電子直線加速器驅(qū)動(dòng)的光中子源裝置的研制

王宏偉 陳金根 蔡翔舟 林作康 馬余剛 張桂林 李 琛 方德清 張 松 張國(guó)強(qiáng) 曹喜光 鐘 晨 盧 飛 曹 云 胡瑞榮 金 江 胡建輝 陳偉良 黃建平 王納秀 韓建龍 康國(guó)國(guó) 杜 龍 王玉廷 朱 亮 常 樂(lè) 周晨升

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）

3（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

電子直線加速器驅(qū)動(dòng)的光中子源裝置的研制

王宏偉1,2,3陳金根1,2,3蔡翔舟1,2,3林作康1,2馬余剛1,2,3張桂林1,2李 琛1,2方德清1,2,3張 松1,2張國(guó)強(qiáng)1,2曹喜光1,2鐘 晨1,2盧 飛1,2曹 云1,2胡瑞榮1,2金 江1,2胡建輝1,2陳偉良1,2黃建平1,2王納秀1,2,3韓建龍1,2康國(guó)國(guó)1,2杜 龍1,2,3王玉廷1,2,3朱 亮1,2,3常 樂(lè)1,2周晨升1,2,3

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）

3（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行、新一代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)以及核廢料處理等需要精確的中子核數(shù)據(jù)。光中子源聯(lián)用飛行時(shí)間譜(Time of Flight, TOF)測(cè)量是最精確的中子能量測(cè)量技術(shù)，在熱中子和共振中子能區(qū)的截面測(cè)量中發(fā)揮了非常重要的作用。釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor, TMSR)項(xiàng)目中15 MeV電子加速器驅(qū)動(dòng)的光中子源裝置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1, TPNS1)是專為釷-鈾循環(huán)核數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)計(jì)和建造的，它位于中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū)內(nèi)。第一階段采用15 MeV電子直線加速器(LINAC)驅(qū)動(dòng)，第二階段擬建造電子能量約100 MeV (TPNS2)驅(qū)動(dòng)的光中子源。前者建成后可提供飛行路徑5 m、通量約104n.s-1.cm-2的連續(xù)能量中子束（白光中子）及約1 MeV低能伽馬射線，它們分別用于測(cè)量中子反應(yīng)截面和伽馬輻照研究，這是國(guó)內(nèi)首臺(tái)用于核數(shù)據(jù)測(cè)量的白光中子源。

光中子源，釷鈾循環(huán)，核數(shù)據(jù)，飛行時(shí)間，中子探測(cè)器

中子截面數(shù)據(jù)庫(kù)在相當(dāng)多的科研和技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，例如，核能產(chǎn)生、工業(yè)應(yīng)用、核天體物理、核科學(xué)及核醫(yī)學(xué)等方面。反應(yīng)堆用中子截面測(cè)量涉及到了一個(gè)非常寬的中子能量范圍，從熱中子0.025 eV到20 MeV，跨度約為9個(gè)數(shù)量級(jí)，其中熱中子和共振中子能區(qū)截面(0.025 eV-1 keV)在核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)及中子應(yīng)用研究中具有非常重要的作用，特別是第四代新型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，此能區(qū)的一些高精度中子截面數(shù)據(jù)的需求尤為緊迫。釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor, TMSR)的研究涉及到大量的、不同于鈾-钚循環(huán)的釷-鈾循環(huán)鏈核素(圖1)，以及高溫狀態(tài)下的熔鹽材料、包殼材料、控制棒材料、反應(yīng)堆毒素/產(chǎn)物等。它們中很多核素的中子截面還不完備，或者精確度較低，因此需要高精度的中子截面測(cè)量作為數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)依據(jù)。例如232Th的俘獲截面精度在20%-30%，對(duì)于TMSR的堆芯設(shè)計(jì)和安全評(píng)估影響甚大，232Pa的截面數(shù)據(jù)較少，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分歧顯著等，因此寬能量范圍的中子源是開(kāi)展中子截面測(cè)量的基礎(chǔ)[1]。

國(guó)際上用于核數(shù)據(jù)測(cè)量的中子源主要分為三類：第一類是采用質(zhì)子或者氘束轟擊輕靶，產(chǎn)生單能或者千電子伏能量的快中子束，如德國(guó)FRANZ裝置采用7Li(p,n)7Be反應(yīng)產(chǎn)生1-500 keV的中子能量[2]；第二類是電子加速器驅(qū)動(dòng)的光中子源裝置，如比利時(shí)的GELINA[3]、德國(guó)nELBE[4]、韓國(guó)PNF[5-6]以及日本的KURRI裝置[7]等，均能提供較寬能量的白光中子；第三類是散裂中子源裝置，如nTOF[8]、中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)[9]裝置等，提供約兆電子伏能量范圍的中子。目前電子加速器驅(qū)動(dòng)的白光中子源在熱中子及共振中子能區(qū)范圍內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛，占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，它利用電子韌致輻射產(chǎn)生的伽馬射線誘發(fā)中子，再聯(lián)用飛行時(shí)間譜(Time of Flight, TOF)測(cè)量技術(shù)，可以提供高通量、連續(xù)的中子能譜，可獲得高能量分辨的熱中子及共振能區(qū)的中子截面，具有其它加速器產(chǎn)生的單能中子源無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。

