楊銅鎖,朱慶福,史永謙,辛督強,喬 碩,王 璠,魯 謹,彭 旦,張建祥,*

(1.西京學院 陜西省可控中子源工程技術研究中心,陜西 西安 710123;2.中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究所,北京 102413)

目前,直接測量高中子注量率一直難于實現(xiàn)。國內外測量中子注量率絕對值的基本方法是核裂變徑跡法和核激活法中的4πβ-γ符合方法。這兩種方法測量中子注量率的范圍不同,但均不能測量太高的中子注量率絕對值[1-2]。中子活化方法主要是受被活化材料半衰期的限制:半衰期短的活化材料在高中子注量率輻照下很快達到飽和活性,得不到計數(shù)的統(tǒng)計要求;半衰期長的活化材料在高中子注量率輻照下,雖不會達到飽和活性,但計數(shù)太強,很難修正。因此在測量高中子注量率時,通常采用的方法是在反應堆低功率下用中子活化方法測出中子注量率的絕對值,然后利用功率與中子注量率呈正比的關系,外推到高功率情況下的高中子注量率。微型中子源反應堆用低功率下測量出的中子注量率求出單位功率的平均中子注量率,然后給出高功率時對應的中子注量率[2]。在核電站中,用于監(jiān)督功率量程的電離室是通過過渡方法間接給出電流與功率的關系。到目前為止,還沒有一種方法能夠直接測量高中子注量率的絕對值。

微熱分析儀器可以測量由于某些原因而導致的物質材料熱性質的微小變化,通過測量這些微小變化可追溯其變化的原因,進而可測量中子注量率[3-4]。隨著微熱分析儀器和測量技術的發(fā)展,微熱測量技術測量中子注量率成為可能。楊銅鎖等[5]利用調制差示掃描量熱(MDSC)法測量了受中子輻照過的含硼樣品可逆比熱容變化量,進而得到中子注量率,證明了用這種方法測量高中子注量率的可行性,并指出其應用前景。

熱中子輻照含硼樣品材料,樣品中的硼元素與熱中子發(fā)生核反應,即1個中子與硼核發(fā)生10B(n,α)7Li反應,其反應過程為n+10B→11B→4He+7Li+γ(0.478 MeV),該反應Q值為2.79 MeV。反應截面在熱能處為3.84×10-21cm2,熱能以上至1 keV按1/v(v為速度)規(guī)律變化。這些具有動能的反應產物4He、7Li、γ在含硼介質中運動,將能量傳遞給介質分子形成徑跡。這些徑跡破壞了物質的原有結構,引起其熱學量的變化。中子注量越多,形成徑跡越多,熱學量改變越顯著。

本文研究直接測量可逆比熱容變化量得到高中子注量率的方法,并對中國先進研究堆(CARR)的高中子注量率進行測量。

1 兩種微熱測量技術的比較

微熱測量技術分為差示掃描量熱(DSC)法和MDSC法兩種。DSC法是測量試樣的熱流量和參比物的熱流量之差或功率之差與溫度或時間之間關系的一種測量技術[3-4],MDSC法是在DSC法基礎上疊加了1個正弦振蕩溫度程序,將總熱流量分解為可逆熱流成分和不可逆熱流成分(動力學成分),與其相對應的比熱容也分解為可逆比熱容和不可逆比熱容成分,同時具有較高的靈敏度和分辨率[5-11]。

由于所測量的試樣,在人為干涉之前可能自然界某種原因使其熱學量發(fā)生了變化,形成了固有的熱歷史,因此在分析人為干涉后的試樣時,必須消除固有的熱歷史成分才能得到正確的人為干涉的定量熱學量變化。傳統(tǒng)方法是通過硼晶體材料受中子輻照后,測量熱性質的變化來得到輻照時的中子注量率,一般采用的是DSC法,這種方法需要某些轉換計算消除熱歷史的本底,消除熱歷史本底時會帶來測量誤差。MDSC法不用消除熱歷史而直接測量可逆比熱容等熱學量,防止了由于消除熱歷史本底的方法不恰當而引起的實驗誤差,且實驗數(shù)據(jù)直接由測量給出,不需要轉換計算[6,11]。更為重要的是MDSC法是將DSC法的1條曲線分解為兩條曲線對實驗結果進行分析研究,顯然就一般熱學量測量法而言MDSC法測量效果要明顯優(yōu)于DSC法[5,11]。因此本文對MDSC法測量高中子注量率的方法進行研究。

2 可逆比熱容法測量中子注量率原理與方法

2.1 原理

當中子輻照硼晶體時,生成具有動能的7Li與α離子,其在硼晶體中移動過程中將能量傳遞給周圍的硼原子并停止于硼晶體中,這個核反應與輻照的中子注量率有關,當將輻照后的硼晶體退火時,消失的能量就以熱的形式釋放出來,用微熱測量技術測量可逆比熱容熱參數(shù)就可得到輻照時的中子注量率。

