蘭州大學的中子發(fā)生器研制及應用展望

姚澤恩，王俊潤，張 宇，韋 崢，盧小龍，徐大鵬，黑大千

(1.蘭州大學 中子應用技術(shù)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學 核科學與技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730000)

基于氘氘(D-D)和氘氚(D-T)聚變反應的加速器中子源可分別產(chǎn)生約2.5 MeV和14.5 MeV的準單能快中子，簡稱為中子發(fā)生器。因D-D和D-T反應在較低的氘束流能量條件下有高的核反應截面，用低能高壓型加速器即可實現(xiàn)較高的中子產(chǎn)額，有利于中子源的小型化。綜合幾十年的研究和發(fā)展歷程，可將中子發(fā)生器分為強流中子發(fā)生器、密封中子管和緊湊型中子發(fā)生器等類型。

強流中子發(fā)生器一般采用高壓型加速器，將幾十mA的D束流加速到300～600 keV，轟擊大面積旋轉(zhuǎn)氚鈦(TiT)或氘鈦(TiD)靶發(fā)生聚變反應放出快中子。早在20世紀八九十年代，美國的RTNS-Ⅱ[1]和俄羅斯的SNEG-13中子發(fā)生器[2]的D-T中子產(chǎn)額已達到1013s-1水平，日本、德國的D-T中子發(fā)生器中子產(chǎn)額也達到了(4～6)×1012s-1量級。蘭州大學在20世紀八十年代末也成功研制了國內(nèi)第一臺D-T中子產(chǎn)額達3×1012s-1的強流中子發(fā)生器[3]。近年來中國科學院核能安全研究所也發(fā)展了一臺D-T中子產(chǎn)額達到1012s-1量級的中子發(fā)生器。強流中子發(fā)生器追求高中子產(chǎn)額，但其體積較大，通常固定安裝于實驗室內(nèi)，主要用于開展快中子物理及快中子應用技術(shù)領域的基礎研究[4-7]。從長期運行及應用來看，因受TiT吸附靶所能承受的束流功率的限制，強流中子發(fā)生器的D-T中子產(chǎn)額保持在1012s-1量級更有利于長期穩(wěn)定運行并開展中子物理研究。

密封中子管是一種真空封裝的微型中子發(fā)生器，研制于20世紀五六十年代[8]，法國、美國等研制的密封中子管已達到了較高的水平，D-T中子產(chǎn)額最高可達1010s-1，壽命可大于1 000 h。國內(nèi)密封中子管的研制和單位主要有中國工程物理研究院、西京學院、東北師范大學、中國原子能科學研究院等[9-11]，但國內(nèi)所開發(fā)的密封中子管中子產(chǎn)額相對偏低，且使用壽命只有200～300 h左右，提高密封中子管的使用壽命仍是需要解決的關鍵問題。密封中子管最成功的應用領域為石油測井，近年來也用于其他中子應用技術(shù)方面的研究，但因中子管微結(jié)構(gòu)的限制，中子產(chǎn)額偏低，壽命短，無法完全滿足對中子產(chǎn)額要求較高的中子照相、中子活化分析、核燃料棒235U富集度及均勻性檢測等的需求。

近年來一種有別于密封中子管結(jié)構(gòu)、能拆卸和方便維修，且中子產(chǎn)額更高的緊湊型中子發(fā)生器得到了廣泛研究和快速發(fā)展。美國已開發(fā)了多種型號的緊湊型強流中子發(fā)生器[12-13]，其高功率同軸緊湊型中子發(fā)生器的D-D中子產(chǎn)額達到了1011s-1，代表了世界最高水平。國內(nèi)中國原子能科學研究院研制了中子產(chǎn)額大于107s-1的D-D緊湊型中子發(fā)生器[14]，中國工程物理研究院也開展了緊湊型中子發(fā)生器的研制工作[15]，蘭州大學成功研制了D-D中子產(chǎn)額大于108s-1的自注入靶緊湊型中子發(fā)生器[16-17]。為滿足基于可控中子源的小型化中子應用技術(shù)系統(tǒng)，進一步提高緊湊型中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額仍是追求目標。

