張坤明，張雄杰，瞿金輝，湯彬

東華理工大學(xué)教育部核技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，江西南昌 330013

脈沖中子－裂變中子探測(cè)鈾黃餅的MCNP模擬

張坤明，張雄杰，瞿金輝，湯彬

東華理工大學(xué)教育部核技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，江西南昌 330013

利用MCNP程序模擬研究脈沖中子－裂變中子探測(cè)鈾黃餅，采用脈沖式中子源，利用氦三管中子探測(cè)器記錄裂變中子，得到鈾黃餅中的鈾含量信息。通過(guò)對(duì)14 MeV脈沖中子源和產(chǎn)生的裂變中子在不同鈾含量模型中的輸運(yùn)計(jì)算，分析了裂變中子與鈾含量的關(guān)系。結(jié)果表明：利用裂變超熱中子衰減時(shí)間譜，可以確定鈾黃餅中的鈾含量；通過(guò)對(duì)熱中子衰減時(shí)間譜進(jìn)行校正，可以提高鈾黃餅中鈾含量計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

MCNP；脈沖中子源；裂變中子；鈾黃餅；鈾含量

鈾黃餅是核工業(yè)中的一種重要原料［1］。目前，鈾黃餅中已確定的成分包括重鈾酸鈉［2-4］、重鈾酸氨、硫酸鈾、鈾的氫氧化物以及其他形式的鈾的氧化物。由于鈾黃餅的成分復(fù)雜，采用常規(guī)的化學(xué)分析方法，分析成本高、周期長(zhǎng)［5-6］。中子穿透能力強(qiáng)，中子探測(cè)技術(shù)在核材料的非破壞性測(cè)量中具有重要作用。其重要特征是不帶電，不存在庫(kù)侖勢(shì)壘的阻擋，這就使得任何能量的中子同任何核素都能發(fā)生反應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用中，低能中子起更重要的作用。本文就是利用外加14 MeV脈沖式中子源，慢化而來(lái)的熱中子誘發(fā)鈾235裂變，探測(cè)鈾黃餅的鈾含量。

MCNP是一種常用的利用蒙特卡洛方法解決核粒子輸運(yùn)問(wèn)題的程序［7］，以其靈活、通用以及強(qiáng)大的功能廣泛應(yīng)用于輻射防護(hù)、射線測(cè)定、輻射屏蔽和反應(yīng)堆設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。本文利用MCNP程序［8］模擬研究脈沖中子－裂變中子探測(cè)鈾黃餅中的鈾含量，分析了源中子慢化而來(lái)的熱中子和鈾發(fā)生裂變，產(chǎn)生裂變中子的時(shí)間規(guī)律。研究了裂變中子與鈾黃餅含鈾量的關(guān)系，進(jìn)而確定鈾黃餅的鈾含量。

1 裂變中子鈾黃餅探測(cè)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(yīng)截面，和快中子可以發(fā)生快裂變，和熱中子可以發(fā)生熱裂變，而且熱裂變截面大于快裂變截面［9］。裂變過(guò)程中放出的中子，統(tǒng)稱(chēng)為裂變中子。裂變中子99%以上都是在裂變的瞬間釋放出來(lái)，稱(chēng)為瞬發(fā)中子；不到1%的裂變中子是在裂變發(fā)生一段時(shí)間后，由某些裂變碎片經(jīng)一系列的衰變過(guò)程放出的，稱(chēng)為緩發(fā)中子。熱中子和鈾235發(fā)生熱裂變產(chǎn)生的瞬發(fā)中子能量較高，平均能量為1．98 MeV，因此中子源脈沖結(jié)束后，記錄的是超熱中子能量范圍的瞬發(fā)中子。因此，產(chǎn)生的超熱中子數(shù)目與鈾含量成一定比例，據(jù)此可用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾黃餅的探測(cè)。鈾235與熱中子的反應(yīng)截面很大，為5 182×10－26m2。脈沖中子源發(fā)射出中子，誘發(fā)鈾235發(fā)生裂變，產(chǎn)生2～3個(gè)瞬發(fā)裂變中子，其裂變的一般反應(yīng)式如下：

式中X、Y為裂變碎片。此反應(yīng)中，裂變發(fā)射出來(lái)的瞬發(fā)中子通量密度與脈沖中子源的強(qiáng)度、以及鈾核材料中鈾的含量是直接相關(guān)的，當(dāng)設(shè)置好脈沖中子源的發(fā)射強(qiáng)度后，通過(guò)對(duì)裂變中子通量密度的測(cè)量就能直接反映出鈾核材料中的鈾含量。

2 鈾黃餅?zāi)Ｐ图澳M方法

2．1 計(jì)算模型

利用MCNP程序建立鈾黃餅的數(shù)值計(jì)算模型［10］：外殼內(nèi)外徑分別為50和55 cm，由內(nèi)向外，分別由2．5 cm的聚乙烯慢化體與2．5 cm的石墨反射體組成。黃餅直徑為20 cm，長(zhǎng)20 cm。探測(cè)器直徑為5 cm，長(zhǎng)20 cm，距離中子源30 cm。采用柵元通量計(jì)數(shù)，根據(jù)能量分段計(jì)數(shù)超熱中子與熱中子。脈沖中子持續(xù)發(fā)射時(shí)間為10μs，周期為2 ms，模擬中子源粒子數(shù)為4×108個(gè)，如圖1所示。