圖1 釷-鈾循環(huán)反應(yīng)鏈 虛線框內(nèi)為T(mén)MSR中Th-U循環(huán)的轉(zhuǎn)化路徑Fig.1 Thorium-uranium cycle chain. Virtual line shows the important transfer path in TMSR.

1 TPNS1裝置設(shè)計(jì)及物理參數(shù)

15 MeV電子加速器驅(qū)動(dòng)的光中子源裝置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1, TPNS1)建造在中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū)，利用原有的中子發(fā)生器大廳(8 m×11 m)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母脑煲院罂梢詽M足輻射防護(hù)及接地等要求，從而減少土建的時(shí)間。但是較小的室內(nèi)空間也限制了電子束能量和飛行路徑的拓展。TPNS1建成后將主要側(cè)重于總截面和俘獲截面的核數(shù)據(jù)測(cè)量、某些中子/伽馬輻照的研究以及開(kāi)展相關(guān)的中子探測(cè)器和反應(yīng)堆用中子探測(cè)器的研制和刻度等，圖2給出了TPNS1的裝置布局效果圖。

圖2 TPNS1裝置效果圖Fig.2 TPNS1 impression drawing.

裝置中電子直線加速器的電子能量為15 MeV（未來(lái)可擴(kuò)展到較高能量30-150 MeV），脈沖寬度為3 ns-3 μs可調(diào)（適合不同能量區(qū)域的中子分段測(cè)量），脈沖頻率為1-266 Hz可調(diào)（避免熱中子為下一個(gè)脈沖周期的快中子覆蓋），平均脈沖電流0.5mA，最大功率為7.5 kW（中子的產(chǎn)額正比于電子束的流強(qiáng)），電子束轟擊鎢靶（W-Tungsten，圓柱形）由韌致輻射產(chǎn)生伽馬射線，然后通過(guò)(γ, n)反應(yīng)產(chǎn)生中子，初級(jí)中子及伽馬射線的峰值能量約1MeV，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)穆罂梢缘玫綗嶂凶蛹斑B續(xù)的中子能譜[10-11](圖3)，中子總產(chǎn)額約為1.2×1011n.s-1，在TOF飛行路徑5 m處（實(shí)驗(yàn)室空間限制）的中子通量可以達(dá)到約104n.s-1.cm-2。

2 電子直線加速器設(shè)計(jì)

電子直線加速器(LINAC)由上海光源自由電子激光部設(shè)計(jì)[12]，加速器由電子槍、s波段預(yù)聚束器（工作頻率2 865 MHz）、16腔行波聚束器(Travelling wave buncher)、偏轉(zhuǎn)磁鐵和聚焦磁鐵等構(gòu)成。電子具有三個(gè)可調(diào)的脈沖寬度范圍：3-10 ns、15-30 ns、0.5-3 μs，能量分散度小于1%，平均流強(qiáng)0.5 mA，靶前電子束斑直徑為40-50 mm，近高斯分布。

圖3 MCNPX模擬的不同飛行距離處的中子能譜(a)及慢化中子譜(b)Fig.3 Neutron spectra at different flight paths (a) and moderated spectra (b) simulated by MCNPX .

圖4 TPNS1直線電子加速器[10]Fig.4 The TPNS1 electron LINAC[10].

