MeV入射電子W靶上中子角分布 圖3-10加20cmPE慢化層模型的中子角分布 圖3-1290度方向引出中子在距靶不同位置下的中子通 圖3-1315MeV入射電子W靶上光子角分布 圖3-14三個角度引出的的光子能譜對 圖3-1590度方向引出中子在距靶不同位置下的光子通 圖3-16分盤片水隙夾層靶體結(jié)構(gòu)示意 圖3-17電子入射盤片靶體的能量沉積分 圖3-182kW/15MeV電子入射圓柱厚W靶靶體徑向/軸向平均功率分 圖3-19整體靶靶體功率密度分布云 圖3-20單向慢化劑模型示意 圖3-214π全空間慢化劑模型示意 圖3-22模型B層距中子靶中心0.2 圖3-23模型C層距中子靶中心1 圖3-24模型D層距中子靶中心4.5 圖3-25ABCD四種模型的中子能 圖3-26傳輸管道的結(jié)構(gòu)示意 圖4-1粗細柵元劃分對靶體功率密度影響對 圖4-2整體靶焊接銅座模型結(jié)構(gòu)示意 圖4-3整體靶焊接銅座模型中子靶室網(wǎng)格劃分示意 圖4-4整體靶焊接銅座模型中子靶室域交界面示意 圖4-5盤片中子靶室結(jié)構(gòu)示意 圖4-6盤片水隙冷卻模型的流場分布 圖4-7盤片水隙結(jié)構(gòu)中子靶總體溫度分布 圖4-8第一盤片（左）及三四盤片間水隙中卻劑水（右）的溫度分 圖4-9焊接組合靶優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)示意 圖4-10a/b/c模型鎢靶及冷卻水通道表面溫度云 圖4-1130MeV/2kW電子打W靶功率密度分布云 圖4-12橫向縱向入水通道兩組模型結(jié)構(gòu)對比 圖4-13優(yōu)化后的冷卻槽道模型結(jié)構(gòu)示意 圖4-1415MeV/2kW電子入射W靶的功率密度云 圖4-15W靶靶體溫度云 圖4-16真空殼溫度分布云 圖4-17銅座溫度分布云 圖4-18與銅座槽道接觸的冷卻水表面溫度分布云 圖4-19冷卻管路系統(tǒng)示意 圖4-20冷卻系統(tǒng)控制邏輯示意 圖4-21冷卻管路空間布局示意 圖4-22管路系統(tǒng)平面布局尺寸示意 圖4-23管路系統(tǒng)體內(nèi)布局及尺寸示意 圖4-24冷卻管路測試系統(tǒng)實物 圖5-1中子靶室和支架三維 圖5-2調(diào)節(jié)板結(jié)構(gòu)三維 圖5-3中子靶裝置組件三維示意 圖5-4中子靶裝置組件結(jié)構(gòu)剖視 圖5-5銅座上的焊接 圖5-6中子靶組件實物 圖5-7中子靶裝置裝配示意 圖5-8鎢銅焊接組件機械示意 圖5-9鎢銅焊接件毛坯 圖5-10原始模型中的銅座水流槽 圖5-11修改后的銅座水流槽道機械示意 圖5-12不銹鋼真空殼機械示意 圖5-13不銹鋼真空殼零件實物 圖5-14管連接件機械圖示意 圖5-15真空法蘭組件機械示意 圖5-16中子靶支架組件的機械示意 圖5-17中子靶支架組件加工實物 圖5-18中子靶組件安裝視 圖5-19鎢銅焊接試樣件截面示意 圖5-20加熱源及測試系統(tǒng)設(shè)計示意 圖5-21加熱源及測試系統(tǒng)的實物 圖5-22功率控制百分比與實際功率及電壓對照 圖5-23鎢靶銅座測試組件上的溫度探測點分 圖5-24熱源溫度控制探測點溫度變化曲 圖5-25靶體溫度探測點1~6溫度變化曲 圖5-26靶體溫度探測點7~12溫度變化曲 圖5-27靶體溫度探測點13~18溫度變化曲 圖5-28靶體溫度探測點19~24溫度變化曲 表表1.1國際上部分ADS項目列 表1.2目前國際上活躍的裝置列 表2.1模擬方案堆芯結(jié)構(gòu)基本尺寸參數(shù) 表2.220MeV~1000MeV電子/質(zhì)子入射四種靶材中子產(chǎn)額對照 表2.3電子/質(zhì)子入射四種材料產(chǎn)生的中子能譜對照 表2.4MCNPX中子徑跡統(tǒng)計表的中子消耗項記 表2.5模擬計算堆芯基本參數(shù)對照 表3.1電子打靶模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對 表3.210MeV/15MeV/20MeV/30MeV電子入射到W靶的中子產(chǎn)額對照 表3.3不同能量、功率入射電子在W靶上產(chǎn)生的中子/光子源強對 表3.5不同入射直徑對中子產(chǎn)額的影 表3.6靶體尺寸對中子總產(chǎn)額及中子有效產(chǎn)額的影 表3.7單向模型慢化劑材料、厚度對探測點中子能譜影響對 表3.84π模型下不同厚度水慢化劑對5m處探測點中子能譜影響對 表3.94π模型下不同厚度PE慢化劑對5m處探測點中子能譜影響對 表 4π模型下不同厚度石墨慢化劑對5m處探測點中子能譜影響對 P模擬設(shè)置各探測點的中子通量模擬結(jié) 表3.12單段管與三段管模型各探測點中子能 表3.13MCNP模擬設(shè)置各探測點的光子通量模擬結(jié) 表3.14單段管與三段管模型各探測點光子能 表3.15單段管縮小內(nèi)徑后各探測點中子通 表3.16飛行管道內(nèi)空氣對中子飛行影響驗證方案對 表3.17未加慢化劑、體及飛行管道模型模擬結(jié) 表3.18加飛行管道后模擬結(jié) 表4.1100MeV/30kW電子入射在盤片上的平均功率密 表4.2三組模型冷卻水最高溫度對 表4.3W和Ta物理性質(zhì)對 表4.4Hx與Zx兩組模型模擬結(jié)果對 表4.5靶體各部分最高溫度列 表4.6冷卻系統(tǒng)基本組件參數(shù)列 表5.1鎢和銅的熱物性質(zhì)對 表5.2鎢銅擴散焊接剪切強度.........................................................................表5.3加熱源功率設(shè)定百分比及其電壓、電流和實際功率對照 第一章緒論體系，但是當前在役的反應(yīng)堆型，仍存在核不能充分利用、核廢料無法妥善處理等問算，在它們運行結(jié)束時，將會產(chǎn)生250,000噸的乏，其中影響最大的是占乏總量約2%的長裂變產(chǎn)物（99Tc、129I、90Sr、135Cs等）和超鈾元素（Pu、Np、Am、Cmwaste處理的系統(tǒng)。驅(qū)動次臨界系統(tǒng)ADS（AcceleratorDrivenSystem）[4]和熔鹽堆系統(tǒng)是解決上述核工業(yè)所問題多種方案中的兩個研究方向[5]。過去五十多年的時間里，核能發(fā)電一直以鈾作為。盡管鈾資源能夠滿足目前工業(yè)需求，尋找一個長期穩(wěn)定的可替代資源，依然比較緊迫。232Th是可裂變核素，在反應(yīng)堆內(nèi)具有較高的吸收截面，可轉(zhuǎn)化為易裂變核素233U[6]。利用我國儲藏量居世界第二的釷礦資源，發(fā)展核釷鈾循環(huán)系統(tǒng)，將能有效維持核充足供應(yīng)。目前關(guān)于釷資源儲量及分布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)善不完全，地質(zhì)局2007年報告中（USGS2007）很多數(shù)據(jù)甚至還是我國內(nèi)包頭白云鄂博礦儲量22.1萬噸，28.6萬噸，僅次于釷儲量世界第一的?。?32Th）的含量（2～20%）遠大于鈾礦中鈾的含量（0.1～1%，因此釷價格比鈾更便宜變中子數(shù)，232Th可以通過轉(zhuǎn)化成233U實現(xiàn)核增殖[9-12]。