用于核素在线瞬发伽马数据测量的热中子源设计(2)
图3 热柱孔道方腔前表面处不同半径区域内中子正向流密度的能谱分布Fig.3 Spectrum distribution of forward neutron current density at different rings at the front plane of thermal column square cavity
图4 热柱孔道方腔前表面处不同半径区域单位立体角内中子正向流密度的角分布Fig.4 Angular distribution of forward neutron current density per solid angle at different rings at the front plane of thermal column square cavity
2.2 平面源验证及修正
利用图1b中热柱孔道出口处(束孔直径3 cm,距堆芯372 cm)的热中子注量率实验测量值对2.1节制作的热柱方腔前表面处中子平面源进行验证。实验测量值为利用热中子注量率测量标准装置给出的数据[10],采用两种标准测量方法的平均值:235U裂变电离室法以及金箔活化+4πβ-γ符合法。理论计算值为利用热柱方腔前表面处中子平面源计算热柱束流孔道出口处产生的中子参数及中子诱发伽马参数,同时采用热柱方腔前表面处伽马平面源计算束流孔道出口处直接贡献的伽马参数。
图5 热柱孔道方腔前表面处伽马正向流密度和源强的空间分布Fig.5 Space distribution of forward gamma current density and source strength at the front plane of thermal column square cavity
热柱孔道出口处的热中子通量密度理论计算值与实验测量值分别为2.20×105、(1.)×105cm-2·s-1,相差约86%,该偏差主要是热柱孔道的实际几何结构、材料密度和杂质成分与理论计算采用的参数不完全一致以及平面源制作采用的近似处理方法造成的。因此,在后续热中子源升级改造设计时需修正中子和伽马参数,其修正系数k为1.18×105/2.20×105≈0.54。
表1列出了热柱孔道束流出口处中心束孔和束孔外侧的中子、伽马参数的理论计算值。由表1可知,伽马平面源在孔道出口处产生的直接伽马剂量率为8.99×10-1mSv·h-1,大于中子平面源在孔道出口处的诱发伽马剂量率1.20×10-1mSv·h-1,即伽马平面源对出口处伽马剂量率的贡献是中子平面源贡献的7倍以上,且孔道出口处的中子伽马通量密度比值为3.05,不满足大于10的要求,故需在准直器前端增加伽马过滤器,增强对来自堆芯的高能伽马射线的屏蔽。在热中子通量密度为1.18×105cm-2·s-1时,束孔外侧的中子、伽马总剂量率约为1.30×10-2mSv·h-1,在进一步提升中心束孔热中子通量密度时,采用图1b准直滤束装置势必造成中子、伽马本底剂量率的抬升,因此,为降低束孔外侧的中子、伽马本底剂量率,需采用新型屏蔽材料和屏蔽结构对图1b中的中子、伽马准直滤束装置进行优化设计。
图6 热柱孔道方腔前表面处不同半径区域内伽马正向流密度的能谱分布Fig.6 Spectrum distribution of forward gamma current density at different rings at the front plane of thermal column square cavity
图7 热柱孔道方腔前表面处不同半径区域单位立体角内伽马正向流密度的角分布Fig.7 Angular distribution of forward gamma current density per solid angle at different rings at the front plane of thermal column square cavity
表1 热柱孔道束流出口处中心束孔和束孔外侧的中子、伽马参数Table 1 Neutron and gamma parameters of centre beam and outside beam at exit of thermal column计算区域中子剂量率/(mSv·h-1)诱发伽马剂量率/(mSv·h-1)直接伽马剂量率/(mSv·h-1)总伽马剂量率/(mSv·h-1)总剂量率/(mSv·h-1)中子伽马通量密度比值中心束孔4.391.20×10-18.99×束孔外侧2.17×10-36.20×10-34.60×10-31.08×10-21.30×10-2
3 热中子准直器的优化设计
为进一步提高热柱孔道出口处的热中子通量密度、中子伽马比,本文根据表1模拟结果,并参考国外研究堆瞬发伽马分析用中子源的设计方案[11-12],增大图1b准直器中心束孔的直径,并在准直器前段设置屏蔽伽马射线的3 cm铋过滤器,在中段和后段设置了由新型硼铝复合材料、含硼聚乙烯、镉、铅、铋等组成的准直屏蔽热中子、伽马射线的复合结构,优化结构示于图8,其中,准直器方案1、4、5后段采用直径4 cm的小准直器对中心束孔的束流进行准直限束并抑制束孔外侧的中子、伽马本底剂量率。
图9示出了采用5种准直器方案时,热柱孔道出口处所在平面的中子通量密度和中子、伽马总剂量率的空间分布。由图9可知,采用准直器方案5时,孔道出口处中心束孔的中子通量密度最大,且束孔外侧的中子、伽马本底剂量率较小,即该方案为热柱屏蔽门中心准直器的优选方案。
表2列出了采用图8准直器方案5时热柱孔道束流出口处中心束孔和束孔外侧的中子、伽马参数的蒙特卡罗计算结果。由表2可知,热柱孔道出口处中心束孔的热中子通量密度为4.11×105cm-2·s-1,中子伽马通量密度比值为12.56,满足核素核参数在线瞬发伽马分析测量的要求;中心束孔外侧的中子剂量率、中子诱发伽马剂量率、直接伽马剂量率、总剂量率的最大值分别为3.08×10-2、3.54×10-3、1.25×10-3、3.56×10-2mSv·h-1,中子本底剂量率份额较大,约占总本底剂量率的86.5%,总本底剂量率最大值约为3.56×10-2mSv·h-1,基本达到0.025 mSv·h-1的辐射防护标准。
文章来源:《辐射防护》 网址: http://www.fsfhzz.cn/qikandaodu/2021/0619/595.html
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