圖1 模型示意圖

2．2 瞬發(fā)裂變中子鈾黃餅探測(cè)模擬

瞬發(fā)裂變中子探測(cè)技術(shù)利用氦三探測(cè)器，記錄鈾黃餅中由于發(fā)生瞬發(fā)裂變而增加的超熱中子計(jì)數(shù)。中子源脈寬為10μs，周期為2 ms，改變黃餅中鈾的含量分別為0、0．1%、0．5%、1%，探測(cè)器分別記錄0～2 000μs超熱中子和熱中子衰減時(shí)間譜。

圖2 不同鈾含量黃餅超熱中子時(shí)間衰減譜

圖3 不同鈾含量黃餅熱中子時(shí)間衰減譜

由圖2、3可以看出，鈾黃餅中的鈾含量對(duì)超熱中子的影響較大，當(dāng)不含鈾時(shí)，由源中子慢化產(chǎn)生的超熱中子在t＜100μs的時(shí)間內(nèi)完全消失；而當(dāng)鈾黃餅中含鈾時(shí)，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(shí)，中子與鈾235發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生的瞬發(fā)裂變中子增加了超熱中子的通量。記錄脈沖結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)的超熱中子通量計(jì)數(shù)，可以反映鈾黃餅中鈾的含量。而鈾黃餅中鈾含量對(duì)熱中子時(shí)間譜影響不大。

3 計(jì)算結(jié)果分析

鈾含量的變化對(duì)熱中子時(shí)間衰減譜影響很小，但超熱中子計(jì)數(shù)隨著鈾含量的不同變化較大，因此對(duì)超熱中子時(shí)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(lái)的超熱中子通量遞減為零，這之后產(chǎn)生的超熱中子基本上全是熱中子與鈾235發(fā)生熱裂變產(chǎn)生的裂變中子；而600μs后，統(tǒng)計(jì)漲落相對(duì)較大。因此將時(shí)間譜中120～600μs內(nèi)共計(jì)60道的超熱中子計(jì)數(shù)進(jìn)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(duì)計(jì)數(shù)，圖4為鈾黃餅中超熱中子相對(duì)計(jì)數(shù)與鈾含量的關(guān)系。

表1 不同鈾含量對(duì)應(yīng)的超熱中子相對(duì)計(jì)數(shù)

圖4 超熱中子相對(duì)計(jì)數(shù)與鈾含量的關(guān)系

從圖4中可以看出，在鈾黃餅中，超熱中子相對(duì)計(jì)數(shù)與鈾含量有著很好的線性關(guān)系：

Qfission＝kCepi

式中：Qfission為鈾含量，k為刻度系數(shù)，Cepi為超熱中子計(jì)數(shù)。

模擬時(shí)，中子源很穩(wěn)定，建立的模型都是在理想狀態(tài)下進(jìn)行模擬的，而在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，中子源的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)降低鈾含量的準(zhǔn)確度。而超熱中子的增加是由于鈾黃餅中的鈾235發(fā)生熱裂變產(chǎn)生的，因此鈾黃餅的超熱中子衰減速度和熱中子相同。此時(shí)，可以利用超熱中子與熱中子的比值來(lái)確定鈾黃餅中的鈾含量，如圖5所示。

圖5 一個(gè)脈沖周期超熱中子與熱中子的衰減曲線

Qfission＝kCepi／Ct

式中：Qfission為鈾含量，k為刻度系數(shù)，Cepi為超熱中子在t1～t2的計(jì)數(shù)，Ct為熱中子在t1～t2的計(jì)數(shù)。

4 結(jié)論

1）脈沖中子源脈沖結(jié)束后產(chǎn)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(guān)系，裂變中子計(jì)數(shù)越多，黃餅鈾含量越大。

2）在測(cè)量過(guò)程中，中子源的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)降低鈾含量的準(zhǔn)確度。超熱中子的增加是由于鈾黃餅中的鈾235發(fā)生熱裂變產(chǎn)生的，因此鈾黃餅的超熱中子衰減速度和熱中子相同。此時(shí)，可以通過(guò)熱中子計(jì)數(shù)來(lái)校正黃餅中的鈾含量，即利用超熱中子與熱中子的比值來(lái)確定鈾黃餅的鈾含量。

3）基于本文的理論運(yùn)用于實(shí)際，還需考慮極限探測(cè)距離與不均勻、不規(guī)則的探測(cè)對(duì)象。

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The Monte Carlo Nparticle transport code simulation of pulsed neutron-fission neutron uranium yellowcake exp loration

ZHANG Kunming，ZHANG Xiongjie，QU Jinhui，TANG Bin
Engineering Research Center of Nuclear Technology Application，Ministry of Education，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China

The Monte Carlo Nparticle transport code（MCNP）is used to simulate how to explore the uranium yel-lowcake by using the pulsed neutron-fission neutron（PNFN）method．In order to obtain uranium yellowcake quan-titation，pulsed neutron source was used，prompt fission neutronswere detected by using the neutron detector．Un-der the condition of different uranium quantitation models，the transport of the 14 MeV pulsed neutron source and the released fission neutron were calculated．On the basisof these，the relationship between fission neutron and ura-nium quantitation was studied．The results show that using the epithermal neutron time decay spectrum，the urani-um yellowcake quantitation can be determined；the precision of the uranium yellowcake quantitation could be in-creased by the correction of thermal neutron time decay spectrum．

MCNP；pulsed neutron source；fission neutron；uranium yellowcake；uranium quantitation

TL271

A

1009-671X（2015）03-074-03

10．3969／j．issn．1009-671X．201411015

2014-11-28．

日期：2015-04-20．

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA061804）．作者簡(jiǎn)介：張坤明（1989-），男，碩士研究生；湯彬（1964-），男，教授，博士．

張坤明，E-mail：805062710＠qq．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150420．1012．007．htm l