蘭州大學中子應用技術(shù)教育部工程研究中心在前期研究的基礎上，正在研發(fā)中子產(chǎn)額更高的新一代強流中子發(fā)生器，目標是建立先進的快中子物理及中子應用技術(shù)基礎研究實驗平臺。此外，正在不斷推進緊湊型中子發(fā)生器的研制和技術(shù)提升，目標是替代同位素中子源，為各種小型化中子應用技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)奠定可控強中子源技術(shù)。本文將對相關研究進展進行總結(jié)，并展望相關計劃及應用前景。

1 強流中子發(fā)生器

1.1 ZF-400強流中子發(fā)生器研制進展

蘭州大學先前研制的ZF-300強流中子發(fā)生器采用了雙等離子體離子源，在30 mA氘混合束和能量300 keV下，最高D-T中子產(chǎn)額達到了3×1012s-1水平[3]，但雙等離子體離子源的束流D單原子離子比偏低，限制了中子產(chǎn)額的提高。后續(xù)的分析束線改造和運行測試表明，采用D單原子分析束不僅可提高中子產(chǎn)額，而且可有效提高靶壽命[18]。

正在研制的ZF-400強流中子發(fā)生器采用單原子離子比更高的強流電子回旋共振(ECR)離子源和前分析方案[19-21]，利用400 kV倍壓式高壓電源提供主加速電場[22]，分析后的D單原子離子束經(jīng)加速管加速并聚焦到靶上，靶上D束流束斑直徑為20 mm。為提高靶所能承受的束流功率，將采用磁流體真空密封大面積水冷旋轉(zhuǎn)靶方案,靶片直徑202 mm，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。ZF-400中子發(fā)生器的關鍵設計指標如表1所列，其束流線總體設計方案如圖1所示。

表1 ZF-400中子發(fā)生器設計指標Table 1 Designed parameter of ZF-400 neutron generator

目前，已完成強流ECR離子源及束流前分析系統(tǒng)[19,23]、高壓電源[22]、強流加速管、磁流體真空密封大面積水冷旋轉(zhuǎn)靶等關鍵部件的研制和測試，并完成了總體裝配和束流空載下的真空及高壓調(diào)試，其總體裝配實物照片如圖2所示。另外，在完成氚靶使用許可申請的基礎上，正在致力于大面積TiT靶的加工與制備，預計2022年11月完成TiT靶制備，2023年實現(xiàn)D-T快中子出束調(diào)試。

圖1 ZF-400強流中子發(fā)生器束流線方案Fig.1 Layout of beam line of ZF-400 neutron generator

圖2 ZF-400強流中子發(fā)生器總體安裝照片F(xiàn)ig.2 Installation layout of ZF-400 neutron generator

1.2 強流中子發(fā)生器應用展望

1) 活化法中子核數(shù)據(jù)測量

D-D/D-T強流中子發(fā)生器的特點是可產(chǎn)生約2.5 MeV和14.5 MeV的準單能快中子，且具有較高的中子源強度，是開展快中子物理和快中子反應核數(shù)據(jù)測量理想的小型加速器中子源。其中，基于強流中子發(fā)生器并采用活化法是實現(xiàn)核素快中子反應截面實驗測量的重要途徑，該方法具有測量數(shù)據(jù)準確性好和精度高等優(yōu)點。蘭州大學基于前期研制的ZF-300強流中子發(fā)生器實驗平臺，建設了低本底γ譜儀實驗室，已完成了70余個核素、300多個反應道的反應截面測量，為核數(shù)據(jù)的實驗測量和評價奠定了基礎[24-27]，近年來仍在持續(xù)開展實驗測量研究[28-29]。ZF-400強流中子發(fā)生器平臺建設的目標之一是為截面更小的反應道核數(shù)據(jù)測量提供中子源支持。

