可逆比热容法测量高中子注量率

杨铜锁,朱庆福,史永谦,辛督强,乔 硕,王 璠,鲁 谨,彭 旦,张建祥,*

(1.西京学院 陕西省可控中子源工程技术研究中心,陕西 西安 710123;2.中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所,北京 102413)

目前,直接测量高中子注量率一直难于实现。国内外测量中子注量率绝对值的基本方法是核裂变径迹法和核激活法中的4πβ-γ符合方法。这两种方法测量中子注量率的范围不同,但均不能测量太高的中子注量率绝对值[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辐照下很快达到饱和活性,得不到计数的统计要求;半衰期长的活化材料在高中子注量率辐照下,虽不会达到饱和活性,但计数太强,很难修正。因此在测量高中子注量率时,通常采用的方法是在反应堆低功率下用中子活化方法测出中子注量率的绝对值,然后利用功率与中子注量率呈正比的关系,外推到高功率情况下的高中子注量率。微型中子源反应堆用低功率下测量出的中子注量率求出单位功率的平均中子注量率,然后给出高功率时对应的中子注量率[2]。在核电站中,用于监督功率量程的电离室是通过过渡方法间接给出电流与功率的关系。到目前为止,还没有一种方法能够直接测量高中子注量率的绝对值。

微热分析仪器可以测量由于某些原因而导致的物质材料热性质的微小变化,通过测量这些微小变化可追溯其变化的原因,进而可测量中子注量率[3-4]。随着微热分析仪器和测量技术的发展,微热测量技术测量中子注量率成为可能。杨铜锁等[5]利用调制差示扫描量热(MDSC)法测量了受中子辐照过的含硼样品可逆比热容变化量,进而得到中子注量率,证明了用这种方法测量高中子注量率的可行性,并指出其应用前景。

热中子辐照含硼样品材料,样品中的硼元素与热中子发生核反应,即1个中子与硼核发生10B(n,α)7Li反应,其反应过程为n+10B→11B→4He+7Li+γ(0.478 MeV),该反应Q值为2.79 MeV。反应截面在热能处为3.84×10-21cm2,热能以上至1 keV按1/v(v为速度)规律变化。这些具有动能的反应产物4He、7Li、γ在含硼介质中运动,将能量传递给介质分子形成径迹。这些径迹破坏了物质的原有结构,引起其热学量的变化。中子注量越多,形成径迹越多,热学量改变越显著。

本文研究直接测量可逆比热容变化量得到高中子注量率的方法,并对中国先进研究堆(CARR)的高中子注量率进行测量。

1 两种微热测量技术的比较

微热测量技术分为差示扫描量热(DSC)法和MDSC法两种。DSC法是测量试样的热流量和参比物的热流量之差或功率之差与温度或时间之间关系的一种测量技术[3-4],MDSC法是在DSC法基础上叠加了1个正弦振荡温度程序,将总热流量分解为可逆热流成分和不可逆热流成分(动力学成分),与其相对应的比热容也分解为可逆比热容和不可逆比热容成分,同时具有较高的灵敏度和分辨率[5-11]。

由于所测量的试样,在人为干涉之前可能自然界某种原因使其热学量发生了变化,形成了固有的热历史,因此在分析人为干涉后的试样时,必须消除固有的热历史成分才能得到正确的人为干涉的定量热学量变化。传统方法是通过硼晶体材料受中子辐照后,测量热性质的变化来得到辐照时的中子注量率,一般采用的是DSC法,这种方法需要某些转换计算消除热历史的本底,消除热历史本底时会带来测量误差。MDSC法不用消除热历史而直接测量可逆比热容等热学量,防止了由于消除热历史本底的方法不恰当而引起的实验误差,且实验数据直接由测量给出,不需要转换计算[6,11]。更为重要的是MDSC法是将DSC法的1条曲线分解为两条曲线对实验结果进行分析研究,显然就一般热学量测量法而言MDSC法测量效果要明显优于DSC法[5,11]。因此本文对MDSC法测量高中子注量率的方法进行研究。

2 可逆比热容法测量中子注量率原理与方法

2.1 原理

当中子辐照硼晶体时,生成具有动能的7Li与α离子,其在硼晶体中移动过程中将能量传递给周围的硼原子并停止于硼晶体中,这个核反应与辐照的中子注量率有关,当将辐照后的硼晶体退火时,消失的能量就以热的形式释放出来,用微热测量技术测量可逆比热容热参数就可得到辐照时的中子注量率。

