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14MeV中子与贫铀聚乙烯球壳装置作用的铀反应率研究

严小松  
【摘要】:为校验聚变-裂变混合型次临界能源堆的概念设计,检验用于概念设计的中子学模拟计算程序及相应截面数据库的可靠性,建立了贫铀/聚乙烯交替球壳装置,采用活化法开展14MeV中子积分学实验,测量装置中的238U(n,γ)反应率、238U(n,f)反应率、235U(n,f)反应率、238U(n,2n)反应率以及装置的俘获裂变比等重要的中子积分反应率特性。并用国际上广泛应用的MCNP5程序在多种常用数据库下进行了模拟计算,对计算结果和实验结果进行了比较,采用各反应率的计算值/实验值(C/E)表征模拟计算与实验测量的符合情况。 参考次临界能源堆概念设计,建立了3套贫铀/聚乙烯交替球壳装置,第一套装置由配套的3层贫铀球壳与2层聚乙烯球壳交替安装构成,第二套装置通过在第一套装置外安装一层聚乙烯球壳组成,第三套装置在第二套装置内安装一层聚乙烯球壳构成。实验采用D-T中子源,通过伴随α粒子法实时监测14MeV中子产额,贫铀活化片置于实验装置内与入射D离子束成90。的方向上的测量管道中活化,活化后用HPGe探测器测量各反应产生的相应的特征γ射线,测量在14MeV中子与贫化铀/聚乙烯球壳装置作用的的多种铀反应率特性。实验时,采用与贫铀活化片半径相同的243Am源完成HPGe探测器对各特征γ射线的探测效率的刻度,并结合最小二乘拟合方法测量了各特征γ射线在贫铀片内的衰减,实现了活化片对特征γ射线的自吸收修正。用MCNP5程序进行自吸收修正的模拟计算,结果表明:在贫铀片厚度小于0.02cm时,计算与实验结果的最大偏差在1%以内。 在三套装置上,用HPGe探测器测量活化贫铀片中发生238U(n,γ)反应后衰变产生的239Np发射的277.6keVγ,射线峰计数,最后得到球壳装置的238U(n,γ)反应率的径向分布,其相对不确定度为3.5%-3.7%,并计算得到三套装置的造钚率分别为2.24、2.77和2.53。用MCNP5程序在常用ENDF数据库下进行了模拟计算,在第一套装置中238U(n,γ)反应率的比较结果表明,各数据库间的计算结果之间偏差较小,且与实验结果总体在5%以内符合,计算C/E的平均值,在0.98~1.00间。在最常用的ENDF66c数据库下,三套装置的C/E平均值分别为1.00、1.05和1.08,有随着聚乙烯层数增多而增大的趋势。 同时,在第二套实验装置中开展238U(n,f)反应率、235U(n,f)反应率、238U(n,2n)反应率以及装置的俘获裂变比等其他重要的中子积分反应率特性的测量。通过测量238U和235U裂变反应产生的裂变碎片143Ce衰变产生的293.3keVγ射线峰计数,得到球壳装置重238U(n,f)和235U(n,f)反应率的径向分布,其相对不确定度为5.1%-6.9%,在ENDF66c数据库下,裂变反应率的C/E的平均值为1.05;通过测量238U(n,2n)反应生成的237U衰变产生的208keV γ射线峰计数,得到第一层贫铀球壳中238U(n,2n)反应率的径向分布,其相对不确定度为5.3%-6.0%,在ENDF66c数据库下,238U(n,2n)反应率的C/E的平均值为1.05;用238U的俘获反应数除以238U和235U总的裂变反应数计算得到装置中俘获裂变比的径向分布,其相对不确定度为3.5%-5.7%,在ENDF66c数据库下,俘获裂变比的C/E的平均值为1.00。


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