2) 裂變物理與裂變核數(shù)據(jù)研究

近年來，隨著快中子增殖反應堆、釷基熔鹽反應堆、加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(ADS)工程等新核能系統(tǒng)的研發(fā)，對中子誘發(fā)238U、232Th等可裂變核素及其他錒系核素的裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)提出了迫切需求。目前的現(xiàn)狀是數(shù)據(jù)庫中上述核素的裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)少且存在分歧、實驗測量困難、裂變理論不完備，這些不足也是導致計算數(shù)據(jù)精度不高和裂變產(chǎn)物評價核數(shù)據(jù)不足的主要原因。因此，進一步推動裂變理論及裂變產(chǎn)物計算方法研究，同時發(fā)展實驗測量方法，理論和實驗相結(jié)合以促進裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)研究是當務之急。

基于理論研究和數(shù)據(jù)計算需求，蘭州大學課題組在考慮殼效應和對效應的基礎上，發(fā)展了一種裂變核斷點處裂變驅(qū)動勢模型(potential-driving model)，即將裂變核在斷裂點時刻的驅(qū)動勢分布用對稱裂變勢和非對稱裂變勢之和來描述[30-32]：

D=Usym(Af)+Uasym(Af)=D(Asym)·

(1)

基于potential-driving model構(gòu)建了用于初級碎片質(zhì)量數(shù)分布的計算方程，即：

(2)

其中，C為歸一化常數(shù)，對于二分核裂變，初級碎片總的產(chǎn)額應為200%，因此，C可用下式計算：

(3)

其中：T(AFN)為裂變核的激發(fā)能；ω(En,AFN,ZFN)為對稱和非對稱裂變勢分布對初級碎片質(zhì)量數(shù)分布貢獻的比重，可表達為，

(4)

其中：Ppeak-to-valley為初級碎片質(zhì)量數(shù)分布的峰谷比值(函數(shù))，通?？赏ㄟ^對實驗數(shù)據(jù)的分析、擬合后用e指數(shù)的函數(shù)來表達；En為入射中子能量。

基于所發(fā)展的裂變驅(qū)動勢模型和裂變產(chǎn)物計算方法，開展了中子誘發(fā)典型錒系核素(232Th、235U、238U、237Np、239Pu等)裂變的發(fā)射中子前裂變碎片質(zhì)量分布計算[30-34]，與現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)和庫數(shù)據(jù)的對比顯示，potential-driving model計算結(jié)果顯著優(yōu)于GEF、TALYS和PYF程序的計算數(shù)據(jù)[35-36]。圖3為典型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較。為進一步驗證potential-driving model對裂變后物理過程描述的普適性，將勢驅(qū)動模型植入Geant4程序替換其原模型(Geant4 fission model)，通過模擬中子誘發(fā)典型錒系核素(232Th、233U、235U、238U等)發(fā)射中子后的物理過程，計算裂變獨立產(chǎn)額、累積產(chǎn)額。結(jié)果表明，計算數(shù)據(jù)能較好地與實驗數(shù)據(jù)及庫數(shù)據(jù)符合，展現(xiàn)了較好的核素適應性和較寬的中子能區(qū)適應性[30]?？傮w上，potential-driving model能較好地描述中子誘發(fā)裂變核在斷點時刻的裂變驅(qū)動勢分布特征，并能高精度定量計算發(fā)射中子前裂變碎片的質(zhì)量分布，與Geant4程序結(jié)合后，能準確描述裂變后物理過程并計算相關裂變物理量。目前，已基于此模型發(fā)展封裝了專用計算程序，為裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)的計算提供了一種新途徑。只需輸入核素的A和Z、入射中子能量參數(shù)，即可計算得到發(fā)射中子前裂變產(chǎn)物的質(zhì)量分布和電荷分布，計算程序的入射中子能量適應范圍為0.5～160 MeV。

盡管potential-driving model能較好地計算裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)，但該模型無法對裂變核斷點前的物理過程進行有效描述。為描述中子誘發(fā)裂變核斷點前的物理過程并開展裂變動力學研究，國際上已發(fā)展了基于宏觀-微觀理論的五維位能曲面模型和基于唯象理論的無規(guī)頸斷裂模型等，并開展了大量相關研究[38-40]，為裂變動力學研究和裂變碎片分布計算提供了有效途徑。國內(nèi)北京大學樊鐵栓團隊近年來系統(tǒng)開展了中子誘發(fā)錒系核素裂變的宏觀-微觀理論研究和勢能曲面的計算研究[41-43]，并發(fā)展了多模式裂變路徑搜索算法，在此基礎上實現(xiàn)了中子誘發(fā)典型錒系核素裂變后裂變碎片質(zhì)量分布和電荷分布的計算，得到了與實驗數(shù)據(jù)符合較好的研究結(jié)果[44]。

