貧化鈾球裝置內(nèi)的238U(n,2n)反應(yīng)率實(shí)驗(yàn)研究

朱傳新，牟云峰，鄭 普，王新華，郭海萍，何 鐵

(中國(guó)工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

貧化鈾球裝置內(nèi)的238U(n,2n)反應(yīng)率實(shí)驗(yàn)研究

朱傳新，牟云峰，鄭 普，王新華，郭海萍，何 鐵

(中國(guó)工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

采用兩套不同尺寸的貧化鈾球裝置開展了裝置內(nèi)部的238U(n,2n)反應(yīng)率實(shí)驗(yàn)研究，利用PD-300加速器D-T中子源輻照實(shí)驗(yàn)裝置，源強(qiáng)變化采用伴隨粒子法監(jiān)測(cè)，238U圓片放置在實(shí)驗(yàn)裝置的45°孔道內(nèi)，分布在距中子源不同距離處，輻照結(jié)束后，采用HPGe探測(cè)器測(cè)量238U圓片活化γ射線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與蒙特卡羅程序模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明，238U(n,2n)反應(yīng)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算值較吻合，238U(n,2n)反應(yīng)率隨球體半徑r的增加，近似服從e-ar/r2分布規(guī)律。

貧化鈾球；反應(yīng)率；D-T中子；蒙特卡羅模擬

在中子物理研究中，通過測(cè)量裝置內(nèi)的活化反應(yīng)率，可對(duì)中子與一維球結(jié)構(gòu)裝置的核素反應(yīng)截面數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行評(píng)估。238U是一重要的裂變核素，在反應(yīng)堆中扮演著重要角色，其反應(yīng)截面數(shù)據(jù)的可靠性對(duì)堆設(shè)計(jì)的安全尤其重要。英國(guó)原子武器研究中心進(jìn)行過天然鈾的中子宏觀實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置由φ2.92 cm×106.68 cm的天然鈾金屬棒垂直緊密排列組成，在裝置上進(jìn)行了14 MeV中子通量分布、反應(yīng)率分布、中子泄漏、中子增殖等的測(cè)量[1]；日本東京大學(xué)進(jìn)行了14 MeV中子輻照大貧化鈾球介質(zhì)內(nèi)的238U(n,f)、238U(n,γ)等反應(yīng)率測(cè)量與分析，評(píng)估了日本JENDL2數(shù)據(jù)庫(kù)中的截面數(shù)據(jù)[2]；王大倫等[3-5]測(cè)量了貧化鈾球的裂變反應(yīng)率分布，給出了14 MeV中子與238U作用產(chǎn)生的平均裂變數(shù)；牟云峰等[6]采用活化法測(cè)量了貧化鈾及組合球中的Al、Au和Nb的活化反應(yīng)率；美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展了Big Ten基準(zhǔn)臨界裝置中的238U(n,f)、238U(n,γ)等反應(yīng)率實(shí)驗(yàn)與蒙特卡羅模擬[7]，評(píng)估了相應(yīng)的計(jì)算程序和截面數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性；嚴(yán)小松等[8]開展了貧化鈾/聚乙烯球殼交替系統(tǒng)中238U中子俘獲率的測(cè)量；郭海萍等[9-10]開展了D-T中子照射下貧化鈾球及組合裝置的中子能譜測(cè)量。然而，針對(duì)一維貧化鈾球殼裝置內(nèi)的238U(n,2n)反應(yīng)率研究尚未見報(bào)道。本文采用活化測(cè)量方法測(cè)量一維貧化鈾球殼裝置內(nèi)的238U(n,2n)反應(yīng)率，并采用蒙特卡羅程序和ENDF/B-6以及CENDL-3評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)核數(shù)據(jù)進(jìn)行反應(yīng)率的模擬計(jì)算，將二者的結(jié)果進(jìn)行比較和分析，擬通過實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)238U(n,2n)截面數(shù)據(jù)的可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

