可逆比熱容法測(cè)量高中子注量率

楊銅鎖,朱慶福,史永謙,辛督強(qiáng),喬 碩,王 璠,魯 謹(jǐn),彭 旦,張建祥,*

(1.西京學(xué)院 陜西省可控中子源工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710123;2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所,北京 102413)

目前,直接測(cè)量高中子注量率一直難于實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外測(cè)量中子注量率絕對(duì)值的基本方法是核裂變徑跡法和核激活法中的4πβ-γ符合方法。這兩種方法測(cè)量中子注量率的范圍不同,但均不能測(cè)量太高的中子注量率絕對(duì)值[1-2]。中子活化方法主要是受被活化材料半衰期的限制:半衰期短的活化材料在高中子注量率輻照下很快達(dá)到飽和活性,得不到計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)要求;半衰期長(zhǎng)的活化材料在高中子注量率輻照下,雖不會(huì)達(dá)到飽和活性,但計(jì)數(shù)太強(qiáng),很難修正。因此在測(cè)量高中子注量率時(shí),通常采用的方法是在反應(yīng)堆低功率下用中子活化方法測(cè)出中子注量率的絕對(duì)值,然后利用功率與中子注量率呈正比的關(guān)系,外推到高功率情況下的高中子注量率。微型中子源反應(yīng)堆用低功率下測(cè)量出的中子注量率求出單位功率的平均中子注量率,然后給出高功率時(shí)對(duì)應(yīng)的中子注量率[2]。在核電站中,用于監(jiān)督功率量程的電離室是通過過渡方法間接給出電流與功率的關(guān)系。到目前為止,還沒有一種方法能夠直接測(cè)量高中子注量率的絕對(duì)值。

微熱分析儀器可以測(cè)量由于某些原因而導(dǎo)致的物質(zhì)材料熱性質(zhì)的微小變化,通過測(cè)量這些微小變化可追溯其變化的原因,進(jìn)而可測(cè)量中子注量率[3-4]。隨著微熱分析儀器和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,微熱測(cè)量技術(shù)測(cè)量中子注量率成為可能。楊銅鎖等[5]利用調(diào)制差示掃描量熱(MDSC)法測(cè)量了受中子輻照過的含硼樣品可逆比熱容變化量,進(jìn)而得到中子注量率,證明了用這種方法測(cè)量高中子注量率的可行性,并指出其應(yīng)用前景。

熱中子輻照含硼樣品材料,樣品中的硼元素與熱中子發(fā)生核反應(yīng),即1個(gè)中子與硼核發(fā)生10B(n,α)7Li反應(yīng),其反應(yīng)過程為n+10B→11B→4He+7Li+γ(0.478 MeV),該反應(yīng)Q值為2.79 MeV。反應(yīng)截面在熱能處為3.84×10-21cm2,熱能以上至1 keV按1/v(v為速度)規(guī)律變化。這些具有動(dòng)能的反應(yīng)產(chǎn)物4He、7Li、γ在含硼介質(zhì)中運(yùn)動(dòng),將能量傳遞給介質(zhì)分子形成徑跡。這些徑跡破壞了物質(zhì)的原有結(jié)構(gòu),引起其熱學(xué)量的變化。中子注量越多,形成徑跡越多,熱學(xué)量改變?cè)斤@著。

本文研究直接測(cè)量可逆比熱容變化量得到高中子注量率的方法,并對(duì)中國(guó)先進(jìn)研究堆(CARR)的高中子注量率進(jìn)行測(cè)量。

1 兩種微熱測(cè)量技術(shù)的比較

微熱測(cè)量技術(shù)分為差示掃描量熱(DSC)法和MDSC法兩種。DSC法是測(cè)量試樣的熱流量和參比物的熱流量之差或功率之差與溫度或時(shí)間之間關(guān)系的一種測(cè)量技術(shù)[3-4],MDSC法是在DSC法基礎(chǔ)上疊加了1個(gè)正弦振蕩溫度程序,將總熱流量分解為可逆熱流成分和不可逆熱流成分(動(dòng)力學(xué)成分),與其相對(duì)應(yīng)的比熱容也分解為可逆比熱容和不可逆比熱容成分,同時(shí)具有較高的靈敏度和分辨率[5-11]。