3 中子產(chǎn)生靶及屏蔽殼

中子產(chǎn)生靶為圓柱形天然鎢靶，直徑60 mm，厚度48 mm，純度98%，底端用特殊方法焊接在銅冷卻座上。產(chǎn)生靶腔體外殼為內(nèi)徑72.8 mm、厚度5mm不銹鋼真空管道，它和電子加速器管道末端直接相連，中子產(chǎn)生靶及銅冷卻座上設(shè)計(jì)安裝了13只熱偶溫度計(jì)，用來(lái)測(cè)量中子產(chǎn)生靶及冷卻座的溫度變化，同時(shí)監(jiān)控電子束在靶上的偏移情況。冷卻座外接去離子冷卻水管。為避免長(zhǎng)時(shí)間輻照后去離子水的活化，冷卻水內(nèi)部獨(dú)立循環(huán)，并通過(guò)一個(gè)冷卻泵實(shí)現(xiàn)溫度控制。整個(gè)中子產(chǎn)生靶包圍在一個(gè)由鋁、聚乙稀和混凝土組合而成的屏蔽殼中，上部設(shè)計(jì)為可開(kāi)啟模式，便于安裝及檢修時(shí)打開(kāi)，從內(nèi)到外分別為鋁板(5 cm)、聚乙烯(15 cm)、鉛塊(20 cm)和鋁板(5 cm)組成；屏蔽殼下部為混凝土底座(圖5)。在垂直電子束的90°方向預(yù)留最大直徑20 cm的中子引出口，在電子束平行的下游位置，預(yù)留直徑5cm的伽馬引出口。TPNS1調(diào)試期間，中子及伽馬引出口設(shè)置中子探測(cè)器(6LiI晶體[13])、伽馬探測(cè)器(NaI(Tl))以及液閃探測(cè)器(EJ301)、3He正比計(jì)數(shù)管[14]和中子/伽馬劑量檢測(cè)儀。在TOF路徑終點(diǎn)放置具有良好屏蔽的6LiI中子探測(cè)器（以后擬采用BC702探測(cè)器或鋰玻璃探測(cè)器）作TOF中子時(shí)間信號(hào)終止探測(cè)器。

圖5 中子產(chǎn)生靶(a)和屏蔽殼示意圖(b)Fig.5 Scheme of neutron producing target (a) and screening shell (b).

4 設(shè)備安裝、初步測(cè)試結(jié)果和討論

2013年5月TPNS1的基建和水電改造完成，新鋪設(shè)地線、改造實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)的電源和電纜地溝、安裝了冷卻水和強(qiáng)排風(fēng)設(shè)施、提高了地面承重標(biāo)準(zhǔn)、新建了迷宮墻和局部屏蔽墻以及增加中央控制室等。2014年1月所有設(shè)備包括電子直線加速器、中子產(chǎn)生靶及冷卻系統(tǒng)，中子實(shí)驗(yàn)終端均已作好了開(kāi)機(jī)前檢驗(yàn)。2014年1月20日開(kāi)始加速器試調(diào)束，實(shí)驗(yàn)終端本底及中子/伽馬監(jiān)控，圖6給出了低功率電子束轟擊下，6LiI探測(cè)器測(cè)量到的中子產(chǎn)額。

圖6 2014年1月TPNS1調(diào)試中的中子計(jì)數(shù)率測(cè)量譜Fig.6 Neutron counting rate of first test run taken in Jan. 2014.

表1給出了電子重復(fù)頻率為10 Hz條件下，6LiI熱中子探測(cè)器實(shí)際測(cè)量得到的熱中子計(jì)數(shù)率情況，以及估算在7.5 kW條件下能得到的熱中子計(jì)數(shù)率及通量，考慮到中子能譜分布和加速器優(yōu)化參數(shù)以后，可以得到約104n.s-1.cm-2的總中子通量，和蒙特卡羅理論模擬計(jì)算的結(jié)果相近。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所TMSR先導(dǎo)專項(xiàng)研究課題已經(jīng)初步完成了國(guó)內(nèi)首臺(tái)用于核數(shù)據(jù)測(cè)量的光中子源裝置的建設(shè)，目前正在開(kāi)展裝置的調(diào)試任務(wù)。從初步測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果分析來(lái)看，能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用該裝置提供的白光中子和5 m TOF飛行路徑，開(kāi)展TMSR相關(guān)的核數(shù)據(jù)測(cè)量是可行的。裝置建成后將主要集中在熱中子和慢中子能區(qū)，特別是共振區(qū)中子截面的測(cè)量，為T(mén)MSR評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)提供可靠的總截面和俘獲截面測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)開(kāi)展常規(guī)中子探測(cè)器，TMSR反應(yīng)堆用高溫中子探測(cè)器的研制和刻度工作，還可以進(jìn)行一些伽馬和中子的輻照實(shí)驗(yàn)，為用戶提供多用途的中子物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

表1 調(diào)試束流參數(shù)及中子通量估算Table1 Parameters of electron beam and estimated neutron flux.

