49—2堆孔道快中子注量率的測定

王一唯+張亞東+郭玥

【摘要】本文采用2種方法對49-2堆堆芯活性區(qū)H8孔道的快中子注量率進行測定，一種是先測定H8干孔道中的中子能譜，然后按譜型累積快中子注量率，另一種方法是用平均截面，快中子譜用瓦特譜的方法來計算快中子注量率。結(jié)果表明，H8孔道的快中子注量率為1.97× 1013/cm2·s（>0.1MeV）和1.05×1013/cm2·s （>1MeV）。通過本次測定，為49-2堆的科研輻照項目提供了更好的試驗依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】49-2堆 H8孔道 快中子注量率

一、實驗背景

49-2堆始建于1959年，1964年12月20日達到臨界，1965年3月開始大功率運行，至今已安全運行50余年。是我國自行設(shè)計、建造、安裝、調(diào)試的第一座反應(yīng)堆，設(shè)計額定功率為3.5MW，加強功率為5MW。50余年的運行歷程中，49-2堆為我國國防工業(yè)發(fā)展、核能開發(fā)研究、核技術(shù)應(yīng)用、人才培養(yǎng)等方面做出了重大歷史性的貢獻。

49-2堆是游泳池型、輕水慢化和冷卻、鈹和石墨作為反射層的多用途的工程材料試驗堆。堆芯活性區(qū)布置見圖1.

其中H8孔道是49-2堆活性區(qū)快中子注量率較高的輻照孔道，一般科研輻照項目會選取這個孔道。為了得到準確的H8孔道的快中子通量密度值，為輻照的快中子注量計算提供準確依據(jù)，進行了此次測量。

二、實驗原理

這次快中子注量率的測量使用了兩種方法：一種是先測定H8干孔道中的中子能譜，然后按譜型累積快中子注量率；另一種方法是用平均截面，快中子譜用瓦特譜的方法來計算快中子注量率。

測量快中子能譜的方法是多箔活化法。通常采用某些閾能反應(yīng)，如（n，α）、（n，p）、（n，2n）、（n，f）、（n，n'）反應(yīng)等。閾活化法的優(yōu)點是：箔片體積小，對中子場的擾動比較小；對γ射線不靈敏；測量設(shè)備簡單。

活化方程：

這便表示出放射性活度和中子能譜之間的關(guān)系。在實驗中為了消去Ф常用多種箔片在同樣的條件下受中子照射，測出它們的飽和活性比或飽和計數(shù)率比，然后由此出發(fā)求出中子譜。

飽和活性比是：

在實驗測量中都有近似法來求解 ，常用的是利用SAND-Ⅱ程序來解譜。如果利用瓦特譜作為快中子能譜的話，只需要知道某個反應(yīng)道的平均截面，就可以通過測量得到的單核飽和活度計算出快中子注量率。

此次測量的H8孔道是活性區(qū)內(nèi)的孔道，并且測量的是ф55mm的干孔道，所以快中子能譜的譜型變化不大，可以按瓦特譜來計算。

由于在測量時H8孔道內(nèi)裝載輻照裝置，所以使用相對法進行了測量，即先測量出H4干孔道內(nèi)的快中子注量率，然后根據(jù)H4孔道和H8孔道的相對快中子注量率比值來求得H8干孔道的快中子注量率。在試驗裝置出堆后對H8干孔道的軸向相對快中子通量密度進行了補測。

H4干孔道和H8干孔道的快中子能譜認為是一樣的。

三、實驗過程

本次實驗的過程如下：

探測片的準備、稱重。本次測量使用了In-Al合金、純Cu、塑料Fe片、Ni-Mn合金、純Ti和純Al共6種片，利用的反應(yīng)道有：

， ， ， ，

， ， ， ，

探測片的組裝。把截面小，閾能大的探測片布置在外側(cè)，閾能小的探測片布置在中間，這樣可以減小探測片之間的互屏。把探測片按順序裝入鎘盒。把鎘盒裝入吊蘭。一般情況，對薄探測片不考慮互屏和自屏。

四、實驗結(jié)果

探測片的稱重、活度測量結(jié)果及單核活度計算值如下表1。

飽和活度的計算是把短時間照射的探測片活度修正到無限時間照射后的探測片活度，這樣既消除了從停止照射到測量時間內(nèi)活化片的衰變影響，也便于進行解譜計算。

把快中子能譜認為是瓦特譜來計算H4干孔道的快中子注量率：

用Al片計算：（1500kW）

用In片計算：

即滿功率與探測片的照射功率比是1.8，這樣推得滿功率時H4孔道的快中子通量密度如下：

用Al片計算：（3500kW）

Ф（>1MeV）=8.1×1012/cm2·s

用In片計算：

Ф（>1MeV）=9.054×1012/cm2·s

用解譜的方法計算H4干孔道的快中子注量率：

由測量得到的所有核素的單核飽和活度，利用SAND-Ⅱ程序進行解譜，得到照射條件下的大于1MeV的快中子注量率是5.09×1012/cm2·s，所以滿功率情況下的大于1MeV的快中子注量率是9.162× 1012/cm2·s。

H8孔道軸向相對快中子注量率測量結(jié)果

相對快中子注量率測量的探測片布置高度、探測片質(zhì)量、探測片活度值及相對的軸向分布列于表2及圖2。相對快中子注量率是以H8干孔道中間高度（250mm處）作為歸一點的，在計算相對值時考慮了探測片的質(zhì)量差別，對其進行了修正。

五、實驗結(jié)果分析

從實驗結(jié)果看，用解譜方法計算得到快中子注量率大于用銦片測得的快中子注量率，用銦片測得的快中子注量率大于用鋁片測得的快中子注量率。這是合理的，因為孔道中的快中子能譜是經(jīng)過一定慢化的。 反應(yīng)的閾能比 的高，所以用鋁探測片得到的快中子注量率低。因為 反應(yīng)的閾能在0.4MeV左右，所以用銦探測片的平均截面得到的快中子注量率只是稍低于用解譜方法得到的快中子注量率。通過上面的分析，可以認為滿功率情況下H4孔道大于1MeV的快中子注量率為9.162×1012/cm2·s是準確的。

用MCNP程序計算了H4干孔道和H8干孔道的快中子注量率的相對值，H8干孔道的快中子注量率是H4孔道的1.148倍。H8干孔道內(nèi)大于0.1MeV的快中子注量率是大于1MeV的快中子注量率的1.88倍。所以，H8干孔道的快中子注量率如表3。

誤差分析：本次實驗的誤差主要來自測量誤差、程序計算誤差和開堆的功率誤差。由于SAND-Ⅱ的迭代解譜法可以減少由活度測量得到的誤差，所以本次實驗得到的快中子注量率的誤差主要來自開堆功率誤差。開堆功率誤差一般是小于5%的，所以可以把5%作為這次實驗快中子測量值的誤差。

參考文獻：

[1]史永謙.核反應(yīng)堆中子學(xué)實驗技術(shù).北京：中國原子能出版社.

[2]張亞東，等.49-2游泳池反應(yīng)堆（追溯性）安全分析報告.

[3]謝仲生，等.核反應(yīng)堆物理分析.北京：原子能出版社.