注[13]2001年就成立了專Th-U循環(huán)相關(guān)核數(shù)據(jù)研究工作，取得較大進展。但在部分相關(guān)核數(shù)據(jù)圖一-1數(shù)據(jù)的全面性和準確性決定。用于釷鈾循環(huán)系統(tǒng)核數(shù)據(jù)測量的實驗裝置的研制，其1.2驅(qū)動次臨界系統(tǒng)及的國內(nèi)外研究狀況及進早在20世紀50～60年代就有人提出了將引入核能系統(tǒng)的構(gòu)想，限于當時的加目前，國際上有ADS研究計劃的國家和地區(qū)主要有、EU、俄羅斯、、韓國等，大部分都還在概念設(shè)計階段，部分有試驗裝置[21]。在快堆和ADS的技術(shù)進展項目框架下，IAEA在Pu的利用及長放射性廢物的嬗變、ADS、14MeVDT等離子體驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)等方面有一系列研究活動[2223]。的ADS研究項目主要有ORNL的散裂[24]與LANL的SMART（SubcriticalMinorActinideReductionthroughTransmutation）[25]，此外還有能源部主導(dǎo)的InitiativeEUROTRNS(TheEUROpeanresearchprogramfortheTRANSmutationofhigh-levelPDS-XADS1998SCK.CEK就開始了MYRRHA項目[28]，該項目的目的是為了設(shè)計和建造一個用于替換現(xiàn)有的建于ADSXT-ADS/MYRRHA項目用2.5~4mA600MeV的質(zhì)子驅(qū)動LBE靶，次臨界堆以高富集MOX裝載。俄羅斯由于有大量退役的級DS項目重點關(guān)注Pu的利用，此外，也關(guān)注在ADS中熱中子堆乏中的超鈾元素和長裂變產(chǎn)物的。其中SAD(theSubcriticalAssemblyinDubna)[29]設(shè)計的熱功率為20～30kW(th)，是以660MeV最高功率1kW驅(qū)動keff為0.95的MOX裝載堆芯，其靶為Pb/W靶大學(xué)在2002年開始了一項KART(KumatoriAccelerator-drivenReactorTestFacility)[30]2009年，ADSRKUCA的第一次實驗成功進行。該研究計劃的目的是進行ADS可行性研究。研究堆內(nèi)引入外源中子對次臨界核系統(tǒng)倍增因的影響。基于此目的，研制了一臺FFAG，與KUCA進行耦合。2009年3月4日，成功完成了世界上首次高能質(zhì)子束生的散列中子向反應(yīng)堆芯的注入。之后進行了一系鎢靶上。FFAG重復(fù)頻率30Hz流強10pA，鎢靶產(chǎn)生的強為1×106n/s。這臺FFAG的流強很弱，打到靶上的束流形狀也很差，目前正試圖通過提高流強和改善Project項目。設(shè)計主要參數(shù)如下：1.5GeV、22-30MW，液態(tài)Pb-Bi靶，次臨界度keff值為0.95~0.97，800MW(th)，堆芯高度1m，堆芯半徑2.44m。ADSKAERIKoreaAtomicEnergyResearchInstitute)HYPER(HYbrid為0.97，反應(yīng)堆熱功率1000MW(th)。此外，、意大利、匈牙利、等國，都有相應(yīng)的ADS研究計劃，值得一提的是其中KIPT(KharkovInstituteofPhysicsandTechnology)與ANLINL等合作研究的ADSF(Accelerator-drivensubcriticalfacility)[32]。該裝置設(shè)計的目的是生產(chǎn)醫(yī)用同位素，同時為的核工業(yè)提供支持。所使用的是20MeV～100MeV的電子直線，或者是23MeV的D粒子流。的靶材用的是鎢、鈾靶，D核粒子流用的是Be靶。項功堆芯功中子通中靶堆芯（WJAERI-(-Pb-（韓國-Pb-（意大利3-0.95-Pb-（法國3-0.95-（比利時Pb-（0.95-5-W（0.95-1014-Pb-（Pb-MoltenADS研究中，尤其關(guān)鍵的是靶的研究。有以下幾種方案：一種是用質(zhì)子提供的高能質(zhì)子流轟擊重核靶散裂產(chǎn)生中子，另一種是用電子的打重D-T的方案，但D-D、D-T的中子通量有限，不是研究考慮的重點。出的能量放大器的方案來提供能量的角度來考慮，都需要盡量高的強度[34]。要提高射粒子（質(zhì)子或電子）在靶上產(chǎn)生平均中子數(shù)的角度來考慮，GeV量級的高能粒子，相同能量下，質(zhì)子入射產(chǎn)生的平均中子數(shù)比電子高約2個數(shù)量級，即質(zhì)子的效率是電子的幾十上百倍[36,37]。但是入射粒子能量較低時（百MeV以內(nèi)兩者產(chǎn)生的中子效率相差較小，在十幾倍以內(nèi)；入射能量低到30MeV以下時，則兩者產(chǎn)生的總之，要想提高ADS的的強度，需要建立高功率的強流高能。尤其是作為功率放大器的ADS，考慮到效率，需要利用高能量的粒子，而能量高到GeV質(zhì)子作為次臨界系統(tǒng)的驅(qū)動[38]。盡管基于質(zhì)子的散裂具有很高的中子產(chǎn)生效率，但從技術(shù)的角度來考慮，目前，質(zhì)子結(jié)構(gòu)龐大、價格昂貴、技術(shù)不成熟、難于長期穩(wěn)定運行，而電子結(jié)構(gòu)緊湊、造價要低得多，且技術(shù)成熟，較質(zhì)子能夠更長期、穩(wěn)定、可靠地運行[39,40]。所以，在ADS的基礎(chǔ)研究中，作為一種可行的選擇，電子光可以代替質(zhì)子散裂，用于研究靶的相關(guān)實驗以及次臨界堆芯堆器耦合在目前的基礎(chǔ)研究中，驅(qū)動除了可用于ADS相關(guān)實驗，還可用于核數(shù)據(jù)測量實驗及其他中子學(xué)實驗[42-44]。本課題關(guān)于電子驅(qū)動裝置研制的部射電子能量及束流功率都較低的條件下，產(chǎn)生的源強相對較弱的情況下，在設(shè)計過將該電子驅(qū)動裝置，研制成為釷鈾循環(huán)系統(tǒng)下核數(shù)據(jù)測量實驗平臺的實驗。LINAC電子直線[45]表一.2目前國際上活躍的裝置列項靶材入射能脈沖流脈沖寬脈沖頻束流功中子產(chǎn)（比利時U(3-Linac（25-0.4-15-300-Linac（2.5-10-（韓國70-0.3-2-30-0.2-10-置利用40MeV驅(qū)動液態(tài)鉛靶。介紹固體靶類型的PNF的與液體靶形式的nELBE的裝置的設(shè)計。PNF（PuhangNeutronFacility）[4950]2002年開始建造，是以用于核數(shù)據(jù)測量?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1-2。圖一-2浦項裝置總體結(jié)構(gòu)示意脈沖重復(fù)頻率為12Hz，靶前束斑檢測器的直徑為20mm，電子能量分散1-3%。測高密度16.6g/cm3，高3017C，以及耐腐蝕性的特點。靶體共分成10個層片，直徑水1圖一-3浦項裝置靶室結(jié)構(gòu)示意圖水慢化固定在一個2.5cm的鋁平板上并置于2cm厚度的鐵桌子上周圍覆蓋10cm的Pb，如圖1-4。在慢化體設(shè)計中，PNF使用4種水層厚度，根據(jù)不同實驗要求，改變慢化中子能譜。