圖3 中子誘發(fā)232Th和238U裂變發(fā)射中子前裂變碎片質(zhì)量分布典型數(shù)據(jù)對比Fig.3 Pre-neutron emission fission-fragment mass distribution for neutron-induced 232Th and 238U fission

蘭州大學課題組在前人研究的基礎上，依據(jù)形變核廣義Lawrence形狀描述，建立了五維勢能曲面模型，在計算形變核勢能曲面演變過程的基礎上，發(fā)展了基于降水算法的最優(yōu)裂變路徑搜索算法，在確定斷點形變核關鍵參數(shù)基礎上，結(jié)合無規(guī)頸斷裂模型，實現(xiàn)了裂變產(chǎn)物分布的計算，得到了與實驗數(shù)據(jù)符合較好的研究結(jié)果[45]，相關研究還在進一步完善推進中。將potential-driving model和五維勢能曲面模型相結(jié)合，試圖發(fā)展闡述裂變?nèi)锢磉^程、普適度較高的理論與高精度計算方法。

圖4 TFGIC探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of TFGIC detector

在裂變理論和裂變產(chǎn)物及物理量計算方法研究的同時，還致力于發(fā)展裂變產(chǎn)物實驗測量方法，開展裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)實驗測量。實驗與理論相結(jié)合，是開展裂變物理及裂變核數(shù)據(jù)研究的基礎性重要步驟。多年來國際上已發(fā)展了多種裂變產(chǎn)物測量方法，并獲得了精度較高的中子誘發(fā)典型錒系核素裂變產(chǎn)物質(zhì)量分布數(shù)據(jù)[46-49]，國內(nèi)中國原子能科學研究院在裂變產(chǎn)物實驗測量方面也開展了卓有成效的研究[50-51]。蘭州大學課題組在前人研究的基礎上，正在發(fā)展用于裂變碎片測量的雙屏柵電離室(TFGIC)探測器系統(tǒng)[52]。TFGIC電極組成如圖4所示，由2個陽極、2個柵極和1個陰極組成，裂變靶安放在柵極中心位置，電極對稱安裝并封裝成電離室探測器，內(nèi)充流氣式P10(90%Ar+10%C4H10)工作氣體。當中子由垂直于靶面方向入射至位于陰極的裂變靶上時，發(fā)生裂變核反應并生成2個裂變碎片(FF1和FF2)，具有較高動能的2個裂變碎片從裂變靶中射出，與探測器內(nèi)的工作氣體相互作用產(chǎn)生電子-離子對，在探測器內(nèi)部電場作用下，電子向柵極漂移，并在柵極和陰極上形成脈沖信號；當電子穿越柵極，進入柵極與陽極之間的空間后，將會在陽極上形成脈沖信號。

TFGIC探測器陽極輸出信號幅度與裂變碎片動能之間的關系可用以下方程[53]描述：

i=1,2

(5)

(6)

目前，已完成TFGIC探測器的能量刻度、能量分辨率、柵極非屏蔽因子等實驗測試，完成了裂變碎片在靶中能損修正方法研究，并發(fā)展了裂變碎片質(zhì)量的反演迭代算法等工作，相關細節(jié)參見文獻[52]。需要強調(diào)的是，為同時測量2個關聯(lián)碎片信息并盡可能降低碎片在靶中的能損，TFGIC探測器需采用厚度約0.4 μm的超薄裂變靶，即入射單位中子引起的裂變反應率很低，故實驗要求要有高的入射中子注量率，ZF-400強流中子發(fā)生器，可為該實驗測量提供高注量率快中子束。

