郭翔博，鐘 軍，楊毓樞，任 敏，程 瑛，漆明森

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610005）

0 引言

反應(yīng)堆核測(cè)儀表用中子探測(cè)器是反應(yīng)堆核測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在反應(yīng)堆安全運(yùn)行中起至關(guān)重要的作用。目前，對(duì)于此類探測(cè)器沒(méi)有相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范和校準(zhǔn)設(shè)備，無(wú)法進(jìn)行量值傳遞，只能通過(guò)數(shù)值計(jì)算及相應(yīng)的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行刻度，其測(cè)量值的準(zhǔn)確性沒(méi)有保障。為了解決這一問(wèn)題，希望建立一套能用于核測(cè)儀表中子探測(cè)器校驗(yàn)及校準(zhǔn)的裝置，解決核測(cè)儀表中子探測(cè)器的量值溯源問(wèn)題。

1 裝置組成原理

1.1 裝置設(shè)計(jì)原理

堆用核測(cè)系統(tǒng)所采用的中子探測(cè)器分為BF3正比計(jì)數(shù)器、補(bǔ)償電離及裂變電離室3 類[1]。這3 類中子探測(cè)器所采用的靈敏物質(zhì)10B 及235U 與中子的作用截面隨中子能量增加而迅速減小。為了增加探測(cè)器的響應(yīng)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)，盡量提高低能中子注量率。

從安全角度出發(fā)，本次采用不動(dòng)源型的裝置方案。不動(dòng)源型裝置指中子源位置不動(dòng)，通過(guò)改變屏蔽層、快門(mén)等方式，改變裝置工作狀態(tài)。采用在慢化體內(nèi)制作校驗(yàn)孔道的方式，縮短探測(cè)器與中子源之間的距離，提高在所需校驗(yàn)中子探測(cè)器靈敏體積范圍內(nèi)的平均中子注量率。通過(guò)準(zhǔn)直孔和慢化孔的方式，引出外部中子輻射場(chǎng)，可用來(lái)對(duì)防護(hù)用中子儀器進(jìn)行校驗(yàn)。圖1 為裝置示意圖，裝置由中子源、慢化屏蔽體、快門(mén)、支架及相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。裝置通過(guò)快門(mén)方式引出中子束，快門(mén)移動(dòng)，可增加引出口位置的慢化體厚度，從而改變引出口的中子注量率及能譜分布。其中，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)為中子引出孔的直徑及慢化體厚度。

1.2 中子源及慢化體材料選擇

核素中子源種類很多，選擇核素中子源的主要依據(jù)是中子源的中子發(fā)射率、中子能譜、半衰期、放射源的價(jià)格，伴隨光子劑量及其對(duì)裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜性的影響等。從中子產(chǎn)額來(lái)說(shuō)，選擇252Cf 源是最合適的，但從建造校驗(yàn)裝置的角度，252Cf 衰變太快，裝置維護(hù)困難。經(jīng)過(guò)比較，結(jié)合裝置實(shí)際使用維護(hù)情況，決定選用241Am-Be 中子源來(lái)產(chǎn)生中子。241Am-Be 中子源的中子發(fā)射率及產(chǎn)生單位中子價(jià)格都比較適中，產(chǎn)生的γ 照射量率很低（在107s-1中子發(fā)射率情況下），可大大降低設(shè)計(jì)裝置的復(fù)雜程度。

對(duì)于241Am-Be 中子源來(lái)說(shuō)，其平均能量為4.4MeV，能量大于6MeV 的中子份額約為16%。采用鉛作為增強(qiáng)材料與高密度聚乙烯分層組合進(jìn)行慢化，得到的峰熱中子注量率的增強(qiáng)因子在1 ～1.5 之間[2]，這對(duì)于探測(cè)器的校驗(yàn)來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有明顯的幫助。而采用這種組合慢化后，裝置的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，裝置重量顯著增加。因此，綜合考慮，決定采用純聚乙烯材料對(duì)中子進(jìn)行慢化。

2 裝置具體參數(shù)確定

校驗(yàn)裝置中慢化體厚度、引出孔道孔徑等因素對(duì)得到輻射場(chǎng)的中子注量率及其能譜存在很大影響。為確定裝置各部分的參數(shù)，需要進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容包括引出孔道孔徑大小對(duì)引出輻射場(chǎng)的影響；校驗(yàn)慢中子引出孔道慢化體厚度與平均中子注量率的關(guān)系等。