2.2 方法

测量方法分为两步:1) 对硼晶体样品在已知的中子场中进行辐照,用MDSC法测量辐照后硼晶体的可逆比热容变化量,从而得到可逆比热容变化量与中子注量率的定量依赖关系,即用已知的中子场对含硼晶体样品(中子探测器)进行可逆比热容刻度;2) 利用与刻度时相同的含硼晶体(或称为高中子注量率探测器)对高中子注量率场进行测量,即对未辐照的硼晶体样品在高中子注量率场中进行辐照,用MDSC法测量其可逆比热容变化量,然后由可逆比热容变化量与中子注量率的定量刻度关系,求得高中子注量率。

硼晶体样品刻度是在中国原子能科学研究院微型中子源核反应堆(简称微堆)上进行的,微堆的中子注量率标定是由国防科技工业电离辐射一级计量站给出。

中子辐照硼晶体时,微堆的中子注量率为5×1011cm-2·s-1。样品为硼晶体颗粒,粒度主要为10～20 μm,纯度为99.9%。中子辐照时间分别为0、32、48、64、80和96 h,这样辐照后的样品受到中子辐照注量分别为0、5.76×1016、8.64×1016、11.52×1016、14.40×1016和17.28×1016cm-2,这些样品编号依次为1、2、3、4、5、6。中子辐照后样品退火时用美国TA公司制造的Q2000差示扫描量热仪测量其可逆比热容变化量。

为了降低退火时取样质量、样品在仪器中样品支持器上的位置差异、坩埚质量差异、样品均匀性等随机因素对测量结果的影响,每个编号的硼晶体分4个以上5 mg左右样品为1组进行测量,每个样品退火时扫描得到可逆比热容曲线,对曲线积分得到可逆比热容变化量。测量过程中积分温度的上、下限为42 ℃和125 ℃,为降低积分限取值不准确的误差,进行多次积分取平均值。这样每个编号的辐照后样品就有4个以上测量数据。退火测量时选用的坩埚质量均在5 mg左右,样品质量在5 mg左右,保护气体为氮气,以样品4为例,测量得到的可逆比热容变化量列于表1(全文中保留5位有效数字)。在数据处理时,设负值为吸热,正值为放热。1个样品仅扫描1次,图1给出样品4的扫描曲线(温度范围为35～135 ℃)。

表1 样品4的可逆比热容变化量测量结果Table 1 Measurement result of reversible specific heat capacity change of sample 4

图1 样品4的扫描曲线Fig.1 Scanning curve of sample 4

对其余样品均按照样品4测量方法进行测量,结果列于表2。对表2中的中子辐照注量和可逆比热容变化量的关系进行线性拟合,所得拟合曲线如图2所示。

由图2得到拟合方程为:

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

(1)

此方程即为在已知中子场对中子注量探测器(硼晶体)刻度的方程。

2.3 中子场注量率测量方法讨论

本文得到中子注量探测器的刻度方程,原则上就可用未辐照硼晶体样品作为中子探测器对待测中子辐照场的注量进行实验测量,但需要注意以下问题。

1) 实验基础

通过大量实验曲线和数据证明本文研究所选用的样品在同一实验条件下、对同一试样进行多次测量重复性很好,这是选用该样品利用热分析法测量反应堆高中子注量率的基础。

表2 6个样品的可逆比热容变化量测量结果Table 2 Measurement result of reversible specific heat capacity change of 6 different samples

图2 中子辐照注量与可逆比热容变化量关系拟合曲线Fig.2 Fitting curve of neutron fluence and reversible specific heat capacity change

从测量原理而言,刻度中子场(微堆)和被测量中子场的中子能谱、辐照环境等条件要接近一致。本文选择测量CARR热柱的中子注量率作为测量对象,就是因为它的中子能谱和辐照环境等与微堆基本相近,因此可用刻度过的硼晶体样品来测量CARR热柱的中子注量率。如果所测注量率的中子场与微堆能谱不同,需对能谱进行修正。

2) 刻度方程

编号为1、2、3、4、5、6的样品在微堆的中子辐照时间依次为0、32、48、64、80和96 h,用微热测量技术测得可逆比热容变化量依次为3.444 0、3.935 1、4.150 1、4.355 2、4.577 0和4.750 1 J/g,在此范围内得到中子注量与比热容变化量有良好的线性关系。