致謝感謝同韓國(guó)浦項(xiàng)PNF人員的技術(shù)交流和有益討論，感謝西北核技術(shù)研究所和上海新漫傳感技術(shù)有限公司在中子探測(cè)器及中子放射源刻度方面提供的幫助。

1 江綿恒, 徐洪杰, 戴志敏. 未來(lái)先進(jìn)核裂變能-TMSR核能系統(tǒng)[J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2012, 27(3): 366-374 JIANG Mianheng, XU Hongjie, DAI Zhimin. Advanced fission energy program-TMSR nuclear energy system[J]. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2012, 27(3): 366-374

2 FRANZ[EB/OL]. http://exp-astro.physik.uni-frankfurt.de /franz/, 2014

3 GELINA[EB/OL]. http://irmm.jrc.ec.europa.eu/about_ IRMM/laboratories/Pages/gelina_neutron_time_of_flight_ facility.aspx, 2014

4 nELBE[EB/OL]. https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=317, 2014

5 Kim G N, Lee Y S, Skoy V, et al. First experiment at the Pohang neutron facility[J]. Journal of the Korean Physical Society, 2001, 38: 14-18

6 Kim G N, Kovalchuk V, Lee Y S, et al. Measurement of photoneutron spectrum at Pohang neutron facility[J]. Nuclear Instrument and Methods A, 2002, 485: 458-467

7 KURRI[EB/OL]. http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/en/facilities /ela, 2014

8 n_TOF[EB/OL]. http://home.web.cern.ch/about/experiments/ntof, 2014

9 CSNS[EB/OL]. http://csns.ihep.ac.cn/, 2014

10 Lin Z K, Sun G M, Chen J G, et al. Simulation and optimization for a 30-MeV electron accelerator driven neutron source[J]. Nuclear Science and Techniques, 2012, 23: 272-276

11 Lin Z K, Zou X, Cao Y, et al. Analysis of simulation for neutron target driven by 15-MeV electron beam[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46(Suppl): 26-30

12 Zhang M, Li X, Fang W C, et al. LINAC design for nuclear data measurement facility[J]. Proceedings of IPAC2013, Shanghai, China

13 杜龍, 常樂(lè), 王玉廷, 等.6LiI/natLiI閃爍體探測(cè)器效率的模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)量[J]. 核技術(shù), 2014, 37(4): 040201 DU Long, CHANG Le, WANG Yuting, et al. Detection efficiency simulation and measurement of6LiI/natLiI scintillation detector[J]. Nuclear Techniques, 2014, 37(4): 040201

14 劉應(yīng)都, 張國(guó)強(qiáng), 王宏偉, 等.3He正比計(jì)數(shù)器探測(cè)效率模擬及靈敏度刻度[J]. 核技術(shù), 2012, 35(3): 175-178 LIU Yingdu, ZHANG Guoqiang, WANG Hongwei, et al. Simulation of detection efficiency for a3He proportional counter and its sensitivity calibration[J]. Nuclear Techniques, 2012, 35(3): 175-178

CLCTL816+.3, TL375.4

Development of photo-neutron facility driven by electron LINAC

WANG Hongwei1,2,3CHEN Jingen1,2,3CAI Xiangzhou1,2,3LIN Zuokang1,2MA Yugang1,2,3ZHANG Guilin1,2LI Chen1,2FANG Deqing1,2,3ZHANG Song1,2ZHANG Guoqiang1,2CAO Xiguang1,2ZHONG Chen1,2LU Fei1,2CAO Yun1,2HU Ruirong1,2JIN Jiang1,2HU Jianhui1,2CHEN Weiliang1,2HUANG Jianping1,2WANG Naxiu1,2,3HAN Jianlong1,2KANG Guoguo1,2DU Long1,2,3WANG Yuting1,2,3ZHU Liang1,2,3CHANG Le1,2ZHOU Chensheng1,2,3

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)
3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Neutron evaluated data were needed by many researches, e.g., the safety traffic of nuclear reactor, design of new generated reactor and treatment of nuclear waste. Purpose: The photo-neutron source driven by 15-MeV electrons LINAC in Thorium molten salt reactor (TMSR) program was designed for Th-U cycle nuclear data measurement. Methods: The photo-neutron source combined with time of flight (TOF) spectra is the most accurate method in neutron energy measurement, which plays a very important role in thermal and resonance neutron cross section measurement. Results: It locats in Jiading campus of Shanghai Institute of Applied Physics (SINAP). In the first phase, a 15-MeV electron LINAC will be manufactured, and then a more high energy about 100-MeV LINAC will be used for the photo-neutron source. Conclusion: The facility (phase 1) will supply the 5-m TOF path and white spectrum neutron with flux ～104n.s-1.cm-2and low energy gamma ray ～1 MeV, and it will be used in neutron cross section measurement and gamma irradiation study. This is the first white neutron source facility designed for TMSR nuclear data measurement.

Photo-neutron source, Th-U cycle, Nuclear data, Time of Flight (TOF), Neutron detector

TL816+.3，TL375.4

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.100522

中國(guó)中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(No.XDA02010100)、973項(xiàng)目(No.2013CB834405、No.2010CB833005)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11075195)

和青年基金項(xiàng)目(No.11305239)資助

王宏偉，男，1971年出生，2002年于中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所獲博士學(xué)位，研究員，E-mail: wanghongwei@sinap.ac.cn

2014-05-12，

2014-06-05