由于所測(cè)量的試樣,在人為干涉之前可能自然界某種原因使其熱學(xué)量發(fā)生了變化,形成了固有的熱歷史,因此在分析人為干涉后的試樣時(shí),必須消除固有的熱歷史成分才能得到正確的人為干涉的定量熱學(xué)量變化。傳統(tǒng)方法是通過硼晶體材料受中子輻照后,測(cè)量熱性質(zhì)的變化來得到輻照時(shí)的中子注量率,一般采用的是DSC法,這種方法需要某些轉(zhuǎn)換計(jì)算消除熱歷史的本底,消除熱歷史本底時(shí)會(huì)帶來測(cè)量誤差。MDSC法不用消除熱歷史而直接測(cè)量可逆比熱容等熱學(xué)量,防止了由于消除熱歷史本底的方法不恰當(dāng)而引起的實(shí)驗(yàn)誤差,且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接由測(cè)量給出,不需要轉(zhuǎn)換計(jì)算[6,11]。更為重要的是MDSC法是將DSC法的1條曲線分解為兩條曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究,顯然就一般熱學(xué)量測(cè)量法而言MDSC法測(cè)量效果要明顯優(yōu)于DSC法[5,11]。因此本文對(duì)MDSC法測(cè)量高中子注量率的方法進(jìn)行研究。

2 可逆比熱容法測(cè)量中子注量率原理與方法

2.1 原理

當(dāng)中子輻照硼晶體時(shí),生成具有動(dòng)能的7Li與α離子,其在硼晶體中移動(dòng)過程中將能量傳遞給周圍的硼原子并停止于硼晶體中,這個(gè)核反應(yīng)與輻照的中子注量率有關(guān),當(dāng)將輻照后的硼晶體退火時(shí),消失的能量就以熱的形式釋放出來,用微熱測(cè)量技術(shù)測(cè)量可逆比熱容熱參數(shù)就可得到輻照時(shí)的中子注量率。

2.2 方法

測(cè)量方法分為兩步:1) 對(duì)硼晶體樣品在已知的中子場(chǎng)中進(jìn)行輻照,用MDSC法測(cè)量輻照后硼晶體的可逆比熱容變化量,從而得到可逆比熱容變化量與中子注量率的定量依賴關(guān)系,即用已知的中子場(chǎng)對(duì)含硼晶體樣品(中子探測(cè)器)進(jìn)行可逆比熱容刻度;2) 利用與刻度時(shí)相同的含硼晶體(或稱為高中子注量率探測(cè)器)對(duì)高中子注量率場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,即對(duì)未輻照的硼晶體樣品在高中子注量率場(chǎng)中進(jìn)行輻照,用MDSC法測(cè)量其可逆比熱容變化量,然后由可逆比熱容變化量與中子注量率的定量刻度關(guān)系,求得高中子注量率。

硼晶體樣品刻度是在中國(guó)原子能科學(xué)研究院微型中子源核反應(yīng)堆(簡(jiǎn)稱微堆)上進(jìn)行的,微堆的中子注量率標(biāo)定是由國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站給出。

中子輻照硼晶體時(shí),微堆的中子注量率為5×1011cm-2·s-1。樣品為硼晶體顆粒,粒度主要為10～20 μm,純度為99.9%。中子輻照時(shí)間分別為0、32、48、64、80和96 h,這樣輻照后的樣品受到中子輻照注量分別為0、5.76×1016、8.64×1016、11.52×1016、14.40×1016和17.28×1016cm-2,這些樣品編號(hào)依次為1、2、3、4、5、6。中子輻照后樣品退火時(shí)用美國(guó)TA公司制造的Q2000差示掃描量熱儀測(cè)量其可逆比熱容變化量。

為了降低退火時(shí)取樣質(zhì)量、樣品在儀器中樣品支持器上的位置差異、坩堝質(zhì)量差異、樣品均勻性等隨機(jī)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,每個(gè)編號(hào)的硼晶體分4個(gè)以上5 mg左右樣品為1組進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)樣品退火時(shí)掃描得到可逆比熱容曲線,對(duì)曲線積分得到可逆比熱容變化量。測(cè)量過程中積分溫度的上、下限為42 ℃和125 ℃,為降低積分限取值不準(zhǔn)確的誤差,進(jìn)行多次積分取平均值。這樣每個(gè)編號(hào)的輻照后樣品就有4個(gè)以上測(cè)量數(shù)據(jù)。退火測(cè)量時(shí)選用的坩堝質(zhì)量均在5 mg左右,樣品質(zhì)量在5 mg左右,保護(hù)氣體為氮?dú)?以樣品4為例,測(cè)量得到的可逆比熱容變化量列于表1(全文中保留5位有效數(shù)字)。在數(shù)據(jù)處理時(shí),設(shè)負(fù)值為吸熱,正值為放熱。1個(gè)樣品僅掃描1次,圖1給出樣品4的掃描曲線(溫度范圍為35～135 ℃)。