靶室內(nèi)Ta靶間隙的冷卻水并不能顯著的改變中子能譜。射，另外0.5cm厚度的Pb板放置在TOF管的前端，TOF管和流夾角90度。在靶1.8mTOFBC702（6Li-ZnSAg，直徑12.5cm1.5cmEMI-93090PMT10.8m，中子探測器用鉛磚和PE板。圖一-4浦項裝置慢化體、層及支座結(jié)構(gòu)示意為了檢測實驗強度，在靶室廳距離靶6m處，放置1.6cm直徑、5.8cm長度的BF3正比計數(shù)器BF3用30.5cm的PE球包圍周圍在用5cmPE板和10cm鉛磚雜散Gamma。TOF11m，TOF管為不銹鋼，兩種直徑15cm20cm。圖一-5浦項中子探測實驗布局德國nELBE[46,51-53]驅(qū)動在2007年開始建造，位于德國Forschungszentrum（0.5MHz下能40MeV，平均功40kW，脈沖寬度小于10ps，最大頻率260MHz，并可以2n因子降低，用于產(chǎn)生sub-ns中子束，小的發(fā)射度（RMS10mmmrad。nELBE的主要任務(wù)是聚變、裂變反應(yīng)堆中子產(chǎn)生截面測量，以及驅(qū)動的等。nELBEn-TOF裝置也適合于研究天體核問題的研究，提高核模型的反應(yīng)率在3.9m測量點處，中子通量為1.5*107m/s/cm2，短的脈沖使中子能量分辨好于1%（50keV-5MeV?？捎玫闹凶幽芰糠秶?0keV-10MeV。電子通過兩個Be窗（200um，水冷，中間通以干燥氮氣以避免高溫氧化）進入真空室，直徑8mm。2.6m水泥墻，3.9mFlash及次級電子。靶后面有一個束流桶，整體結(jié)構(gòu)示意如圖1-6。圖一-6nELBE裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖一-7nELBE裝置靶室及桶機構(gòu)示意其熱產(chǎn)生率為30kW/(0.8*0.8*1.0)cm3=46kW/cm3=46GW/m3(8mm斑直徑，以于Mo管壁材料，小于0.1%來自于不銹鋼容器。圖一-8nELBE裝置結(jié)構(gòu)三維示意需要高，高熱導(dǎo)率；管壁材料的能量沉積小，中子能損低。圖一-9nELBE裝置實物中國的驅(qū)動裝置，高能所CSNS的散裂最為知名[54,55]。其設(shè)計方案1.6GeV40×120mm235個分層片包鉭鎢靶，束斑（4倍均方根尺1-10所示。圖一-10CSNS散裂靶體結(jié)構(gòu)示意暈，另一方面RTBT的最后四臺四級透鏡考慮采用抗輻射設(shè)計。CSNS散裂設(shè)計過，蒙卡模擬所計算100kW束流功率的質(zhì)子束轟擊在鎢靶1.5mm，高壓重水穩(wěn)定地流過相鄰靶片之間的空隙將散裂反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶出部，在靶容器的入水口設(shè)計分流擋板，提高冷卻效率，70%冷卻前15片，20%冷卻中15體采用重水冷卻，費用增加，但是可以增加5-7%的有效中子產(chǎn)額[56]。用于驅(qū)動次臨界系統(tǒng)實驗的電子驅(qū)動以ANL和KIPT實驗室合作的ADSF項目中RACE的中子靶[57-59]為例，進行簡單介紹。該裝置的能量是100kW，電子能量在100~200MeV。靶材選用鎢靶，并將鎢靶至于次臨界堆芯。其堆芯為低鈾在鋁包殼中形成組件，六角型分布組件而成次臨界裝置。中間七個組件被電子輸運管和靶替代。圖1-11心黃域是靶體，的六個半六角型可以作為冷卻劑及出口。1.3主要內(nèi)容及意驅(qū)動次臨界系統(tǒng)S)在嬗變核廢料、實現(xiàn)核的增殖和核能的可持續(xù)發(fā)展方面具有重要的應(yīng)用前景37,6023-233U前ADS研究大部分集中在核廢料嬗變領(lǐng)域35,62,63，外加也一般是選用的質(zhì)子引束打靶的散裂64作S子、，子耗運貴實穩(wěn)。用電子替子行ADS前期基礎(chǔ)子子生的中子效率相差并不太大，中子產(chǎn)額相差在一個量級以內(nèi)。由于期的實驗致，即粒子單獨打靶產(chǎn)生的并不等同于粒子直接引入到堆芯后產(chǎn)生的。為了國際上現(xiàn)有許多電子驅(qū)動的光實驗裝置用于核數(shù)據(jù)測量[45]，而國內(nèi)還沒需求，將著重在電子驅(qū)動部分開展研究，研制適用于核數(shù)據(jù)測量的電子驅(qū)動實驗裝置。實驗研制工作，包括中子靶的物理及熱工模擬，中子源中子探測影響因素分析（包括中子慢化，及飛行管道方案設(shè)計對中子探測的影響分目前SINAP可利用的電子能量為15MeV，該轟擊重金屬靶產(chǎn)生中子的因此針對低能入射電子打靶的特性，研究設(shè)計了鎢銅焊接組合靶結(jié)構(gòu)，將中子靶入射界系統(tǒng)及實驗的發(fā)展情況，并介紹了本的選題背景和主要內(nèi)容及意義。驅(qū)動次臨界堆芯靜態(tài)參數(shù)，并對電子驅(qū)動釷基次臨界系統(tǒng)進行概念設(shè)計。第三章針對電子驅(qū)動展開研究，詳細介紹電子驅(qū)動中子靶實驗裝置的物理設(shè)計，包括中子靶物理設(shè)計過程和慢化體、層及飛行管道不同設(shè)計方案對中子探測驅(qū)動釷基次臨界系統(tǒng)，是解決核能持續(xù)發(fā)展的可行性方案。本針對釷基次臨界裝置，采用蒙卡程序MCNPX，發(fā)展堆芯引入的直接計算法，能有效準確地求重要意義。中子靶散熱的研究一直是系統(tǒng)中的關(guān)鍵和難題，在中子靶的設(shè)計過，采用了新型冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計，使中子靶散熱問題得到解決。所研制的電子驅(qū)動實驗裝置，可用于釷鈾循環(huán)核數(shù)據(jù)測量。開展核數(shù)據(jù)測量實驗，補充釷鈾循環(huán)第二章電子驅(qū)動釷基次臨界系電子驅(qū)動次臨界系統(tǒng)由電子、靶和次臨界反應(yīng)堆三大部分構(gòu)成。始分析，研究電子驅(qū)動釷基次臨界系統(tǒng)的堆內(nèi)中子物理特性，探討蒙特卡羅方法模堆芯參數(shù)，研究電子驅(qū)動的外源中子對釷基次臨界堆的影響。2.1驅(qū)動次臨界系統(tǒng)原裂變反應(yīng)發(fā)生時，裂變原子核一般為兩個質(zhì)量數(shù)相當?shù)暮肆炎兯槠?，同時還將產(chǎn)生平均兩個以上的裂變中子，并能量。產(chǎn)生的裂變中子部分溢出堆外，部分被吸收，還有部分直接或經(jīng)慢化與裂變核素反應(yīng)，將繼續(xù)下次裂變。當系統(tǒng)內(nèi)中子的產(chǎn)生率與中子的總消耗（吸收+）率相等時，裂變反應(yīng)就能在系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)下去，稱為自持鏈式?jīng)Q于裂變、非裂變吸收和泄漏等過中子的產(chǎn)生率與消耗率之間是否能達到平衡狀態(tài)[66,67]對于穩(wěn)態(tài)時的臨界核系統(tǒng)，每個相空間（Er?）點中子產(chǎn)生與-0(r,E)-0(r,E)0(r,E)0(r,E)f0(r;E','E,(r,E',')dE'd'x(E) (E')(r,E',')dE'd' 0, A A=