2 緊湊型中子發(fā)生器

2.1 緊湊型中子發(fā)生器研制進展

在國家重大科學儀器開發(fā)專項的支持下，蘭州大學已成功研制了緊湊型中子發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，由中子發(fā)生器主體、電源及控制測量集成柜、工控機、冷卻循環(huán)機等4部分組成[16-17,54]。緊湊型中子發(fā)生器的主體結(jié)構(gòu)如圖6所示，外型尺寸長小于1 000 mm，外徑234 mm，由雙等離子源系統(tǒng)、離子束引出加速及靶系統(tǒng)、高壓接頭、真空腔和真空泵等部分裝配而成，兩端法蘭可打開，可方便更換靶片和其他元件，以提高中子發(fā)生器的使用壽命、降低使用成本。圓筒形中子發(fā)生器外殼接地，有良好的高壓安全性。中子發(fā)生器由一臺工控機實現(xiàn)計算機控制，控制軟件界面友好、易操作，且具有數(shù)據(jù)庫功能，可保存運行歷史記錄。

圖5 緊湊型中子發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)[40]Fig.5 Overall structure of compact neutron generator[40]

圖6 緊湊型中子發(fā)生器主體裝配示意圖Fig.6 Assembly drawing of compact neutron generator

緊湊型中子發(fā)生器靶上D束流強度為1～10 mA，D束流能量為120～150 keV，束斑直徑約為12 mm(靶點痕跡測量值)，在采用鉬金屬自注入靶條件下，可實現(xiàn)D-D模式下的長時間運行，D-D中子產(chǎn)額可大于5×108s-1，靶壽命大于8 000 h。圖7為約150 min的 D-D中子產(chǎn)額的典型測量數(shù)據(jù)，采用EJ-410(ZnS:Ag)閃爍體探測器實現(xiàn)D-D中子產(chǎn)額監(jiān)測，測量時將EJ-410探測器置于90°方向，其對D-D中子的探測效率約為1.71%(為伴隨粒子系統(tǒng)的刻度數(shù)據(jù))，同時考慮了D-D中子源的各向異性修正，詳細的測量方法參見文獻[17,54]。圖7中前30 min顯示了鉬靶的自注入效應，30 min后自注入飽和，中子產(chǎn)額波動不大于3%，顯示出良好的運行穩(wěn)定性。該緊湊型中子發(fā)生器已具備產(chǎn)生D-T中子產(chǎn)額大于1010s-1量級的能力。

圖7 D-D中子產(chǎn)額隨時間的變化[17]Fig.7 D-D neutron yield as a function of operation time[17]

目前蘭州大學已完成3套緊湊型D-D中子發(fā)生研制任務，其中2套已提供用戶使用。另外，將緊湊型中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額再提升一個量級的升級工程正在實施中，主要開展三方面攻關，即研制D單原子離子比更高的內(nèi)置天線RF離子源，將D束流能量提高到200 keV，同時優(yōu)化靶冷卻結(jié)構(gòu)，使靶上承受束流功率大于1 kW。目前，升級工程進展順利，預計2022年年底調(diào)試達到指標。

2.2 緊湊型中子發(fā)生器應用展望

所開發(fā)的緊湊型中子發(fā)生器可在D-D和D-T兩種模式下運行，在D-D和自注入靶運行模式下，不使用氚靶，有更好的輻射安全性和低的運行成本，其D-D中子產(chǎn)額已完全滿足在線中子活化分析的需要。另外，緊湊型中子發(fā)生器的研制也為小型化中子照相、核燃料棒235U富集度及均勻性檢測等中子應用技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)奠定了可控中子源基礎。

1) 基于緊湊型中子發(fā)生器的中子照相系統(tǒng)

基于緊湊型D-T中子發(fā)生器可以開發(fā)小型化快中子照相系統(tǒng)，為此蘭州大學已開展了快中子照相準直屏蔽體設計及中子束特性模擬研究[55]，圖8為快中子照相準直屏蔽體設計結(jié)構(gòu)，圖9為準直快中子束在樣品平面上相對于單位源中子的中子注量分布。由圖9可知，在距離準直孔出口16 cm的樣品平面上直徑14 cm視野范圍，準直中子束的中子注量不均勻度不大于5%，在D-T中子產(chǎn)額達到2×1010s-1時，樣品平面上中子注量率可大于105cm-2·s-1的水平，可滿足快中子照相的要求。