表1 樣品4的可逆比熱容變化量測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement result of reversible specific heat capacity change of sample 4

圖1 樣品4的掃描曲線Fig.1 Scanning curve of sample 4

對(duì)其余樣品均按照樣品4測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果列于表2。對(duì)表2中的中子輻照注量和可逆比熱容變化量的關(guān)系進(jìn)行線性擬合,所得擬合曲線如圖2所示。

由圖2得到擬合方程為:

y=0.075 7x+3.474 9R2=0.997 1

(1)

此方程即為在已知中子場(chǎng)對(duì)中子注量探測(cè)器(硼晶體)刻度的方程。

2.3 中子場(chǎng)注量率測(cè)量方法討論

本文得到中子注量探測(cè)器的刻度方程,原則上就可用未輻照硼晶體樣品作為中子探測(cè)器對(duì)待測(cè)中子輻照?qǐng)龅淖⒘窟M(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,但需要注意以下問題。

1) 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

通過大量實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)證明本文研究所選用的樣品在同一實(shí)驗(yàn)條件下、對(duì)同一試樣進(jìn)行多次測(cè)量重復(fù)性很好,這是選用該樣品利用熱分析法測(cè)量反應(yīng)堆高中子注量率的基礎(chǔ)。

表2 6個(gè)樣品的可逆比熱容變化量測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement result of reversible specific heat capacity change of 6 different samples

圖2 中子輻照注量與可逆比熱容變化量關(guān)系擬合曲線Fig.2 Fitting curve of neutron fluence and reversible specific heat capacity change

從測(cè)量原理而言,刻度中子場(chǎng)(微堆)和被測(cè)量中子場(chǎng)的中子能譜、輻照環(huán)境等條件要接近一致。本文選擇測(cè)量CARR熱柱的中子注量率作為測(cè)量對(duì)象,就是因?yàn)樗闹凶幽茏V和輻照環(huán)境等與微堆基本相近,因此可用刻度過的硼晶體樣品來測(cè)量CARR熱柱的中子注量率。如果所測(cè)注量率的中子場(chǎng)與微堆能譜不同,需對(duì)能譜進(jìn)行修正。

2) 刻度方程

編號(hào)為1、2、3、4、5、6的樣品在微堆的中子輻照時(shí)間依次為0、32、48、64、80和96 h,用微熱測(cè)量技術(shù)測(cè)得可逆比熱容變化量依次為3.444 0、3.935 1、4.150 1、4.355 2、4.577 0和4.750 1 J/g,在此范圍內(nèi)得到中子注量與比熱容變化量有良好的線性關(guān)系。

3) 待測(cè)中子場(chǎng)的測(cè)量范圍

由擬合過程可知,中子注量在5.76×1016～1.44×1017cm-2范圍內(nèi)式(1)測(cè)量結(jié)果是可靠的。若將輻照時(shí)間控制為3 600 s,則待測(cè)中子場(chǎng)中子注量率在1.6×1013～4×1013cm-2·s-1范圍內(nèi)測(cè)量結(jié)果是可靠的,基本可滿足CARR中子注量率測(cè)量的要求。若將式(1)的擬合曲線向兩端延伸可測(cè)量更大范圍的中子注量率。利用Q2000差示掃描量熱儀測(cè)量熱學(xué)量時(shí)只注重取4位有效數(shù)字,其數(shù)量級(jí)可根據(jù)測(cè)量需求自動(dòng)增加,該儀器常用來測(cè)量炸藥和火箭燃料燃燒值。根據(jù)式(1)熱學(xué)量對(duì)應(yīng)的中子注量率遠(yuǎn)超過目前已知中子場(chǎng)的中子注量率,表明本文研究方法可直接測(cè)量高中子注量率。