2.2 方法

測量方法分為兩步:1) 對硼晶體樣品在已知的中子場中進行輻照,用MDSC法測量輻照后硼晶體的可逆比熱容變化量,從而得到可逆比熱容變化量與中子注量率的定量依賴關系,即用已知的中子場對含硼晶體樣品(中子探測器)進行可逆比熱容刻度;2) 利用與刻度時相同的含硼晶體(或稱為高中子注量率探測器)對高中子注量率場進行測量,即對未輻照的硼晶體樣品在高中子注量率場中進行輻照,用MDSC法測量其可逆比熱容變化量,然后由可逆比熱容變化量與中子注量率的定量刻度關系,求得高中子注量率。

硼晶體樣品刻度是在中國原子能科學研究院微型中子源核反應堆(簡稱微堆)上進行的,微堆的中子注量率標定是由國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站給出。

中子輻照硼晶體時,微堆的中子注量率為5×1011cm-2·s-1。樣品為硼晶體顆粒,粒度主要為10～20 μm,純度為99.9%。中子輻照時間分別為0、32、48、64、80和96 h,這樣輻照后的樣品受到中子輻照注量分別為0、5.76×1016、8.64×1016、11.52×1016、14.40×1016和17.28×1016cm-2,這些樣品編號依次為1、2、3、4、5、6。中子輻照后樣品退火時用美國TA公司制造的Q2000差示掃描量熱儀測量其可逆比熱容變化量。

為了降低退火時取樣質量、樣品在儀器中樣品支持器上的位置差異、坩堝質量差異、樣品均勻性等隨機因素對測量結果的影響,每個編號的硼晶體分4個以上5 mg左右樣品為1組進行測量,每個樣品退火時掃描得到可逆比熱容曲線,對曲線積分得到可逆比熱容變化量。測量過程中積分溫度的上、下限為42 ℃和125 ℃,為降低積分限取值不準確的誤差,進行多次積分取平均值。這樣每個編號的輻照后樣品就有4個以上測量數(shù)據(jù)。退火測量時選用的坩堝質量均在5 mg左右,樣品質量在5 mg左右,保護氣體為氮氣,以樣品4為例,測量得到的可逆比熱容變化量列于表1(全文中保留5位有效數(shù)字)。在數(shù)據(jù)處理時,設負值為吸熱,正值為放熱。1個樣品僅掃描1次,圖1給出樣品4的掃描曲線(溫度范圍為35～135 ℃)。

表1 樣品4的可逆比熱容變化量測量結果Table 1 Measurement result of reversible specific heat capacity change of sample 4

圖1 樣品4的掃描曲線Fig.1 Scanning curve of sample 4

對其余樣品均按照樣品4測量方法進行測量,結果列于表2。對表2中的中子輻照注量和可逆比熱容變化量的關系進行線性擬合,所得擬合曲線如圖2所示。

由圖2得到擬合方程為:

y=0.075 7x+3.474 9R2=0.997 1

(1)

此方程即為在已知中子場對中子注量探測器(硼晶體)刻度的方程。

2.3 中子場注量率測量方法討論

本文得到中子注量探測器的刻度方程,原則上就可用未輻照硼晶體樣品作為中子探測器對待測中子輻照場的注量進行實驗測量,但需要注意以下問題。

1) 實驗基礎

通過大量實驗曲線和數(shù)據(jù)證明本文研究所選用的樣品在同一實驗條件下、對同一試樣進行多次測量重復性很好,這是選用該樣品利用熱分析法測量反應堆高中子注量率的基礎。

表2 6個樣品的可逆比熱容變化量測量結果Table 2 Measurement result of reversible specific heat capacity change of 6 different samples

圖2 中子輻照注量與可逆比熱容變化量關系擬合曲線Fig.2 Fitting curve of neutron fluence and reversible specific heat capacity change

從測量原理而言,刻度中子場(微堆)和被測量中子場的中子能譜、輻照環(huán)境等條件要接近一致。本文選擇測量CARR熱柱的中子注量率作為測量對象,就是因為它的中子能譜和輻照環(huán)境等與微堆基本相近,因此可用刻度過的硼晶體樣品來測量CARR熱柱的中子注量率。如果所測注量率的中子場與微堆能譜不同,需對能譜進行修正。

2) 刻度方程

編號為1、2、3、4、5、6的樣品在微堆的中子輻照時間依次為0、32、48、64、80和96 h,用微熱測量技術測得可逆比熱容變化量依次為3.444 0、3.935 1、4.150 1、4.355 2、4.577 0和4.750 1 J/g,在此范圍內得到中子注量與比熱容變化量有良好的線性關系。