圖8 快中子照相準直屏蔽體設計結(jié)構(gòu)[41]Fig.8 Design of beam-shaping-assembly for fast neutron radiography[41]

圖9 樣品平面相對中子注量分布[41]Fig.9 Distribution of relative neutron flux on sample plane[41]

此外，已研制了一套基于微通道板+熒光屏+CCD相機的數(shù)字化快中子像探測器[56-57]，并開展了快中子照相的實驗測試研究[58]。測試時使用中國原子能科學研究院600 keV中子發(fā)生器和快中子準直器，中子發(fā)生器靶點到快中子準直器出口的距離約為1 500 mm，經(jīng)伴隨粒子D-T中子產(chǎn)額測量系統(tǒng)監(jiān)測，物平面上快中子平均注量率約為3.3×104cm-2·s-1。在上述條件下，像探測器在約5 min時間范圍內(nèi)可成1幅圖像，顯示出較快的成像速度。圖10為厚度為40 mm的不同材料樣品的D-T中子透射照相原始照片，可見快中子照相對材料有一定的識別能力。圖11a為厚度為5 mm的不銹鋼板圓孔樣品成像原始照片，綜合分析圖像空間分辨率約為500 μm。利用局部大津閾值法對視野區(qū)域進行二值化處理將圓孔圖像與背景圖像分離，成功識別了7個圓孔圖像，結(jié)果如圖11b所示(局部放大圖)。計算顯示，識別后編號為2、3、4、5、7的圖像面積大于圓孔實際面積，相對偏差在18%～38%；編號為6的圖像面積明顯小于孔徑為0.5 mm的圓孔實際面積，相對偏差約為-19%，主要原因可能是此圓孔尺寸已超出探測器的空間分辨能力；編號為1的圖像面積顯著小于孔徑為1 mm的圓孔實際面積，相對偏差達約-56%，其原因可能是此孔位置處于準直束和探測器邊緣，準直中子束注量的不均勻性及擺放位置不正等因素所致。

圖10 不同材料快中子透射照相照片[44]Fig.10 Fast neutron transmission image of different materials[44]

前期研究顯示，基于緊湊型D-T中子發(fā)生器有望發(fā)展小型化透射式快中子照相系統(tǒng)，同時，發(fā)展基于緊湊型D-T中子發(fā)生器的伴隨粒子符合成像系統(tǒng)也是值得攻關的課題。另外，基于緊湊型D-D中子發(fā)生器還可以發(fā)展小型化熱中子照相系統(tǒng)。初步的模擬設計表明，在D-D中子產(chǎn)額大于1010s-1條件下，有望獲得熱中子注量率大于104cm-2·s-1的慢化準直束，故進一步提高D-D中子產(chǎn)額是需要攻關的課題。

圖11 不銹鋼板圓孔樣品快中子成像照片[44]Fig.11 Fast neutron image of stainless steel plate with circular hole[44]

2) 基于D-D緊湊型中子發(fā)生器的核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)

核燃料棒235U富集度及均勻性檢測是核燃料元件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，主要有無源被動法和有源主動法兩種檢測方式[59-60]。無源被動法是通過測量235U的α衰變伴隨放出的特征γ射線強度來確定235U富集度，其優(yōu)點是不需要中子源，安全且成本低，缺點是檢測速度慢，且需要眾多γ探測器，探測器的性能一致性控制難，會對檢測準確性產(chǎn)生影響，因此基于252Cf中子源的主動法檢測系統(tǒng)仍是生產(chǎn)線上采用的主要方式[60]。有源主動法檢測系統(tǒng)面臨的主要問題是，252Cf中子源半衰期短，需要定期補充。美國是252Cf的主要生產(chǎn)國家，受美國限購影響，貨源不足，價格飛漲，已成為“卡脖子”問題。

