反应堆堆芯中子能谱在线测量方法研究

发布时间：2020-09-18 14:15

　　先进核能系统研究的快速发展对核安全提出了更高的要求,同时堆内核测量技术面临更大的挑战。中子能谱是反应堆研究的核心参数之一,发展堆芯中子能谱的在线测量技术对提高核能系统安全有着重要意义。现有反应堆堆芯的中子能谱主要采用离线活化法测量。在线能谱测量技术尚不完善,如3He、6Li夹心谱仪等测量技术存在抗辐照能力差,探测能量范围有限或精度不满足要求等缺点。发展高精度、宽量程的堆芯中子能谱在线测量技术已成为先进核能系统测控研究的重要发展方向。本论文通过借鉴多球谱仪的中子能谱测量原理,结合能够在堆芯内长期使用的电离室探测器,提出了一种新的堆芯中子能谱测量方法,即多阈值电离室的中子能谱在线测量方法。主要研究内容及创新点包括:(1)多阈值电离室能谱测量方法的蒙卡模拟研究。研究选用堆内使用成熟的具有不同阈值的电离室探测器(235U裂变电离室、238U裂变电离室、包镉NatB电离室),结合“少道解谱”原理,利用解谱软件对中子计数率信息进行反演得到待测中子能谱。并分别利用参考中子能谱(IAEA318号报告中的纯裂变谱和铅冷快堆谱)和中国铅冷快堆(CLEAR)能谱对所提出方法进行了可行性验证。验证时,首先利用蒙卡软件SuperMC进行建模并计算,获得了探测器的响应函数;并利用SuperMC计算探测器在参考谱中子场中的计数率,通过解谱软件,结合探测器计数率和响应函数信息反演中子能谱,反演谱和参考谱在大多数能区吻合;再通过SuperMC模拟探测器在CLEAR堆运行情况下的探测器计数率,且研究了3个不同位置的中子能谱情况,计算结果表明,反演谱和初始谱在大多数能区内吻合。参考谱和参考堆的模拟验证计算结果表明,提出的中子能谱在线测量方法具备理论上的可行性。(2)双功能锂铅氚增殖包层(DFLL-TBM)模型中子学实验数据分析。DFLL-TBM中子学实验是中国科学院核能安全技术研究所为验证DFLL-TBM模块中子学性能开展的实验。本研究完成了该实验活化片反应率的数据分析工作。同时,利用该实验数据,研究实验中3个不同位置布置的3组活化片计数率,采用本研究开发的中子能谱在线测量方法对活化片的计数率信息进行中子能谱解谱分析并与蒙卡计算软件SuperMC的模拟计算结果进行比对。结果表明,通过活化片计数率信息解出的中子能谱与计算谱吻合度优于现有成熟解谱软件的反演结果。最后,对该方法的敏感性、不确定度进行了分析。综上所述,本论文发展了一种多阈值电离室的中子能谱在线测量方法,该方法具备反应堆堆芯中子能谱在线测量的应用潜力。研究通过数值计算和实验数据分析相互验证了该中子能谱测量方法的可行性与准确性,具备进一步应用开发的潜力。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL351.1
【部分图文】：

堆内,裂变谱,散裂中子,聚变中子

中子能谱是单位能量间隔的中子数目（或中子通量密度）随中子能布。反应堆内发生的各种核过程，如堆内材料对中子的吸收、裂变中子的泄漏均与中子能谱有关，堆内增殖率、嬗变率、反应性等与切相关。准确测量堆内中子能谱对研究中子屏蔽，材料抗辐照性能；能系统的安全控制具有重要的意义。然而，由于反应堆内中子能谱其测量环境的恶劣性［２＇精确地测量堆芯中子能谱一直是难以解而中子能谱在线测量更是难以实现ｔ２８ｎ２９］。堆内能谱特征和测量环境：逡逑１）堆芯中能谱特征逡逑不同反应堆采用的冷却方式、结构形式、核燃料和结构材料差异很内的中子能谱差异也很大ｆｗ。例如，裂变反应堆中的中子能量覆盖从几电子伏特到几兆电子伏特；而氘氚聚变反应装置的中子能量主ＭｅＶ［３＿２］；用于次临界驱动的散裂中子源能量更是可高达几百ＭｅＶ［种情况的典型中子能谱如图１－１所示。逡逑

示意图,实验快堆,中子能谱,示意图

国内外对堆内中子能谱测量开展了很多工作，主要利用活化片和３Ｈｅ逡逑谱仪进行堆内能谱测量。例如，２０１３年，中国原子能科学研宄院利用活化片法逡逑在中国实验快堆上开展了中子能谱测量实验［４°］邋［５９］，活化片布置如图１－２所示，逡逑但该方法需要较长测量时间且不能实现在线测量。２０１４年，中国工程物理研宄逡逑院分别利用加镉套、加硼套和裸的２３９Ｐｕ裂变室分段测量快中子临界装置的中子逡逑能谱，并利用活化法测量堆芯中子能谱［６0］，但该方法只能测３个能区的相对中逡逑子份额，无法实现全能区能谱测量。逡逑？：：ｗ邋ｈ逡逑＼Ｖ－逡逑－ｌ—逡逑图１－２活化片法测量中国实验快堆中子能谱示意图逡逑２００２年，法国原子能科学研宄院尝试利用３Ｈｅ正比计数管对ＭＡＳＵＲＣＡ逡逑反应堆的中子能谱进行实施测量，但部分能量区段符合的不好，如图１－３所示，逡逑且该测量方法容易受到Ｙ射线的干扰，测量系统比较复杂［６１］。２００９年，俄罗斯逡逑Ｋｕｒｃｈａｔｏｖ研宄院在ＷＥＲ堆型的零功率研宄堆ＬＲ－０上采用液闪来测量了堆芯逡逑几个典型位置０．５ＭｅＶ以上的快中子能谱，并利用３Ｈｅ邋（ｎ，ｐ）实时测量了堆逡逑内中子能谱

中子能谱,正比计数管,反冲质子,反应堆

得益于微型电离室技术【６７］的发展，堆内中子通量密度在线测量技术逡逑取得了较好发展。如，２００６年，ＳａｍｕｅｌＡｎｄｒｉａｍｏｎｊｅ等利用一种基于微型气体逡逑电离室的多阈值探测器测量了邋ＡＤＳ的中子［６８】，如图１－４所示，该探测器的腔体逡逑为不锈钢圆柱体，外径为３５毫米，内径为３０毫米，高度为３５毫米，底部封闭。逡逑探测器盖子由不锈钢制成并带有六个连接器。探测内由２３５Ｕ、１ＱＢ和２３２Ｔｈ等３逡逑个微型气体（气体由９８％的Ａｒ和２％的Ｃ４Ｈｉｃ组成）电离室组成。该探测器适逡逑用于测量能量范围宽的中子通量密度。Ｊ．邋Ｐａｎｃｉｎ等于２００８年在研究堆逡逑（ＴＲＩＧＡ）中对该类探测器的性能开展了进一步实验测试［６９］，结果表明该探测逡逑器具有较好的辐照性能、抗高温能力和Ｙ甄别能力，特别适合于ＡＤＳ的中子测逡逑量。逡逑５逡逑

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