3) 待測中子場的測量范圍

由擬合過程可知,中子注量在5.76×1016～1.44×1017cm-2范圍內式(1)測量結果是可靠的。若將輻照時間控制為3 600 s,則待測中子場中子注量率在1.6×1013～4×1013cm-2·s-1范圍內測量結果是可靠的,基本可滿足CARR中子注量率測量的要求。若將式(1)的擬合曲線向兩端延伸可測量更大范圍的中子注量率。利用Q2000差示掃描量熱儀測量熱學量時只注重取4位有效數(shù)字,其數(shù)量級可根據(jù)測量需求自動增加,該儀器常用來測量炸藥和火箭燃料燃燒值。根據(jù)式(1)熱學量對應的中子注量率遠超過目前已知中子場的中子注量率,表明本文研究方法可直接測量高中子注量率。

3 CARR中子注量率測量

精確測量高中子注量率一直是反應堆物理界面臨的難題。本文提出的測量高中子注量率方法不存在超出測量儀器量程問題,樣品受中子輻照注量越多可逆比熱容變化量越大,測量中子高注量率的相對誤差越小。

中國原子能科學研究院的CARR是一座高性能、多用途、安全可靠的核反應堆裝置,其中子注量率高,無法直接測量。目前,CARR的高中子注量率測量方法是在反應堆低功率時測量相應的中子注量率,根據(jù)反應堆功率與中子注量率線性關系外推,得到反應堆額定功率時的高中子注量率。本文利用可逆比熱容法對其在額定功率下對中子注量率進行直接測量,具體方法如下。

將與在微堆中刻度相同的未輻照硼晶體樣品放入CARR的12#垂直孔道4個不同標高位置進行中子輻照,12#垂直孔道的相關測量參數(shù)列于表3。表3中的中子注量率為參考值,是由反應堆低功率時所測的中子注量率外推得到。

表3 12#垂直孔道的相關測量參數(shù)Table 3 Relevant measurement parameter of 12# vertical channel

將樣品輻照10 833 s后從12#垂直孔道取出,對輻照樣品進行退火,用MDSC法測量其可逆比熱容變化量,然后計算出中子注量率,具體過程如下:1) 同一編號樣品分為幾個不同質量的試樣,分別掃描測量它們的可逆比熱容變化量,然后對其求平均值,即式(1)中的y;2) 將所測可逆比熱容變化量代入式(1)求出中子注量;3) 由中子輻照時間計算出CARR輻照樣品時的中子注量率;4) 將計算出的中子注量率與表3中所列參考值進行對比,給出與參考值的相對偏差。表4列出CARR輻照樣品的測量結果。

表4 CARR輻照樣品的測量結果Table 4 Measurement result of irradiated sample by CARR

從表4可見,所測量的中子注量率與參考值均在3%左右符合,證明可逆比熱容法可直接測量高中子注量率。

4 機理探討

由于中子與硼原子核發(fā)生核反應,反應產物7Li與α離子在硼晶體材料中移動,將能量傳遞給周圍的硼原子后自身停止于硼晶體中,會對晶體晶格結構產生影響。用X衍射測量硼晶體在中子輻照前后的晶格結構,如圖3所示。由圖3可見,樣品受輻照前后X射線衍射角和強度發(fā)生了明顯變化,表明晶體結構發(fā)生了變化,因此大注量中子輻照能夠改變硼晶體的晶格結構。硼晶體的晶格結構變化引起了可逆比熱容變化,因此測量硼晶體在中子輻照后的可逆比熱容變化量就可計算得到中子注量率。

圖3 中子輻照前后的X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction pattern before and after neutron irradiation

5 討論

用可逆比熱容法測量高中子注量率不是測量中子與核發(fā)生反應后的次級帶電粒子,而是測量熱學量變化,因此具有以下優(yōu)點。

1) 本文方法屬于積分測量法,不受半衰期的限制,因此能直接測量反應堆堆芯內部的中子注量率。

2) 受輻照樣品體積小、質量輕、適用面寬。

3) 本文方法操作簡便,直接測量中子與靶樣品作用后的可逆比熱容變化量,與徑跡探測器測量中子注量率比較,不需要化學蝕刻和計數(shù)徑跡數(shù)目,測量速度快。

4) 本文方法可在強γ場和β射線存在的環(huán)境下測量中子。

本文方法可開展核電站與壓力殼鋼的中子輻照性能研究[12],將受輻照樣品制作成任意形狀,粘貼在壓力殼鋼上進行長期中子輻照,可對反應堆孔道、堆芯部件等高注量、強輻照、空間狹小部位的中子注量率直接測量,提高了測量精度,簡化了實驗步驟。本文方法可用于大型反應堆結構部件的積分注量監(jiān)測,對于大型反應堆結構材料中子輻照損傷、構件的老化管理、研究堆輻照生產、功率刻度等諸多方面研究均有重要意義。