反應(yīng)率的物理定義是單位源中子數(shù)作用到單位原子核上的反應(yīng)幾率，故實(shí)驗(yàn)中需明確作用到靶核上的源中子數(shù)目、被活化的總原子核數(shù)目及靶核數(shù)目，因此實(shí)驗(yàn)中需進(jìn)行中子源強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)、樣品的活化測(cè)量以及樣品的稱重。

由于加速器在運(yùn)行過程中受離子束的漂移、高壓的擾動(dòng)及運(yùn)行過程中氚靶的變化等因素的影響，加速器中子源強(qiáng)度處于不斷變化中，中子通量隨時(shí)間的變化出現(xiàn)各種波動(dòng)。這樣在實(shí)驗(yàn)過程中活化箔的活化放射性的增長(zhǎng)也是有波動(dòng)的，這些對(duì)最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將帶來影響。為解決這一問題，實(shí)驗(yàn)時(shí)將照射時(shí)間分成N個(gè)相等的時(shí)間間隔，記錄每個(gè)間隔的伴隨α粒子數(shù)，最終給出的源中子強(qiáng)度為伴隨粒子數(shù)經(jīng)加權(quán)處理后得到的數(shù)據(jù)。

當(dāng)t0時(shí)刻停止照射后，活化箔的反應(yīng)率分布為：

(1)

式中：Rei為反應(yīng)率，無量綱量；i為活化箔在樣品中徑向的不同位置，cm；Ni(t0)為第i個(gè)位置處的活化箔在t0時(shí)刻的γ活性；M為活化箔中的原子數(shù)；b為同位素豐度；g為產(chǎn)生放射性核衰變的γ發(fā)射率；ε為高純鍺探測(cè)器的效率；Ω為伴隨α粒子探測(cè)器對(duì)靶張的立體角；Aα為中子強(qiáng)度的各向異性因子；ραk為第k個(gè)時(shí)間間隔tα內(nèi)測(cè)量得到的α計(jì)數(shù)；N為總時(shí)間間隔數(shù)；λ為產(chǎn)物核的衰變常量，s-1。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置1：內(nèi)徑為8 cm、外徑為38.8 cm的貧化鈾球殼，總質(zhì)量約為570 kg，球殼的厚度為15.4 cm，14 MeV中子在貧化鈾中的平均自由程λ=3.54 cm，因此裝置1中，中子的總自由程約為4λ。實(shí)驗(yàn)裝置2：內(nèi)徑為26.2 cm、外徑為38.8 cm的貧化鈾球殼，總質(zhì)量約為400 kg，球殼的厚度為6.3 cm，裝置2中，中子的總自由程約為2λ。選擇兩套實(shí)驗(yàn)裝置的目的是通過兩種不同的中子自由程，得到不同的中子輸運(yùn)過程，相應(yīng)得到不同裝置內(nèi)的中子能譜分布，從多個(gè)角度檢驗(yàn)238U反應(yīng)截面核數(shù)據(jù)的可靠性。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experiment setting

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，PD-300中子發(fā)生器提供D-T中子源，中子源強(qiáng)度控制在(2～4)×1010s-1，貧化鈾球放置在三維調(diào)節(jié)支架上，通過對(duì)貧化鈾球裝置進(jìn)行精確定位，確保球中心與氚靶靶心重合，靶室為不銹鋼管材料。中子輻照期間，使用鋁制水套采用水冷卻方式對(duì)氚靶表面進(jìn)行冷卻。

238U活化片放置在45°孔道內(nèi)，活化片與238U圓柱間隔緊密放置。采用伴隨α粒子法監(jiān)測(cè)中子產(chǎn)額。對(duì)裝置1輻照約30 h，對(duì)裝置2輻照約20 h，兩套裝置的累積中子產(chǎn)額達(dá)3.3×1015。輻照結(jié)束后，利用HPGe探測(cè)器測(cè)量活化片的活性。根據(jù)由(n,2n)反應(yīng)引起的活化片的活性和伴隨粒子法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到貧化鈾球裝置中238U(n,2n)反應(yīng)率。