keff為方程的特征值，稱為反應(yīng)堆的有效增殖系數(shù)，可表示為

=FA(r,E,

keff

keff

系統(tǒng)內(nèi)中子總消耗率（吸收+泄漏

keff1時，系統(tǒng)內(nèi)中子數(shù)目將隨時間不斷增大，系統(tǒng)不能穩(wěn)定，keff1時，裂變反應(yīng)剛好能持續(xù)，系統(tǒng)達到臨界；當有效增殖系數(shù)keff小于1時，系統(tǒng)無其他外源驅(qū)動，則中子數(shù)目將隨時間

=F(r,E,)A(r,E,

次臨界反應(yīng)堆內(nèi)引入外，其堆芯中子輸運行為也隨之變?yōu)橐粋€有源問題。若在A(r,E,)=F(r,E,)+ A為中子總消耗（吸收+泄漏）算子，F(xiàn)為次臨界反應(yīng)堆堆芯裂變產(chǎn)生中子算子，SA(r,E,?)=(?·+Σa)(r, F(r,E,)=S=S0(r,

v(E',)

(r,E')(r,E',)dE'd

(r,E,?)drdEd 在有外的系統(tǒng)中，有源次臨界中子有效增殖系數(shù)ks被定義來區(qū)別于keff，ks是外源k=F A(r,E,1=A(r,E,)=F(r,E,)+S=1+ F F(r,E, F0=f(r,E')0(r,E',)drdE' x(E)v(E

(r,E')(r,E',)drdE'

f(r,E')(r,E',)drdE'有外的次臨界反應(yīng)堆中，其中子有效增殖系數(shù)ks與外源強度、性質(zhì)和有外源時均中子數(shù)一般為常數(shù)，所以要計算外源次臨界反應(yīng)堆的ks值，需要得到外強度，及中子通量大小則取決于外源的作用強度，包括本身強度性質(zhì)及其所放位置，還有就等有關(guān)，而與外界的條件無關(guān)，它僅反映反應(yīng)堆的臨界狀態(tài)；而有源次臨界中子有簡單的描述次臨界堆中子倍增理論[72]，可以根據(jù)下面的定義kF(r,E,)N-S01- A(r,E, NSMnS0

1-

變產(chǎn)生的全部中子）Mn定義為有源次臨界堆的中子倍增因數(shù)，即有源次臨界堆內(nèi)總中子A**=

F* 將方程（2.8）兩邊同乘以*，能量積分后可得：<*,A>=<*,F>+<*方程兩邊同除以次臨界系統(tǒng)的裂變積分<*,F>，其

Ff=v

(1-1/keff<*,Ff<*,Ff<*f<*,Ff

（2.21：1-<* <<* <*,F <F =s *所描述的是一個外源中子相當于*個裂變中子在堆內(nèi)對裂變反應(yīng)所做貢獻。其值源中子的能譜與裂變中子能譜存在差別，而且所處位置不同，對反應(yīng)堆的作用也是不同的[73]。例如，在反應(yīng)堆外部，只有部分中子能到達堆芯后參與裂變反應(yīng)，而所處于堆芯，產(chǎn)生的中子大部分都是快中子，快中子逃逸堆芯的概率大，在外中子源附件產(chǎn)生的快裂變幾率大，熱裂變幾率小。由于外的性質(zhì)，次臨界堆芯設(shè)計裂變材料的分布直接影響到整堆功率。此外，當ADS堆芯內(nèi)裝載大量閾裂變材料（超鈾核同類型外所引起的作用。所研究的電子驅(qū)動的性質(zhì)，與ADS概念中的散裂還有一定差別。ADS概念里的，通常是指質(zhì)子驅(qū)動的散裂。當高能質(zhì)子轟擊重原子核時，重核能被打成幾塊，這個過會產(chǎn)生中子、質(zhì)子、介子、中微子等。散裂反應(yīng)是粒子多次碰撞的過程，主要經(jīng)過級聯(lián)和蒸發(fā)這兩個步驟產(chǎn)生中子[74]。散裂的效率很高，平均單個1GeV的質(zhì)子，打重核靶后大約產(chǎn)生20個左右的中子，這些中子的平均能MeV量級[75]。質(zhì)子輸入的大部分能量，最后就沉積在靶體上，稱之能耗。質(zhì)子直線盡管質(zhì)子打靶產(chǎn)生的散裂具有中子產(chǎn)生效率較高，但質(zhì)子相對電子加速而電子則結(jié)構(gòu)緊湊、造價要低得多，其建造技術(shù)成熟，較質(zhì)子能夠更長期、MeV量級時，則其二者的中子電子打靶產(chǎn)生中子的原理與質(zhì)子散裂原理是不同的，電子打靶產(chǎn)生中子，其實是電子-76將靶表面，到達靶站周圍的次臨界堆芯，即成為次臨界裝置的外加。Barberand e在1959年電子轟擊重核厚靶的產(chǎn)額的近似表達式[77]，如下Y(Z,E)K((Z,k)dk R(Z tr(Z I(Z)R(Z)K2(Z 0其中E0是入射電子能量，K0是巨偶極子峰值的光子能量，tr(Z)是單個輻射長度中 R(ZI(Z)R(Z

K當能量高于某個能量臨界值時，就會形成電子-光子簇射[78]。這個臨界能量（2.26Ec(MeV)

Z

如果電子韌致輻射產(chǎn)生的光子能量大于靶核中子結(jié)合能，就可能發(fā)生(γ,n)光核反應(yīng)。打靶產(chǎn)生的光中子能譜與質(zhì)子打靶產(chǎn)生的散裂中子能譜，他們的峰值都在1MeV1MeV1MeV的區(qū)間，質(zhì)子產(chǎn)生的散應(yīng)分輸運等方法，并開發(fā)有多種計算程序，如ISINOAT、TI-Ⅱ等等67]。確定論方法求解反應(yīng)堆中子輸運方程一般用時都相對比較隨著計算機應(yīng)用的發(fā)展，隨機統(tǒng)計法即蒙特卡羅（MonteCarlo，MC）方法[79]快速發(fā)早年在洛斯阿拉莫國家（LANL，著名數(shù)學(xué)家尤拉母（S.Ulam）與馮紐 一個隨機模擬中子鏈式反應(yīng)的程序取名為“MonteCarlo”，從此蒙特卡羅方法稱為隨機模擬究計算、驗證計算等等都可以利用蒙特卡羅方法來模擬計算。本文將利用隨機統(tǒng)計蒙特卡羅方法擬計算并設(shè)計電子驅(qū)動釷基次臨界系統(tǒng)和實驗靶。發(fā)跡解過類型，是根據(jù)粒子性質(zhì)及物質(zhì)特性所決定的，可能是散射（彈性及非彈性散射，或者吸收（包括輻射俘獲、核裂變等等。在系統(tǒng)中記錄越多粒子運動徑跡，則最終能得到?jīng)rMCNP程序（MonteCarloN-Particalcode）[82]是由洛斯阿拉莫斯（LANL）粒子輸運。目前，MCNPX2.7是這個程序的版本，可以計算中子、光子、電子、質(zhì)子四種粒子的輸運過程，以及它們間的相互耦合輸運問題等等。MCNPX程序不僅擁有MCNP的所有功能，而且優(yōu)化了粒子輸運模擬的物理模型，拓展了中子、質(zhì)子、及光核數(shù)計算；研究生產(chǎn)同位素及輻照破壞試驗，包括核廢料嬗變系統(tǒng)；研究驅(qū)動的能量放大器裝置；醫(yī)學(xué)物理，尤其是質(zhì)子及中子治療系統(tǒng)研究；設(shè)計裝置的設(shè)計，對結(jié)構(gòu)材料、周邊水及空氣的活化研究；高能放射量測定及中子探測；核臨界安全分析；輻射防護及系統(tǒng)設(shè)計等等[84]。MCNPXMCNP程序幾乎一樣，它具有很強的幾何描述功能，系統(tǒng)內(nèi)重復(fù)結(jié)構(gòu)問題的描述十分簡潔。MCNPX計算程序提供各種源分布，包括通用源用源可以是體源、面源、線源和點源。在計數(shù)卡上，MCNPX提供了多種標準計數(shù)方式，有曲面流量計數(shù)F1，曲面通量計數(shù)F2，柵元通量計數(shù)F4，點或環(huán)探測計數(shù)F5等等。同時MCNPXINP輸入文件，需包括所描述問題的全部輸入信息，如幾何結(jié)構(gòu)、材元卡是柵元參數(shù)，如柵元內(nèi)材料，密度及柵元幾何說明等；曲面卡則是由方程或卡是求解問題的各種特性，包括問題類型，材料信息，柵元參數(shù)，源的信息以及計數(shù)方式等等。MCNPXOUTP輸出文件則是按計數(shù)設(shè)置給出的粒子徑跡統(tǒng)計的結(jié)通量，面通量和體通量。MCNPX程序中，通量的計數(shù)方式有如下幾種：穿過一個曲面的積分流量F1，穿過一個截面的平均通量F2，穿過一個柵元體的平均通量F4，點或環(huán)探測器的探測通量F5等。表達式分別可以寫為：F1AtEJ(r,E,t,)dEdtd F2AtE(r,E,t)dt F4VtE(r,E,t)dt F5 (r,E,tA、V、t、E分別是面積、體積、時間、能量。μ=cosθ，θJ(rEt(rEtA