圖12 基于緊湊型D-D中子發(fā)生器的核燃料棒 235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)方案[61]Fig.12 Layout of 235U enrichment and uniformity detection system in nuclear fuel rod based on compact D-D neutron generator[61]

蘭州大學課題組提出了采用緊湊型D-D中子發(fā)生器可控中子源替代252Cf中子源，研發(fā)核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)的設想，并開展了系統(tǒng)的物理設計及可行性研究。圖12為基于緊湊型D-D中子發(fā)生器的核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)的設計方案，即在中子發(fā)生器周圍填充聚乙烯(PE)作為中子慢化體和反射體，并在PE慢化體中沿軸向開圓形孔道，用作燃料棒輸運孔道，D-D中子經(jīng)慢化后可在孔道中產(chǎn)生較高通量的熱中子，當核燃料棒通過孔道時，熱中子誘發(fā)燃料棒中的235U裂變產(chǎn)生裂變碎片，在孔道后端安裝γ探測器，通過測量裂變碎片發(fā)出的γ射線強度即可實現(xiàn)235U富集度及均勻性檢測。

圖13 不同D-D中子產(chǎn)額下γ計數(shù) 隨235U富集度增長的變化趨勢[47] Fig.13 γ-ray count as a function of 235U enrichment under different D-D neutron yields[47]

采用蒙特卡羅模擬方法開展了235U富集度與γ探測器計數(shù)相關性的模擬研究，模擬時設定燃料棒傳輸速度為7 m/min，γ探測器的測量時間為0.34 s。圖13為不同D-D中子產(chǎn)額下γ計數(shù)隨235U富集度增長的變化趨勢。由圖13可看出,D-D中子產(chǎn)額大于5×108s-1時，γ計數(shù)與235U富集度之間可以保持較好的線性關系，線性相關系數(shù)R2>0.992，對核燃料棒中10%的235U富集度相對變化的檢測置信度可達99%。

緊湊型D-D中子發(fā)生器是可維修維護的可控中子源，具有使用壽命長、運行成本低、安全性高等優(yōu)點，只要在系統(tǒng)中安裝一個D-D產(chǎn)額探測器動態(tài)檢測中子產(chǎn)額的波動，并對γ計數(shù)進行歸一，即可實現(xiàn)235U富集度的檢測。基于緊湊型D-D中子發(fā)生器的核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)的研發(fā)，有望解決252Cf中子源缺乏問題。

3 總結(jié)

在前期ZF-300強流中子發(fā)生器成功研制并應用的基礎上，蘭州大學正在研制一臺中子產(chǎn)額更高的ZF-400強流中子發(fā)生器，其目的是為活化法快中子核反應數(shù)據(jù)測量、裂變物理研究及裂變核數(shù)據(jù)測量等中子物理研究提供強快中子源。同時，還可為中子活化分析、中子照相、中子輻射生物學效應及輻照育種、半導體快中子輻照效應及抗輻射加工等中子應用技術(shù)研究提供先進的實驗平臺。

針對密封中子管壽命偏短且中子產(chǎn)額偏低、252Cf同位素中子源貨源緊缺，無法完全滿足各種小型化中子應用技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)需要的現(xiàn)狀，蘭州大學成功研制了緊湊型中子發(fā)生器，在自注入靶條件下，D-D中子產(chǎn)額可達5×108s-1，已具備D-T中子產(chǎn)額大于1010s-1的潛力。緊湊型中子發(fā)生器的研制成功為各種小型化中子應用技術(shù)研發(fā)奠定了可控中子源基礎，目前將緊湊型中子發(fā)生器中子產(chǎn)額再提高1個量級的升級工作正在實施中?；诰o湊型中子發(fā)生器，蘭州大學啟動了小型化快中子照相系統(tǒng)的研發(fā)，并已完成了D-T快中子照相的初步實驗測試，有望發(fā)展有應用價值的照相系統(tǒng)。另外，蘭州大學也啟動了基于緊湊型D-D中子發(fā)生器的核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)研發(fā)，初步的物理設計表明，當D-D中子產(chǎn)額大于5×108s-1時即可達到較理想的檢測效果，有望解決252Cf中子源缺乏問題。