精品文檔-下載后可編輯鈾黃餅的MCNP模擬探測《應(yīng)用科技雜志》2022年第一期

1裂變中子鈾黃餅探測原理

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，稱為瞬發(fā)中子；不到1%的裂變中子是在裂變發(fā)生一段時間后，由某些裂變碎片經(jīng)一系列的衰變過程放出的，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)此可用來實現(xiàn)對鈾黃餅的探測。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)射出來的瞬發(fā)中子通量密度與脈沖中子源的強度、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)射強度后，通過對裂變中子通量密度的測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計算模型[10]利用MCNP程序建立鈾黃餅的數(shù)值計算模型：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20cm。探測器直徑為5cm，長20cm，距離中子源30cm。采用柵元通量計數(shù)，根據(jù)能量分段計數(shù)超熱中子與熱中子。脈沖中子持續(xù)發(fā)射時間為10μs，周期為2ms，模擬中子源粒子數(shù)為4×108個。

2.2瞬發(fā)裂變中子鈾黃餅探測模擬瞬發(fā)裂變中子探測技術(shù)利用氦三探測器，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%，探測器分別記錄0～2000μs超熱中子和熱中子衰減時間譜。由圖2、3可以看出，鈾黃餅中的鈾含量對超熱中子的影響較大，當(dāng)不含鈾時，由源中子慢化產(chǎn)生的超熱中子在t100μs的時間內(nèi)完全消失；而當(dāng)鈾黃餅中含鈾時，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，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)束后一段時間內(nèi)的超熱中子通量計數(shù)，可以反映鈾黃餅中鈾的含量。而鈾黃餅中鈾含量對熱中子時間譜影響不大。

3計算結(jié)果分析

鈾含量的變化對熱中子時間衰減譜影響很小，但超熱中子計數(shù)隨著鈾含量的不同變化較大，因此對超熱中子時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)計漲落相對較大。因此將時間譜中120～600μs內(nèi)共計60道的超熱中子計數(shù)進行累加，得到如表格1所示這4種鈾含量下的超熱中子相對計數(shù)，圖4為鈾黃餅中超熱中子相對計數(shù)與鈾含量的關(guān)系。模擬時，中子源很穩(wěn)定，建立的模型都是在理想狀態(tài)下進行模擬的，而在實際測量過程中，中子源的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的影響，會降低鈾含量的準(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，可以利用超熱中子與熱中子的比值來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，裂變中子計數(shù)越多，黃餅鈾含量越大。2）在測量過程中，中子源的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的影響，會降低鈾含量的準(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，可以通過熱中子計數(shù)來校正黃餅中的鈾含量，即利用超熱中子與熱中子的比值來確定鈾