aV

E

vf V0

JddVdtdEdaV

E(cfm INPKCODEKCODEN，初keffIcIt。而源可以KSRC（臨界計算源）SDEF通用源來定義，還可以用臨界計算總源點分布的SRCTP文件給出。經(jīng)過初試Ic代后才開始有效迭代，其用意在于刨除Ic代前由于keff初試值誤差比較大的情況。MCNP程序是通用的中子輸運蒙特卡羅模擬程序，它既可以用于臨界模擬，也同樣適題，MCNPXkeff值，MCNP可解，一般是以SDEF卡設(shè)置近似的外來取代臨界源，求解ks值。而這樣的，定義電子或質(zhì)子源的方式來設(shè)置外加源，這樣的話就可以不用設(shè)置過的，直KCODEksKCODE卡默認為的中子，而是SDEF卡中定義的電子或質(zhì)子。要得到真實的有源次臨界增殖系數(shù)，則需要通過輸出文件ks值。ks

或電子）打靶產(chǎn)生的S0、有源次臨界中子有效增殖系數(shù)、以及堆內(nèi)平均每次裂變的中子數(shù)，然后計算單個入射源粒子（質(zhì)子或電子）的總裂變次數(shù)F，如下式：F

課題在SINAP釷基熔鹽堆系統(tǒng)研究框架下開展關(guān)于電子驅(qū)動次臨界裝置的研究，研究的次臨界堆芯是釷基熔鹽堆芯。堆芯裝載熔鹽與橡樹嶺國家的MSBR所采用的堆芯熔鹽相類似[85]。堆芯結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)熔鹽裝載量設(shè)計了多種方案，芯方案的堆芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，如石墨內(nèi)切圓半徑及管徑，石墨與體積比，反射層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，其優(yōu)化計算的過程已錄入應(yīng)用物理技術(shù)文檔，本不做詳述。本章節(jié)只針對在模擬方案下，對有無外加的模擬結(jié)果進行分析，研究蒙特卡羅方法：LiF-0.237（mol%，堆芯活性區(qū)熔鹽體積：711935.328cm3；不銹鋼包殼體積：1475763cm3；控制棒材料：B4C堆芯不以備入堆實驗。圖二-1MCNPX中建立計算模型輸入文件，主要包括堆芯結(jié)構(gòu)、材料輸入以及計數(shù)方式的定通過材料卡描述他們的組分。此外，每個柵元還需要設(shè)定粒子重要性。MCNPX程序中結(jié)Universe、Lat、Fill等都是用來定義重復(fù)結(jié)構(gòu)，靈活應(yīng)用這些輸入卡，可以方便進行反應(yīng)堆重復(fù)結(jié)構(gòu)的描述。MCNPX強大的結(jié)構(gòu)描述功能使得即使反應(yīng)堆實體結(jié)構(gòu)非常臨界計算是通過定義KCODE卡來計算keffKCODE卡提供每次迭代標定的源數(shù)Nkeff值嘗試，開始累積計數(shù)前還應(yīng)跳過誤差較大的迭代次數(shù)及迭代總次數(shù)，本IcIckeff初試值誤差比較大的情況，使最后的keff0.1%的量級。臨界計算一般考慮粒子抽樣權(quán)重問題，因此設(shè)計堆芯各部分的中子重要性均為1，即IMP：N=1，堆芯層以外的空間區(qū)域可以設(shè)成IMP：N=0。實際上，在裂變的過，99%以上的裂變中子都是在極短的時間內(nèi)（約10-17~10-14秒）發(fā)射出來的，是瞬發(fā)中子；而不足1%的中子則是由緩發(fā)中子先驅(qū)核β衰變裂變后幾秒到幾分鐘間陸續(xù)發(fā)射，是緩發(fā)中子，按發(fā)射時間一般分為六組緩發(fā)先驅(qū)核[66]。MCNPX中沒有單獨的裂變核素緩發(fā)中子截面數(shù)據(jù)，直接歸入瞬發(fā)中子一起計算；由于案目前外源驅(qū)動次臨界堆芯的蒙特卡羅計算方法，一般是通過模擬粒子打靶產(chǎn)生中子源，然堆芯定應(yīng)行模擬65]。這種步計算法其實入較大的誤差。首先打靶產(chǎn)生的中子，雖然可以通過發(fā)射面或體源定義相類似的，但要完全按打靶產(chǎn)生的中子能譜及分布去定義打靶產(chǎn)生的中子性質(zhì)，其實是有難度的，因此一般都未必就是粒子引入到堆芯后產(chǎn)生的。為了消除這部分誤差，使得堆芯模擬計粒子而損失中子產(chǎn)生效率的情況下（即靶體足夠吸收全部入射粒子不造成浪費，相MeV量級時，則其二者的中子產(chǎn)生效率其實相差不會很大，中子產(chǎn)額在同一量級，見表2.2。5001000W天然鈾打靶產(chǎn)生的光中子能譜與質(zhì)子打靶產(chǎn)生的散裂中子能譜如表2.3。他們的峰值W天然要提高源強，通過提高流強的方式更為經(jīng)濟。在熔鹽堆芯內(nèi)再添置其他固態(tài)的靶體材料，會使系統(tǒng)更加復(fù)雜。因此，考慮到熔鹽靶的中子產(chǎn)額與其他靶材相差并不太大的情況，次臨界堆芯設(shè)計中直接采用熔鹽作為中子V子通量分布。次臨界堆的能量倍增，MCNPX程序計算中則對應(yīng)的是堆芯內(nèi)單電子總裂變次數(shù)的計算分析，這直接反應(yīng)了輸入功率與反應(yīng)堆裂變功率的關(guān)系，是次臨界堆芯設(shè)計中很關(guān)鍵的問題。通過求解這些參數(shù)，才能確定相應(yīng)功率下堆芯尺寸、核成分，以及對應(yīng)反應(yīng)堆功率所需要的輸入流強；并作出反應(yīng)堆的機械、熱工和設(shè)計等。MCNPX所模擬的是次臨界堆芯穩(wěn)態(tài)工況。所謂反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)是指運行參數(shù)不隨時間首先介紹模擬方案堆芯在無源情況下的計算結(jié)果。MCNPX臨界計算中所有關(guān)于中子通量的結(jié)果輸出，最后都歸一化到單個臨界。根據(jù)反應(yīng)堆運行功率，可以算出歸一化源強常數(shù)s，單位為n/s：sP1j/s) )1