2.2 活化片樣品參數(shù)

在裝置1的45°孔道內(nèi)放置8片活化箔，裝置2的45°孔道內(nèi)放置7片活化箔，活化片的實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表1。

2.3 中子源強(qiáng)度監(jiān)測(cè)

中子源強(qiáng)度采用伴隨粒子法進(jìn)行分時(shí)監(jiān)測(cè)。α粒子采用金硅面壘探測(cè)器測(cè)量。電子學(xué)框圖示于圖2，信號(hào)經(jīng)放大后通過多道和974定標(biāo)器同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用計(jì)算機(jī)控制974定標(biāo)器進(jìn)行分時(shí)監(jiān)測(cè)。圖3為通過示波器測(cè)量到的α粒子信號(hào)波形。

表1 活化片的參數(shù)Table 1 Parameter of foil

圖2 監(jiān)測(cè)的電子學(xué)框圖Fig.2 Block diagram for measuring α particle

圖3 伴隨α粒子信號(hào)波形Fig.3 Shape of associate α particle signal

2.4 活化測(cè)量

中子輻照結(jié)束后，將孔道內(nèi)的活化片取下，活化片為圓片，直徑為24 mm。利用ORTEC公司的GEM60P型高純鍺探測(cè)器測(cè)量活化γ射線。高純鍺探測(cè)器系統(tǒng)由高純鍺探測(cè)器、鉛屏蔽室、數(shù)字化γ譜儀、計(jì)算機(jī)多道共同組成。高純鍺探測(cè)器的探測(cè)效率隨能量變化的曲線利用系列標(biāo)準(zhǔn)γ射線源進(jìn)行刻度得到，使用了210Pb、241Am、133Ba、109Cd、22Na、60Co、152Eu、226Ra和57Co等γ射線標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)源，源距離探測(cè)器端面82 mm。效率刻度的不確定度小于3%。活化測(cè)量時(shí)，樣品距離高純鍺探測(cè)器端面82 mm。每次測(cè)量的特征峰凈計(jì)數(shù)為10 000以上。圖4為活化片在中子輻照前測(cè)量的本底譜及測(cè)量238U活化片得到的γ射線能譜。由圖4可看出，活化片輻照前無237U存在；中子輻照后，產(chǎn)生了208 keV的γ射線峰，該特征峰來源于238U(n,2n)237U反應(yīng)產(chǎn)物237U的放射性。

測(cè)量了238U(n,2n)237U反應(yīng)的產(chǎn)物237U特征峰208 keV，使用的參數(shù)值為：237U半衰期6.75 d，特征峰208 keV，分支比21.14%。距高純鍺探測(cè)器表面中心上方82 mm處，208 keV的γ射線探測(cè)效率為0.017 7。

