中国散裂中子源多功能反射谱仪屏蔽设计及ADS中子学研究

【摘要】：多功能反射谱仪是中国散裂中子源(CSNS)上首批建设的谱仪之一,多功能反射谱仪屏蔽体的物理设计是工程化设计的重要依据。本论文工作的第一部分是利用MCNPX2.5.0蒙特卡罗模拟程序,通过中子和光子输运的模拟,完成中国散裂中子源多功能反射谱仪屏蔽体的物理设计。 通过包含散裂靶-慢化器-反射体模型的中子输运蒙卡模拟,得到了反射谱仪入口处的中子能谱,由此构建了反射谱仪入射中子源项MCNP模型,同时,为了弥补因MCNPX2.5.0程序未考虑冷、热中子的反射所造成的对辐射源项强度低估的缺陷,采用中子光学模拟程序Vitess模拟了反射谱仪中子导管沿途的冷、热中子中子强度和能谱,并作为源项加入到模拟模型中。CSNS多功能反射谱仪体系庞大,如不采取减方差技巧,将无法通过MCNP模拟得到可靠的结果,故采用球形屏蔽几何模型的模拟检验,确定了MCNP模拟中合理的减方差方法。 1)建立了多功能反射谱仪中子导管和中子传输段屏蔽几何及材料模型,完成了中子传输线部分的中子光子输运模拟,给出了辐射剂量的空间分布,由此确定了多功能反射谱仪中子传输段屏蔽的物理设计；2)建立了反射谱仪第二中子开关的几何和材料模型,给出了第二中子开关关闭时辐射剂量的空间分布,由此确定了多功能反射谱仪第二中子开关的物理设计；3)建立了反射谱仪散射室屏蔽体的几何和材料模型,完成了反射谱仪散射室屏蔽体部分的中子光子输运模拟,给出了辐射剂量的空间分布,确定了反射谱仪散射室屏蔽的物理设计；4)通过模拟研究了小角谱仪对多功能反射谱仪屏蔽效果的影响,结果显示,小角谱仪对多功能反射谱仪屏蔽的影响较小；5)为了检验模拟设计的可靠性,采用FLUK程序模拟了距慢化器6.5m处、TO斩波器屏蔽体内不同位置处的中子能谱,并与MCNPX2.5.0模拟结果进行了对比,结果显示两者模拟数据符合较好。 通过以上模拟研究,确定了多功能反射谱仪屏蔽体的总体物理设计方案,该方案已得到了相关项目组的肯定,并应用到了谱仪屏蔽的工程设计。 加速器驱动次临界堆(Accelerator-Driven Subcritical system-ADS)被认为是嬗变长寿命超铀元素和裂变碎片的可能途径,ADS工程中的相关中子学问题是需要研究的关键课题之一。本论文的第二部分工作是采用蒙特卡洛方法,开展ADS工程相关的源质子效率、径向峰功率因子、轴向峰功率因子、能量增益等中子学问题的模拟研究。 首先根据欧洲工业级嬗变设施(EFIT)建立了次临界堆模型,按照此堆模型,建立了一个核燃料均匀填充的次临界堆模型,在散裂靶材料100%铅-铋、尺寸O20cm×40cm、质子束能量1.0GeV条件下,模拟了两种堆模型中的质子通量分布、中子能谱分布、中子通量分布,并将结果进行了比较,结果显示,两种模型下模拟数据差异不大,为了减小模拟时的CPU时间,故选择核燃料均匀填充的次临界堆模型开展ADS相关中子学模拟研究。 构建了铅-铋合金(Lead-Bismuth Eutectic-LBE)散裂靶模型和核燃料均匀填充的次临界堆模型。设定了三种散裂靶材料(分别为100%铅-铋共熔合金、LBE+40%钨[vo1%]和LBE+55%钨[vo1%])；设定了两个靶尺寸(半径分别为10cm和20cm)；设定了五个质子能量(分别为：300MeV、600MeV、1000MeV、1200MeV和1600MeV)。分别模拟了不同靶材料、不同靶尺寸、不同质子能量下的质子通量分布、中子通量分布,经分析得到了如下规律：1)计算了源质子效率(ψ*),结果显示：质子效率(ψ*)均随质子能量增加而线性地增高；100%LBE靶的质子效率比LBE+W(40%vol)靶的高近一倍,LBE+W(40%vol)靶的质子效率比LBE+W(55%vol)靶的约高25%,即靶材料中LBE比例越高,则源质子效率也越高；当靶半径从10cm增到20cm时,100%LBE靶的源质子效率降低了约20%,LBE+W(40%vol)效率降低了约30%,LBE+W(55%vol)靶效率降低了约40%,即小的靶半径可获得较高的质子效率。2)计算了径向峰功率因子,结果显示：靶半径10cm时的径向峰功率因子明显高于靶半径20cm时的径向峰功率因子；100%LBE靶的径向峰功率因子高于LBE+W(40%vol)和LBE+W(55%vol)靶；在同种靶条件下,径向峰功率因子与质子能量关系不大。3)计算了轴向峰功率因子,结果显示：靶半径10cm时的轴向峰功率因子略高于靶半径20cm时的轴向峰功率因子；100%LBE靶的轴向峰功率因子明显高于LBE+W(40%vol)和LBE+W(55%vol)靶；在同种靶条件下,轴向峰功率因子与质子能量关系不大。4)计算了能量增益(G),结果显示：靶半径10cm时的能量增益略高于靶半径20cm时的能量增益；100%LBE靶的能量增益明显高于LBE+W(40%vol)和LBE+W(55%vol)靶；在同种靶条件下,能量增益随质子能量增大显著增长。