- 1.60210 -

En-6- n-vn-6- n-P是反應(yīng)堆總功率，E是平均每次裂變產(chǎn)生的能量，v是反應(yīng)堆內(nèi)每次裂變產(chǎn)生的平7產(chǎn)生平均裂變能E和每次裂變產(chǎn)生的平均中子數(shù)v。MCNPX輸出的歸一化中子通量，乘以設(shè)定功率下的源強常數(shù)，即可得到該功率下中2-2表示。由圖可見，所模擬堆芯中子通量展平相對較好，歸一化平均通量-2-2中柵元內(nèi)歸一化通量數(shù)值單位為（10-5/cm2。圖二-2存在一定區(qū)別。由于本方案所設(shè)計的堆芯，石墨比選擇的類型是非過慢化的設(shè)計，堆2-31MW預(yù)設(shè)功率2-3kW。由圖可見，中心部分功率下沉，邊緣部圖二-3v2.4948E180.7180研究電子驅(qū)動次臨界系統(tǒng)有外源的次臨界系統(tǒng)問題，MCNPX程序有很大優(yōu)勢。MCNPX程序中可以直接采用定義入射電子或質(zhì)子的方式來設(shè)置外加源，直接模擬電子或值，因為SDEF卡中定義的電子源并不是KCODE卡默認為的臨界。要求解電子面ValueWeightLossto(n,LosstoNucl.Tabular表中統(tǒng)計數(shù)據(jù)均已歸一為單個入射電子源的中子行為，描述的是單個電子通過所變反應(yīng)等?？梢钥闯霰容^占比較大的項有{Capture}{Losstofission}{Esc}及中子總數(shù)包含了{Weightcutoff}這項，其實{Weightcutoff}這項所所表示的是在統(tǒng)計過算的總中子數(shù)應(yīng)該是{Total}項與{Weightcutoff}。ks，通過計算式（2.32）的定義。利用中子歸一化徑跡表中的數(shù)據(jù)，以及上文中每次裂變平均產(chǎn)生的中子數(shù)v，ks可以用下式表達：{Losstoks 其中{Losstofission}代表堆芯內(nèi)單個電子通過所有反應(yīng)產(chǎn)生中子里用于裂變而消耗掉計算模擬案例中的有源次臨界堆中子增殖系數(shù)ks為0.98910.子打中心靶產(chǎn)生的S0。利用式（2.33）可以計算單個電子的總裂變次數(shù)F。F

單電子產(chǎn)生的總裂變次數(shù)為1.3496次。表2.5為堆芯參數(shù)的對比表。表二.5vFLossto2.5和數(shù)s于無kf值。這是因為電子驅(qū)動的外源中子的能譜與裂變中子能譜存在差別，所處位置處于堆芯正中間，電子打靶產(chǎn)生的中子在反應(yīng)堆中的效益要堆2-4NonexternalsourcecoremodelExternalsourcecoremodel SingleNonexternalsourcecoremodelExternalsourcecoremodel Single model 1E-neutronfluxneutronfluxdistribution1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E-91E-81E-71E-61E-51E-41E-3001 10100energy單個電子總裂變次數(shù)的計算數(shù)值，直接反應(yīng)到輸入功率與反應(yīng)堆輸出功率150MeV2.5中的兩種計算方法得到單電子的總裂變次數(shù)，分步算法得到的值是1.3496，電子直接入堆模擬統(tǒng)計中子徑跡法獲得的值是1.5451。這兩種模擬計算法獲得的單電子裂變次數(shù)的值相差近0.2，即分步算法引入了相對較大的誤差。這里產(chǎn)生誤差的原因是，分步算法的，因此單獨打靶產(chǎn)生的數(shù)必然不是粒子引入到堆芯后產(chǎn)生的數(shù)。電子入堆FME 其中E是平均每次裂變產(chǎn)生的能量，F(xiàn)是單個電子在堆芯內(nèi)的總裂變次數(shù)，E0是入射

(a)Without(a)Withoutexternal(b)WithexternalNeutronfluxNeutronNeutronfluxNeutronflux

- - Z

- - Z(c)Withoutexternal(c)Withoutexternal(d)WithexternalNeutronNeutronflux

NeutronNeutronflux

R

R(a)無源堆芯軸向中子通量分布；(b)有源堆芯軸向中子通量分(c)無源堆芯徑向中子通量分布；(d)有源堆芯徑向中子通量分利用上文模擬計算得到的數(shù)據(jù)，可以求解所設(shè)計的次臨界堆芯系統(tǒng)以能量為150MeV電子驅(qū)動該次臨界釷基熔鹽堆，穩(wěn)態(tài)運行在ks=0.98910時，其能量倍增因數(shù)233U的轉(zhuǎn)換率CR約為0.38。第三章電子驅(qū)動實驗中子靶裝置物理設(shè)電子驅(qū)動的造價相對較低，能提供較強的脈沖中子，可用于核數(shù)據(jù)測量等多種物理實驗[50]。所研制的電子驅(qū)動中子靶實驗裝置，是為SINAP釷鈾循靶物理設(shè)計展開研究；并圍繞實驗核數(shù)據(jù)測量平臺搭建，計算分析其慢化體、有放射性同位素、反應(yīng)堆、驅(qū)動，其中提供高通量的子源主要是反應(yīng)堆及驅(qū)動。驅(qū)動還分為質(zhì)子驅(qū)動的源子動。,設(shè)計的，由于入射功率有限的情況下，選擇了固態(tài)形式，入射垂射圖三-1入射靶體示意以上的入射電子其中子產(chǎn)額效益基本已達到最大化。但由于目前可供使用的能量僅限在10-30MeV，因此在電子打靶物理設(shè)計過，將就能量在100MeV以及10-30MeV數(shù)據(jù)[88]與本文所計算數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如表3.1。表中實驗數(shù)據(jù)及本文計算數(shù)據(jù)的100MeV。對比可見，MCNPXW.P.Swanson1957年測得鎢鉛釷鈾StanfordLinearAcceleratorCenterbyW.P.Swanson[88]MCNPX計算數(shù)據(jù)3.1可以明顯看出的是，的份額在裂變材料中也占了相當大的比例。裂變材料產(chǎn)生光致裂變的光子能量閾值為對于一般重核靶體光子發(fā)生光核反應(yīng)的截面在光子能量5-35MeV的區(qū)域中呈分的光子峰值大1.5MeV左右，其能譜如圖3-2。隨入射電子能量增加，在高能部分光子是能產(chǎn)生中子。電子入射到其他幾組靶材料上產(chǎn)生的光子能譜基本與圖3-2一致。10MeV~1GeV3-3。U靶上，其中子產(chǎn)額最高；ThU靶上稍PbW靶上的中子產(chǎn)額高；PbW靶上，中子產(chǎn)額很接近。另外，圖中50MeV50MeV以內(nèi)的電100MeV以上之后，其入射能量基本2.0x10-1.8x10-1.6x10-Photon1.4x10Photon1.2x10-1.0x10-8.0x10-6.0x10-4.0x10-2.0x10-