2.1 計(jì)算模型建立

為了確定上述參數(shù)，本文采用MCNP4C 程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型如圖1 所示。中子源近似為直徑30mm、高60mm的圓柱體，源包殼為316 號(hào)不銹鋼。假設(shè)源中子在活性區(qū)內(nèi)均勻發(fā)射，出射方向?yàn)楦飨蛲缘?，初始能量依?jù)文獻(xiàn)[2]表A.4 進(jìn)行抽樣。聚乙烯(C2H4)n 的密度為0.94g/cm3，碳?xì)浔葹?:2。校驗(yàn)裝置孔道、中子引出孔道填充物質(zhì)為干燥空氣，密度0.001205g/cm3，主要元素所占質(zhì)量比為：C 0.01%，N 75.53%，O 23.18%，Ar 1.28%。計(jì)算過(guò)程中，忽略了快門(mén)支架和殼體等材料的影響。

2.2 中子引出孔道孔徑確定

當(dāng)快中子引出孔道正對(duì)中子源時(shí)，在裝置外部得到經(jīng)準(zhǔn)直的快中子輻射。改變引出孔道的孔徑，引出快中子場(chǎng)的中子注量率及其能譜也會(huì)發(fā)生變化。計(jì)算得到快中子引出場(chǎng)的中子注量率變化與引出孔道孔徑關(guān)系如圖2 所示。

從圖2 中可以看到，當(dāng)孔道半徑小于5cm 時(shí)，引出中子注量率隨孔道半徑增大而增大；當(dāng)孔道半徑大于5cm 時(shí)，引出中子注量率隨孔道半徑增大而急劇減小。因此，快中子引出孔道半徑選擇為5cm，此時(shí)中子注量率最大。

圖1 校驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Calibration device

圖2 快中子注量率隨引出孔道孔徑的變化曲線Fig.2 Fast neutron fluence as a function of the diameter of lead-out aperture

在引出孔道半徑為5cm 情況下，快中子引出孔道軸線上各處中子注量率分布及其能譜變化如圖3、圖4 所示。由圖可知，在快中子引出軸線上，中子注量率隨著距離增加而減??；其中，中能中子（10keV ～100keV）注量率變化不大，高能中子注量率降低明顯。原因在于，距離增加使得中子注量率降低的同時(shí)，高能中子經(jīng)孔道壁及空氣散射，能量降低，從而使中能中子注量率保持平衡。

2.3 慢中子引出孔道慢化體厚度確定

圖3 快中子注量率隨距離變化曲線Fig.3 Fast neutron fluence as a function of the distance

圖4 快中子能譜隨距離變化關(guān)系Fig.4 Fast neutron spectrum as a function of the distance

當(dāng)慢化孔道正對(duì)中子源時(shí)，中子源發(fā)射中子先經(jīng)慢化孔道內(nèi)的慢化體慢化，然后通過(guò)孔道準(zhǔn)直后引出，形成外部中子輻射場(chǎng)。改變慢化體厚度，可以改變引出中子場(chǎng)的注量率及能譜分布。圖5 為引出中子場(chǎng)隨慢化體厚度變化規(guī)律。

由圖5、圖6 可知，引出熱中子場(chǎng)的中子注量率隨慢化體厚度增加而減小。在慢化體厚度小于5cm 時(shí)，熱中子所占份額隨慢化體厚度增加而增加；當(dāng)慢化體厚度大于7cm 時(shí)，熱中子所占份額隨慢化體厚度增加而減小。在慢化體厚度為5cm ～7cm 時(shí)，熱中子所占份額最大。因此，綜合考慮選擇慢化體厚度為5cm。此時(shí)，慢化孔道軸線上各點(diǎn)中子注量率能譜分布如圖7 所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，非工作狀態(tài)下距裝置5cm 位置最大劑量率為21.1μSv/h，符合GB18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》要求。

圖6 鎘下中子所占份額隨慢化體厚度變化曲線Fig.6 The proportions of Cd-coverded neutron fluence as a function of the moderator thickness

圖7 慢中子能譜隨距離變化關(guān)系Fig.7 Slow neutron spectrum as a function of the distance

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算，確定堆用中子探測(cè)器校驗(yàn)裝置中子引出孔道的孔徑為5cm，慢化體厚度為5cm。對(duì)裝置屏蔽性能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，距裝置表面5cm 處最大劑量率為21.1μSv/h，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。