3 模擬計(jì)算

模擬計(jì)算采用MCNP5程序和ENDF/B-6庫(kù)和CENDL-3庫(kù)評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)進(jìn)行。計(jì)算的物理模型考慮了實(shí)驗(yàn)的材料和幾何尺寸，中子源采用各向異性的14 MeV能量附近的D-T中子進(jìn)行描述，記錄球內(nèi)不同半徑處的238U(n,2n)反應(yīng)率，模擬計(jì)算中考慮了靶室結(jié)構(gòu)材料對(duì)源中子的影響以及貧化鈾球上的靶室孔道對(duì)測(cè)量反應(yīng)率的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況進(jìn)行建模。為對(duì)中子在貧化鈾球介質(zhì)內(nèi)的輸運(yùn)物理過程進(jìn)行分析，在計(jì)算反應(yīng)率的同時(shí)，也對(duì)各位置的中子能譜進(jìn)行計(jì)算。采用MCNP5程序和ENDF/B-6庫(kù)計(jì)算得到的裝置1內(nèi)部的中子能譜示于圖5。由圖5可看出，中子與鈾球發(fā)生反應(yīng)后的中子譜形，在裝置的不同半徑處均較接近，只是在譜的軟硬上有一些差異，離球心越近，能譜越硬，而離球心較遠(yuǎn)處，中子譜較軟，能譜的計(jì)數(shù)分布主要集中在高能區(qū)的13 MeV以上和6 MeV以下的能區(qū)，尤其是1 MeV以下的中子能區(qū)，球介質(zhì)內(nèi)的中間位置產(chǎn)生的低能中子多，這是因?yàn)樵?5 MeV以下的中子能區(qū)由于發(fā)生中子誘發(fā)裂變而產(chǎn)生裂變中子，而裂變中子的能量分布主要集中在1 MeV附近，所以低能區(qū)中子較多。采用MCNP5程序和ENDF/B-6庫(kù)計(jì)算得到裝置2內(nèi)部的中子能譜示于圖6，能譜分布的特點(diǎn)與裝置1的相似。

圖4 γ射線譜Fig.4 Gamma ray spectrum

圖5 裝置1內(nèi)部的中子能譜Fig.5 Neutron spectra in setting 1

圖6 裝置2內(nèi)部的中子能譜Fig.6 Neutron spectra in setting 2

4 結(jié)果與討論

裝置1的238U (n,2n)反應(yīng)率的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值列于表2，表2中E、C分別為反應(yīng)率的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值，C/E為計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之比。計(jì)算時(shí)，分別使用了美國(guó)的ENDF/B-6數(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)的CENDL-3數(shù)據(jù)庫(kù)中238U核反應(yīng)截面評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。由表2可看出，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值吻合較好，二者在5%以內(nèi)一致，其中CENDL-3庫(kù)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與ENDF/B-6數(shù)據(jù)庫(kù)相較而言，與實(shí)驗(yàn)值更接近，說明CENDL-3庫(kù)的238U核數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。對(duì)裝置1，238U(n,2n)反應(yīng)率隨球體半徑變化的擬合公式為：

(3)

式中：y為238U(n,2n)反應(yīng)率；r為貧化鈾球半徑，cm。238U(n,2n)反應(yīng)率隨球體半徑的增加近似服從e-ar/r2分布規(guī)律。其物理意義是：對(duì)于點(diǎn)中子源，其中子強(qiáng)度隨距離增加呈1/r2減弱；中子在物質(zhì)中衰減服從e-ar指數(shù)衰減規(guī)律。綜合上述兩種情況，在球介質(zhì)內(nèi)，反應(yīng)率隨著球體半徑的增加近似服從e-ar/r2分布規(guī)律。

表2 裝置1的238U(n,2n)反應(yīng)率Table 2 238U(n,2n) reaction rate in setting 1

裝置2的238U(n,2n)反應(yīng)率的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值列于表3。由表3可看出，模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。在裝置2中，CENDL-3數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算結(jié)果與ENDF/B-6數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算結(jié)果相比較，兩者差異不明顯。裝置2中238U(n,2n)反應(yīng)率隨球體半徑的增加，同樣呈現(xiàn)近似e-ar/r2規(guī)律分布。對(duì)裝置2，238U(n,2n)反應(yīng)率隨球體半徑變化的擬合公式為：

(4)

從上述兩組實(shí)驗(yàn)裝置的研究結(jié)果及裝置內(nèi)部的中子能譜可看出，14 MeV中子在貧化鈾球殼內(nèi)發(fā)生各種核反應(yīng)，包括裂變反應(yīng)、(n,2n)反應(yīng)、彈性和非彈性散射反應(yīng)等，球殼越厚，高能中子能量損失也越大，能量降低到(n,2n)反應(yīng)閾能6 MeV以下的概率越大，因此隨著球殼厚度增加，238U(n,2n)反應(yīng)率呈下降趨勢(shì)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果的綜合比較，二者在實(shí)驗(yàn)不確定度范圍內(nèi)吻合，其中CENDL-3數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值更接近，表明CENDL-3數(shù)據(jù)庫(kù)的238U核數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。貧化鈾球模擬計(jì)算結(jié)果的不確定度約為5.0%，主要來自于抽樣的統(tǒng)計(jì)漲落以及截面數(shù)據(jù)的不確定度等因素。