3) 待测中子场的测量范围

由拟合过程可知,中子注量在5.76×1016～1.44×1017cm-2范围内式(1)测量结果是可靠的。若将辐照时间控制为3 600 s,则待测中子场中子注量率在1.6×1013～4×1013cm-2·s-1范围内测量结果是可靠的,基本可满足CARR中子注量率测量的要求。若将式(1)的拟合曲线向两端延伸可测量更大范围的中子注量率。利用Q2000差示扫描量热仪测量热学量时只注重取4位有效数字,其数量级可根据测量需求自动增加,该仪器常用来测量炸药和火箭燃料燃烧值。根据式(1)热学量对应的中子注量率远超过目前已知中子场的中子注量率,表明本文研究方法可直接测量高中子注量率。

3 CARR中子注量率测量

精确测量高中子注量率一直是反应堆物理界面临的难题。本文提出的测量高中子注量率方法不存在超出测量仪器量程问题,样品受中子辐照注量越多可逆比热容变化量越大,测量中子高注量率的相对误差越小。

中国原子能科学研究院的CARR是一座高性能、多用途、安全可靠的核反应堆装置,其中子注量率高,无法直接测量。目前,CARR的高中子注量率测量方法是在反应堆低功率时测量相应的中子注量率,根据反应堆功率与中子注量率线性关系外推,得到反应堆额定功率时的高中子注量率。本文利用可逆比热容法对其在额定功率下对中子注量率进行直接测量,具体方法如下。

将与在微堆中刻度相同的未辐照硼晶体样品放入CARR的12#垂直孔道4个不同标高位置进行中子辐照,12#垂直孔道的相关测量参数列于表3。表3中的中子注量率为参考值,是由反应堆低功率时所测的中子注量率外推得到。

表3 12#垂直孔道的相关测量参数Table 3 Relevant measurement parameter of 12# vertical channel

将样品辐照10 833 s后从12#垂直孔道取出,对辐照样品进行退火,用MDSC法测量其可逆比热容变化量,然后计算出中子注量率,具体过程如下:1) 同一编号样品分为几个不同质量的试样,分别扫描测量它们的可逆比热容变化量,然后对其求平均值,即式(1)中的y;2) 将所测可逆比热容变化量代入式(1)求出中子注量;3) 由中子辐照时间计算出CARR辐照样品时的中子注量率;4) 将计算出的中子注量率与表3中所列参考值进行对比,给出与参考值的相对偏差。表4列出CARR辐照样品的测量结果。

表4 CARR辐照样品的测量结果Table 4 Measurement result of irradiated sample by CARR

从表4可见,所测量的中子注量率与参考值均在3%左右符合,证明可逆比热容法可直接测量高中子注量率。

4 机理探讨

由于中子与硼原子核发生核反应,反应产物7Li与α离子在硼晶体材料中移动,将能量传递给周围的硼原子后自身停止于硼晶体中,会对晶体晶格结构产生影响。用X衍射测量硼晶体在中子辐照前后的晶格结构,如图3所示。由图3可见,样品受辐照前后X射线衍射角和强度发生了明显变化,表明晶体结构发生了变化,因此大注量中子辐照能够改变硼晶体的晶格结构。硼晶体的晶格结构变化引起了可逆比热容变化,因此测量硼晶体在中子辐照后的可逆比热容变化量就可计算得到中子注量率。

图3 中子辐照前后的X射线衍射图Fig.3 X-ray diffraction pattern before and after neutron irradiation

5 讨论

用可逆比热容法测量高中子注量率不是测量中子与核发生反应后的次级带电粒子,而是测量热学量变化,因此具有以下优点。

1) 本文方法属于积分测量法,不受半衰期的限制,因此能直接测量反应堆堆芯内部的中子注量率。

2) 受辐照样品体积小、质量轻、适用面宽。

3) 本文方法操作简便,直接测量中子与靶样品作用后的可逆比热容变化量,与径迹探测器测量中子注量率比较,不需要化学蚀刻和计数径迹数目,测量速度快。

4) 本文方法可在强γ场和β射线存在的环境下测量中子。

本文方法可开展核电站与压力壳钢的中子辐照性能研究[12],将受辐照样品制作成任意形状,粘贴在压力壳钢上进行长期中子辐照,可对反应堆孔道、堆芯部件等高注量、强辐照、空间狭小部位的中子注量率直接测量,提高了测量精度,简化了实验步骤。本文方法可用于大型反应堆结构部件的积分注量监测,对于大型反应堆结构材料中子辐照损伤、构件的老化管理、研究堆辐照生产、功率刻度等诸多方面研究均有重要意义。