PhotonenergyWWNeutronyieldNeutronyield10-10-10- ectronenergy100MeV3-4?？梢?，四種材料WW10-1010-10-10-10-10-10-10-10-910-810-710-610-510-410-310-210-110010110210~30MeV靶材料為導(dǎo)熱能力較好的鎢。不同能量的入射電子，在鎢靶上產(chǎn)生的中子能譜如圖3-5。50MeV~50MeV~100MeV200MeV500MeV1000MeV10-Neutron10Neutron10-10-10-10-10-10-10-10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100101102Neutronenergy表三.210MeV/15MeV/20MeV/30MeV電子入射到W1.8921E-330MeV單個電子打靶產(chǎn)生的中子是10MeV打靶產(chǎn)生的中子數(shù)的將近1000計過，原本應(yīng)該避開這個區(qū)間，選擇電子能量至少在50MeV以上的能量區(qū)間，中子左右，因此，在設(shè)計過，靶體的設(shè)計將根據(jù)入射電子能量15MeV產(chǎn)生中子的特性及子源強如表3.3。在W7.00在W3.4鎢鉭92義3子%）為束流直徑。在模擬過，需要將電子源的設(shè)置成分布計算才能更準確。MPX很對通以30MeV為5cm為5cm柱從cm到4.6cm表。表三.5不同入射直徑對中子產(chǎn)額的影30MeVWD=5.0cm,L=5.07.1716·10-7.1847·10-7.1837·10-7.1817·10-7.1676·10-6.8058·10-7.0682·10-7.0813·10-7.0828·10-7.0813·10-7.0711·10-6.7253·10-中子總產(chǎn)額項代表電子入射后產(chǎn)生的所有中子，中子有效產(chǎn)額項則代表產(chǎn)生的中子MCPXotalneutronyield射直徑的大小進行模擬，可以看出，入射直徑小于2cm.%.5中可以看出，產(chǎn)生的中子，絕大部分（%左右）都能溢出靶體。因此，入射電子直徑設(shè)計小點，對中子產(chǎn)額其實沒有太大影響，只有當入射直徑太大的情況才會導(dǎo)致部分于盡在散熱系統(tǒng)設(shè)計中減小，直徑的設(shè)計標準確定為在不影響中子產(chǎn)額的情況下盡量最大化入射直徑。這個過所有模擬的入射電子為30MeV，直徑均設(shè)置為小于靶體直徑2cm。計算數(shù)據(jù)如表3.6。表中可以看出，總體上靶體的直徑和厚度對中子有效差額影響不是很大。設(shè)計5.0cm同樣的對比模擬也在其他能量段的入射電子情況下進行過。此處不再一一列出。通過改變?nèi)肷渲睆降拇笮〖爸凶影畜w尺寸大小進行模擬對比，可以看出，入射直2cm0.2%以內(nèi)。靶體尺寸控制在直m射直徑太大才會導(dǎo)致部分電子溢出靶體，不能完全被靶體吸收產(chǎn)生中子。但是分布，中心處密度很高，入射到靶體上后，會在靶體入射端中心處形成高功率的能量沉積，對于直徑的設(shè)計標準，應(yīng)該是盡可能設(shè)計到最大。為了盡量減小入射端中心處的功率密度，以便在散熱系統(tǒng)設(shè)計中減小，直徑的設(shè)計應(yīng)在不影響有效中子產(chǎn)額情況下，盡量最大化入射為了確定布置探測中子飛行管道的方向，需要了解電子打靶產(chǎn)生的中子的溢出角分1.4x10-

1.2x10-Neutron1.0x10Neutron8.0x10-6.0x10-4.0x10-2.0x10- 2 Rofcylinder

NeutronNeutron0.00.51.01.52.02.53.0354045505560657Zofthecyliner 圖三-6(a)靶體上徑向中子通量分布;(b)首先，MCNPX中可以記錄的靶體上的中子通量。查看電子打靶產(chǎn)生的中子，在靶體5mm8cm的球面上，沿圓柱靶圖示10-Neutron10Neutron10- 100120140160neutronemergenceanglewiththez-圖三-830MeV入射電子W3-8中，可以看出，延detectedfromdetectedfromacirclenfluxnflux emergenceanglewithz圖三-915MeV入射電子Wdetectedfromdetectedfromacirclenfluxnflux0