貧化鈾球?qū)嶒?yàn)結(jié)果的不確定度，主要來源于中子源強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、各向異性修正、HPGe探測(cè)器效率刻度以及特征γ射線峰計(jì)數(shù)等因素。各不確定度因素及總不確定度列于表4。

表3 裝置2的238U (n,2n)反應(yīng)率Table 3 238U(n,2n) reaction rate in setting 2

表4 貧化鈾球?qū)嶒?yàn)測(cè)量結(jié)果的不確定度Table 4 Uncertainty of result for depleted uranium spheres experiment

5 結(jié)論

通過貧化鈾球裝置內(nèi)部238U(n,2n)反應(yīng)率的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了238U(n,2n)反應(yīng)率隨貧化鈾球半徑變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與采用MCNP5和ENDF/B-6庫(kù)以及CENDL-3數(shù)據(jù)庫(kù)的238U核反應(yīng)截面評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的238U(n,2n)反應(yīng)率進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：1) ENDF/B-6庫(kù)和CENDL-3數(shù)據(jù)庫(kù)中，在15 MeV以下的238U(n,2n)截面數(shù)據(jù)較為可靠，其中，CENDL-3數(shù)據(jù)庫(kù)中的238U評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)略好于ENDF/B-6庫(kù)的；采用兩組不同尺寸貧化鈾球?qū)嶒?yàn)裝置，通過不同的中子輸運(yùn)自由程的反應(yīng)率測(cè)量實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生兩組不同的中子輸運(yùn)過程以及不同的中子能譜分布，從多個(gè)角度驗(yàn)證了評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)中238U(n,2n)截面數(shù)據(jù)的可靠性。2) 在貧化鈾球裝置介質(zhì)內(nèi)部，隨著球體半徑的增加，238U(n,2n)反應(yīng)率近似呈e-ar/r2規(guī)律分布。

感謝中國(guó)工程物理研究院PD-300中子發(fā)生器運(yùn)行組婁本超、李艷、李彥等為本實(shí)驗(yàn)提供的穩(wěn)定的束流運(yùn)行。

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Measurement of238U(n,2n) Reaction Rate in Depleted Uranium Sphere

ZHU Chuan-xin, MOU Yun-feng, ZHENG Pu, WANG Xin-hua, GUO Hai-ping, HE Tie

(InstituteofNuclearPhysicsandChemistry,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

The238U(n,2n) reaction rates of two depleted uranium spheres were measured. The depleted uranium spheres were irradiated by D-T neutron at PD-300 accelerator. The intensity of neutron source was monitored by the associated-alpha particles from the T(d,n)He reaction. After radiation, the activated gamma rays of uranium foils in the 45° hole of uranium spheres were measured using HPGe detector. The238U(n,2n) reaction rates of two depleted uranium spheres were calculated using Monte-Carlo simulation. It shows that the238U(n,2n) reaction rates from experiments are agreed with the calculations. The change of238U(n,2n) reaction rate with the radiusrof depleted uranium sphere is obeyed approximately the distribution of e-ar/r2.

depleted uranium sphere; reaction rate; D-T neutron; Monte-Carlo simulation

2015-04-04;

2015-07-05

朱傳新(1977—)，男，安徽鳳臺(tái)人，副研究員，碩士，從事核物理實(shí)驗(yàn)研究

O571.435

A

1000-6931(2015)10-1734-06

10.7538/yzk.2015.49.10.1734