鈾黃餅的MCNP模擬探測范文

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《應用科技雜志》2015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截面，和快中子可以發生快裂變，和熱中子可以發生熱裂變，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，稱為瞬發中子；不到1%的裂變中子是在裂變發生一段時間后，由某些裂變碎片經一系列的衰變過程放出的，稱為緩發中子。熱中子和鈾235發生熱裂變產生的瞬發中子能量較高，平均能量為1.98MeV，因此中子源脈沖結束后，記錄的是超熱中子能量范圍的瞬發中子。因此，產生的超熱中子數目與鈾含量成一定比例，據此可用來實現對鈾黃餅的探測。鈾235與熱中子的反應截面很大，為-262518210m。脈沖中子源發射出中子，誘發鈾235發生裂變，產生2~3個瞬發裂變中子，其裂變的一般反應式如式（1）所示，式中X、Y為裂變碎片。此反應中，裂變發射出來的瞬發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的，當設置好脈沖中子源的發射強度后，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鈾黃餅模型及模擬方法

2.1計算模型[10]利用mcnp程序建立鈾黃餅的數值計算模型：外殼內外徑分別為50和55cm，由內向外，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，根據能量分段計數超熱中子與熱中子。脈沖中子持續發射時間為10μs，周期為2ms，模擬中子源粒子數為4×108個。

2.2瞬發裂變中子鈾黃餅探測模擬瞬發裂變中子探測技術利用氦三探測器，記錄鈾黃餅中由于發生瞬發裂變而增加的超熱中子計數。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，當不含鈾時，由源中子慢化產生的超熱中子在t<100μs的時間內完全消失；而當鈾黃餅中含鈾時，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發生裂變反應，產生的瞬發裂變中子增加了超熱中子的通量。記錄脈沖結束后一段時間內的超熱中子通量計數，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，這之后產生的超熱中子基本上全是熱中子與鈾235發生熱裂變產生的裂變中子；而600μs后，統計漲落相對較大。因此將時間譜中120～600μs內共計60道的超熱中子計數進行累加，得到如表格1所示這4種鈾含量下的超熱中子相對計數，圖4為鈾黃餅中超熱中子相對計數與鈾含量的關系。模擬時，中子源很穩定，建立的模型都是在理想狀態下進行模擬的，而在實際測量過程中，中子源的不穩定性和結構的影響，會降低鈾含量的準確度。而超熱中子的增加是由于鈾黃餅中的鈾235發生熱裂變產生的，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結論

1）脈沖中子源脈沖結束后產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系，裂變中子計數越多，黃餅鈾含量越大。2）在測量過程中，中子源的不穩定性和結構的影響，會降低鈾含量的準確度。超熱中子的增加是由于鈾黃餅中的鈾235發生熱裂變產生的，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黃餅的鈾含量。3）基于本文的理論運用于實際，還需考慮極限探測距離與不均勻、不規則的探測對象。

作者：張坤明張雄杰瞿金輝湯彬單位：東華理工大學教育部核技術應用工程研究中心