emergenceanglewithz圖三-1020cmPE為了了解慢化體對中子引出的影響，研究工作中在所設(shè)計的靶體添加慢化劑層進3-10z0度，90180度方向引出的中子比其他角atdegree90,r=50cmatdegree90,r=50cmatdegree0,r=100cm1E-1E-neutronfluxneutronflux1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E- 1E- 1E- 1E- 1E- energyaroundaroundatdegree90,r=50cmneutronfluxneutronflux 50cm及500cm位置處的中子通量和能譜。圖3-140度、90180度方向上通量及能譜的對比。圖3-1590度上，距中子靶中心25cm、50cm及500cm處光子的能譜及通量。detectedfromdetectedfromacirclephotonfluxphotonflux emergenceanglewithz圖三-1315MeV入射電子Watdegree90,r=50cmatdegree180,atdegree90,r=50cmatdegree180,r=100cmatdegree0,r=100cm1E-1E-1E-photonfluxphotonflux1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E- 1E- 0 energy圖三-14aroundaroundatdegree90,r=50cmatdegree90,r=500cm1E-1E-1E-photonfluxphotonflux1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E-1E- 1E- energy 圖三-16 徑向以分布入射到靶體上，靶體中心處的能量沉積極高。這種情況下，若用盤道處溫度不會過高，才能安全實現(xiàn)冷卻，這也是中靶體結(jié)構(gòu)方案改進的一個最主要因素。圖3-18是功率2kW的15MeV入射流轟擊φ6cm×高4.8cm的圓柱W靶，徑向及軸向的平均功率分布。這里的功率分布并非靶體上具置的功率密度分布，而是已經(jīng)這里的均勻功率密度要高出許多，達到了1011W/m3以上的量級。 圖三-182kW/15MeV電子入射圓柱厚W靶靶體徑向/靶冷卻散熱的分析和設(shè)計。從MCNPX程序的能量沉積計算數(shù)值到熱工CFX功圖三-19靶體材料本身及靶體包殼還有冷卻系統(tǒng)及系統(tǒng)都會對中子產(chǎn)生散射慢化效果。為了達[93]。這些慢化劑一般選擇原子量較小、散射截面較高、吸收截面較低、且輻照后比較穩(wěn)5cm，10cm，15cm，20cm，30cm，40cm，50cm的慢化情況，并考慮單方向慢化及4π全空間慢化模型的慢化效果差別。模型中加入中子飛行準直管道處別如圖3-20、圖3-21。面上加直徑為70cm的慢化劑圓平面。5cm10cm15cm20cm30cm40cm50cmA點處不同慢化劑厚度下能D點處不同慢化劑厚度下能慢化劑層的C點中子能譜，列表如3.8.5cm10cm15cm20cm30cm40cm50cm5~50cm水層慢化劑，C10cm10cm5cm15cm20cm30cm40cm50cm5~50cmPE慢化劑層，C點出中子能譜對表三.104π5m5cm10cm15cm20cm30cm40cm50cm是：熱中子峰值處，5~50cm的慢化劑使中子相差在一個量級左右，慢化劑層厚的熱中子中子反而多；快中子峰值處，5~50cm的慢化劑使中子相差兩個量級左右；未加慢化劑的PE40cm的慢化劑模型，熱中子峰值數(shù)值最大。不同厚度石墨對比，50cm的慢化劑模型，熱中子峰值數(shù)值最大。中子模中子模型主要探討體離的距離，對中子探測的影響。層與中子靶的距離，對中子探測有影響。下面簡單對比層距中子靶中心0.2m、1m及4.5m這3模式以及無層時，探測管道內(nèi)5m處中子通量的區(qū)別圖三-23模型C層距中子靶中心1圖三-24模型D層距中子靶中心4.5無層情況下，其飛行管道內(nèi)5m處的中子通量為1.19614E-層距中子靶中心4.5米時，其飛行管道內(nèi)5m處的中子通量為1.21488E-10。BCD三組模型在5m處中子通量對比，結(jié)果顯示，體越接近飛行管道，越能防止散射的中子進入飛行管道，因而其5m處出口的通量相對越組模型所得數(shù)據(jù)均略不計。這樣的情況下，5米處探測點的通量，就決定于進入飛行管道的中子數(shù)。因為B飛入飛行管道口的概率小于C，又小于D，因此BCD三種模式下其5米處探測的中子能譜如圖3-25。由圖可見，層距離靶的遠近，對飛行管內(nèi)中子能譜沒有最大。把無通過靶體溢出到空氣的中子，看作經(jīng)過散射的情況，在5米處本身就有一個本底，比有時的本底肯定要大。這樣，5米處所探測的通量，應(yīng)該是通過散射本底加上通過中子管道直線飛行的中子通量。這就導(dǎo)致無情況距5米處的通量，比B情況下的大，卻比D情況下小。1E-1E-distributiondistribution1E-1E-1E-1E-81E-71E-61E-51E-41E- energy間里，電子束流脈沖頻率與寬度相關(guān)限制了可探測的中子能量上下限。此外，飛行外中子本底。計算模型總示意如圖3-23模型C。模型中電子的入射條件：30MeV電子垂直入射到直徑為6cm的圓柱鎢靶上；圖中在3段鉛和聚乙烯的情況。材料外徑：D18cm、28cm、48cm三種情況下，內(nèi)徑相同d=5cm；圖3-26中D為飛行管道直徑。Lp1＝Lp2＝Lp3=200cm，La1＝La2＝La3=50cm，s=30cm63.11。探測管內(nèi)（ABCDEF點（n/cm2/e）（n/cm2/emmmmmmmmmmmmA點------------B點------------```點單段管與分三段管的中子通量模擬數(shù)值相差不多。飛行管道內(nèi)的中子通量延飛行方徑5c、外28cm022/2/e探測管內(nèi)（ABCDEF點（p/cm2/e）（p/cm2/emmmmmmmmmmmmA點------------B點------------```點的中子準直管道內(nèi)徑縮小為1cm，外徑為28cm，計算結(jié)果如表3.15。AB點C/c`D/d`F/f`點中子通量（n/c3.16EFGHI五種模型模擬計算，分析在五米處探測管道內(nèi)所探測到的中子通量區(qū)別。EFGHI模型均是在上文中子靶模式一節(jié)中無體方案A的條件下，改變、填充材料空氣密度或去除飛行管道。五米處探測管道內(nèi)，中子通量探測數(shù)據(jù)如表3.16。加5mm的薄片鉛加0.5mm的薄片鉛加5mm的加重密度1000普通空氣的密度為：1.237千克每立方米，11.35克每立方厘米，密度相差不到一萬倍左右。這樣的話，5mm加重空氣薄片（1000倍于普通空氣0.5mm稍影響到探測點的中子純度，使通量增大。因此，E5米處的中子通量與有飛行管（包聚乙烯）的情況下模擬的，所以管道先是了大部分外側(cè)空氣中的本底。此外，飛行管道內(nèi)也有空氣，但是空氣密度降低了，飛行過損耗掉和散射碰壁吸收等幾平行于管道的飛行中子有吸收作用。中子在管內(nèi)飛行過，在管內(nèi)不同位置中子通量，其散射效果比較相近。此外，對比I和D可以看出，5mm薄的高密度空氣和5m的普通空5m稀空氣的模型下，長管道壁吸收中子造5m長空氣管道還要考慮散射后飛下面是關(guān)于中子管道有聚焦效應(yīng)的探討。15MeVW靶上，未加慢化、屏蔽和飛行管道的中子靶模型，所模擬計算的中子、gamma通量數(shù)據(jù)如表3.17。表三.17未加慢化劑、體及飛行管道模型模擬結(jié)表三.18AB點C點D點E點F/點有飛行管道下，探測位置超過3米以上，探測位置的中子通量與的距離超過二第四章實驗中子靶裝置熱工模擬及冷卻系統(tǒng)開。本章內(nèi)容主要包括介紹建模、模擬及數(shù)據(jù)接口程序、中子靶熱工分析、冷卻方案子靶散熱過程的模擬計算，利用有限元ANSYS-CFX[95]，對多組靶站模型分析對4.1介對于大部分工程設(shè)計，大都用電腦進行模擬計算。課題研究的電子打靶實驗的傳熱冷卻，就是通過CAD建模SolidEdge建模了，然后進行網(wǎng)格劃分，再將模型導(dǎo)入有限元ANSYS中的FLUENT和CFX模塊進行模擬。其中，由于CFX熱源輸入數(shù)據(jù)格式與MCNPX輸出的能量沉積數(shù)據(jù)格式并不一致，因此為方便設(shè)計過進行MCNPXCFX熱源功率密度數(shù)據(jù)導(dǎo)入，利用編寫了一個數(shù)據(jù)接口程序。這樣不僅能節(jié)省人工導(dǎo)入數(shù)據(jù)的工作時間，還能提高兩個數(shù)據(jù)銜接的準SolidEdge是P oftware公司旗下的三維CAD，采用PLMSoftware公司自己擁有專利的Parasolid作為，將普及型CAD系統(tǒng)與世界上最具是一種簡單易學(xué)且實用的三維CAD，使用非常廣泛[96]。設(shè)計研究過，因為這個在建模過比ANSYSWORKBENCH中自帶的建模要方便易操作，才選擇SolidEdge作為建模，設(shè)計中子靶的結(jié)構(gòu)模型，最后再導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH中的designmodeler模塊，進行修改填充模型實體。ANSYS木工程、輕工、汽車交通、工等一般工業(yè)設(shè)計及科學(xué)研究許多領(lǐng)域中。它由世界上最大的有限元公司之一的ANSYS公司開發(fā)，能與多數(shù)CAD接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。ANSYS程序的主要特點有：實現(xiàn)多場及多場耦合分析，實現(xiàn)模型分析前后處理，求解多場分析數(shù)據(jù)庫的；多種求解器分別適用于不同問題及不同硬ANSYSWORKBENCH結(jié)合了ANSYS產(chǎn)品求解器的功能，采用項目管理工具進行工序的界面獨立使用，且應(yīng)用數(shù)據(jù)與WORKBENCH數(shù)據(jù)可以相互關(guān)聯(lián)。ANSYSCFX加入全球最大的CAE仿真ANSYS中，更名為ANSYS-CFX。ANSYS-CFX可以耦合多場包括流體力學(xué)、固體力學(xué)、傳熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等，進行CAE數(shù)值模擬，其特的數(shù)值精確性；SST湍流模型加上自動壁面函數(shù)方程，使得隨網(wǎng)格的細化模擬更加精確；12個數(shù)量級；豐富的物理模型包括流體流動、傳熱、輻射、多相流、化學(xué)反應(yīng)及燃燒等問題的通用物理模型和氣蝕、凝固、沸騰、多孔介質(zhì)、相間傳質(zhì)、非流、動靜干是MathWork公司的商業(yè)數(shù)學(xué)。其名字由MATrix和算的高級計算語音和交互式環(huán)境。的基本數(shù)據(jù)是單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工常用形式十分相似，用來解算問題要比C、FORTRAN等語言完成相同的事情要簡捷的多[100]。課題中使用MCNPXCFXCFX定義域子靶是固體計算域，作為與冷卻水對流傳熱模型中的體熱源。中子MCNPX程序計算。MCNPX計算電子打靶能量沉積分布，需要在源輸入的過，要按照CFX定義熱源的數(shù)據(jù)格式輸入，但是MCNPX輸出的柵元能量為方便設(shè)計過進行MCNPX能量沉積輸出數(shù)據(jù)到CFX熱源功率密度數(shù)據(jù)導(dǎo)入，工作在靶體散熱分析研究的過，利用編寫了一個數(shù)據(jù)接口程序，同定義了MCNPX的柵元卡輸