3 CARR中子注量率測(cè)量

精確測(cè)量高中子注量率一直是反應(yīng)堆物理界面臨的難題。本文提出的測(cè)量高中子注量率方法不存在超出測(cè)量?jī)x器量程問題,樣品受中子輻照注量越多可逆比熱容變化量越大,測(cè)量中子高注量率的相對(duì)誤差越小。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院的CARR是一座高性能、多用途、安全可靠的核反應(yīng)堆裝置,其中子注量率高,無法直接測(cè)量。目前,CARR的高中子注量率測(cè)量方法是在反應(yīng)堆低功率時(shí)測(cè)量相應(yīng)的中子注量率,根據(jù)反應(yīng)堆功率與中子注量率線性關(guān)系外推,得到反應(yīng)堆額定功率時(shí)的高中子注量率。本文利用可逆比熱容法對(duì)其在額定功率下對(duì)中子注量率進(jìn)行直接測(cè)量,具體方法如下。

將與在微堆中刻度相同的未輻照硼晶體樣品放入CARR的12#垂直孔道4個(gè)不同標(biāo)高位置進(jìn)行中子輻照,12#垂直孔道的相關(guān)測(cè)量參數(shù)列于表3。表3中的中子注量率為參考值,是由反應(yīng)堆低功率時(shí)所測(cè)的中子注量率外推得到。

表3 12#垂直孔道的相關(guān)測(cè)量參數(shù)Table 3 Relevant measurement parameter of 12# vertical channel

將樣品輻照10 833 s后從12#垂直孔道取出,對(duì)輻照樣品進(jìn)行退火,用MDSC法測(cè)量其可逆比熱容變化量,然后計(jì)算出中子注量率,具體過程如下:1) 同一編號(hào)樣品分為幾個(gè)不同質(zhì)量的試樣,分別掃描測(cè)量它們的可逆比熱容變化量,然后對(duì)其求平均值,即式(1)中的y;2) 將所測(cè)可逆比熱容變化量代入式(1)求出中子注量;3) 由中子輻照時(shí)間計(jì)算出CARR輻照樣品時(shí)的中子注量率;4) 將計(jì)算出的中子注量率與表3中所列參考值進(jìn)行對(duì)比,給出與參考值的相對(duì)偏差。表4列出CARR輻照樣品的測(cè)量結(jié)果。

表4 CARR輻照樣品的測(cè)量結(jié)果Table 4 Measurement result of irradiated sample by CARR

從表4可見,所測(cè)量的中子注量率與參考值均在3%左右符合,證明可逆比熱容法可直接測(cè)量高中子注量率。

4 機(jī)理探討

由于中子與硼原子核發(fā)生核反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物7Li與α離子在硼晶體材料中移動(dòng),將能量傳遞給周圍的硼原子后自身停止于硼晶體中,會(huì)對(duì)晶體晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。用X衍射測(cè)量硼晶體在中子輻照前后的晶格結(jié)構(gòu),如圖3所示。由圖3可見,樣品受輻照前后X射線衍射角和強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化,表明晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,因此大注量中子輻照能夠改變硼晶體的晶格結(jié)構(gòu)。硼晶體的晶格結(jié)構(gòu)變化引起了可逆比熱容變化,因此測(cè)量硼晶體在中子輻照后的可逆比熱容變化量就可計(jì)算得到中子注量率。

圖3 中子輻照前后的X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction pattern before and after neutron irradiation

5 討論

用可逆比熱容法測(cè)量高中子注量率不是測(cè)量中子與核發(fā)生反應(yīng)后的次級(jí)帶電粒子,而是測(cè)量熱學(xué)量變化,因此具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 本文方法屬于積分測(cè)量法,不受半衰期的限制,因此能直接測(cè)量反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部的中子注量率。

2) 受輻照樣品體積小、質(zhì)量輕、適用面寬。

3) 本文方法操作簡(jiǎn)便,直接測(cè)量中子與靶樣品作用后的可逆比熱容變化量,與徑跡探測(cè)器測(cè)量中子注量率比較,不需要化學(xué)蝕刻和計(jì)數(shù)徑跡數(shù)目,測(cè)量速度快。

4) 本文方法可在強(qiáng)γ場(chǎng)和β射線存在的環(huán)境下測(cè)量中子。

本文方法可開展核電站與壓力殼鋼的中子輻照性能研究[12],將受輻照樣品制作成任意形狀,粘貼在壓力殼鋼上進(jìn)行長(zhǎng)期中子輻照,可對(duì)反應(yīng)堆孔道、堆芯部件等高注量、強(qiáng)輻照、空間狹小部位的中子注量率直接測(cè)量,提高了測(cè)量精度,簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟。本文方法可用于大型反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)部件的積分注量監(jiān)測(cè),對(duì)于大型反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料中子輻照損傷、構(gòu)件的老化管理、研究堆輻照生產(chǎn)、功率刻度等諸多方面研究均有重要意義。