CFBR-II堆典型辐照位置的中子能谱计算

杜金峰

(中国工程物理研究院核物理与化学研究所 绵阳 621900)

样品在中子场内的辐照效应，除取决于样品本身的材料特性及所受的中子注量(率)外，还与中子场能谱有关，中子能量不同，对被辐照物的作用效果就大不相同。因此，中子能谱是研究反应堆辐照效应的基本参量。此外，中子能谱也是在反应堆上研究堆物理、核物理及工程模拟的基础，并对检验和评价核参数有重要意义[1]。

CFBR-II堆是以浓缩铀材料为主体的椭球形快中子脉冲堆，可低功率稳态运行或高功率脉冲运行，其中子能谱近似裂变谱，是较好的实验室模拟核爆核辐射环境的装置[2]。CFBR-II堆的中子能谱测量，可用活化法和6Li夹心半导体中子谱仪法，但它们有诸多局限性：活化法精确度不高，且阈值在低能区的活化箔很少；6Li夹心半导体中子谱仪法的探测器抗辐照能力差、探测效率低，在高能区测量时存在Si的(n,p)反应引起的本底问题等。模拟计算则能方便地得到各辐照位置的中子能谱及其平均能量，可供实验设计与数据分析参考。

1 计算方法

CFBR-II堆结构过于复杂，用确定性程序计算难以实现细致的几何描述，模型误差较大，同时确定性计算程序对能群处理有限，也不便和实验测量结果相比较。因此，我们用蒙特卡罗法计算堆体的中子能谱，该方法无需数值求解输运方程，而是随机模拟源中子在堆体内发生的各种物理过程，记录各典型位置的中子通量并按能群统计归一，得到相应位置的能谱分布，其中源中子的空间、能量、方向等参数由临界计算形成的本征分布中子源抽样。

用MCNP程序[3]建立CFBR-II堆的三维计算模型。用 F5类型点探测器计数卡计算各辐照位置的中子能谱，能群划分由记数能量卡根据实际需要设定，在空间位置rv处的第g群中子通量为：

则归一化后的能谱分布为：

而平均能量为：

式中，Emax与Emin分别为中子能量的上、下限。

由式(3)，中子通量平均能量就是将该辐照位置各中子的能量以其对应的通量为权重平均，分母由F5类型点探测器计数卡给出，分子通过*F5类型点探测器计数卡计算。

2 计算结果

2.1 中子能谱计算

用MCNP程序计算CFBR-II堆各典型辐照位置的多群中子能谱。该堆典型辐照位置有去耦盒、辐照孔道及去耦罩外表面三处，其中去耦盒与辐照孔道位于中间钢托盘内，较接近堆芯，去耦罩紧贴上半球反射层外部，见图1。对去耦盒及辐照孔道，沿其轴线测量，而去耦罩位于堆体最外层，实验测量不受限制，通常选外表面斜上方45°作代表点。

图1 各典型辐照位置在堆体内的相对关系示意图 a) 中间钢托盘俯视图；b) 堆体正视图Fig.1 Relative relation of each typical radiation location in CFBR-II Reactor.a) overhead view of middle steel salver; b) front view of reactor.

表1列出去耦罩外表面斜上方45°的中子泄漏能谱计算值与活化法实验测量结果[4]和去耦盒及辐照孔道内限位置的中心中子能谱计算结果，由表1，0.05–3 MeV能区范围内，去耦罩外表面的计算值和实验值符合较好；而低能区与高能区，二者误差较大，但占的总能谱份额较小(～10%)，可忽略。去耦盒及辐照孔道中间仅隔5 mm厚不锈钢，位置较接近，因此能谱分布也较一致。

2.2 平均中子能量计算

为辐照实验时合理选取样品布放位置，进一步计算CFBR-II堆各典型辐照位置的平均中子能量随空间位置的变化关系。去耦盒与辐照孔道轴线上由内至外各点的平均中子能量计算结果见图2。去耦罩上各点的平均中子能量沿经线与纬线方向考察，其中经线所在平面与脉冲棒垂直，以上半球球心出发指向脉冲棒方向为0°方向将半个圆周等分12份；纬线选取以极角 45°形成的纬线圈，以经线平面内45°方向为起点顺时针将整个圆周等分12份，计算结果见图3。

图2 去耦盒内和辐照孔道内平均中子能量随距离变化关系Fig.2 Average energy v.s. distance in off-coupling box and irradiation channel.

由图2知，去耦盒与辐照孔道轴线上各点的平均中子能量随距离大致呈S形变化，在距内限约1 cm处平均中子能量达最大，随后迅速下降，距末端约3 cm处降至最小值，降幅～14%，此后又略有回升；去耦盒内平均中子能量整体比辐照孔道内的略偏硬，这是因为去耦盒内壁涂有10B材料，对低能中子有一定吸收作用。由图3，去耦罩上的平均中子能量沿经线大致呈馒头形变化，越靠近去耦罩底部，平均能量越低，在45°–135°间，变化较稳定；去耦罩上的平均中子能量沿纬线分布相对较平缓，波动幅度在3%以内。综合推断，去耦罩45°纬线圈到顶部较大范围内平均中子能量波动较小，是较理想的辐照区域。

图3 去耦罩上平均中子能量沿(a)经线和(b)纬线变化关系Fig.3 Different average energy along with (a) longitude and (b) woof on off-coupling cover.

3 结论

建立基于 MCNP程序的中子能谱及平均中子能量计算方法，模拟计算了CFBR-II堆典型辐照位置的中子能谱及平均中子能量随空间位置的变化关系。结果表明，各典型辐照位置的中子能谱集中分布于0.05–3 MeV(约占90%)；去耦盒与辐照孔道轴线上各点的平均中子能量随距离大致呈S形变化趋势，在这两区域做辐照效应研究时要考虑能谱分布的空间不均匀性影响；而去耦罩 45°纬线圈到顶部较大范围内平均中子能量波动较小，是较理想的辐照区域。

1 Griffin P J, Kelly J G, Luera T F. SNL RML Recommended Dosimetry Cross Section Compendium.USA: SAND92-0094·UC-713, 1993

2 杨成德, 龚书良, 邓门才. 核物理动态, 1995, 12(4):58–60 YANG Chengde, GONG Shuliang, DENG Mencai.Trends Nucl Phys, 1995, 12(4): 58–60

3 Judith F. MCNP－A General Monte Carlo N-particle Transport Code. USA: LANL LA-12625-M, 1997

4 郑 春, 吴建华, 李建胜, 等. 核动力工程, 2004, 25(1):93–95 ZHENG Chun, WU Jianhua, LI Jiansheng,et al. Nucl Power Eng, 2004, 25(1): 93–95