堆用中子探測器校驗裝置設計

郭翔博，鐘 軍，楊毓樞，任 敏，程 瑛，漆明森

（中國核動力研究設計院，成都 610005）

0 引言

反應堆核測儀表用中子探測器是反應堆核測量系統中的關鍵部件，在反應堆安全運行中起至關重要的作用。目前，對于此類探測器沒有相應的校準規范和校準設備，無法進行量值傳遞，只能通過數值計算及相應的試驗來進行刻度，其測量值的準確性沒有保障。為了解決這一問題，希望建立一套能用于核測儀表中子探測器校驗及校準的裝置，解決核測儀表中子探測器的量值溯源問題。

1 裝置組成原理

1.1 裝置設計原理

堆用核測系統所采用的中子探測器分為BF3正比計數器、補償電離及裂變電離室3 類[1]。這3 類中子探測器所采用的靈敏物質10B 及235U 與中子的作用截面隨中子能量增加而迅速減小。為了增加探測器的響應，應合理設計，盡量提高低能中子注量率。

從安全角度出發，本次采用不動源型的裝置方案。不動源型裝置指中子源位置不動，通過改變屏蔽層、快門等方式，改變裝置工作狀態。采用在慢化體內制作校驗孔道的方式，縮短探測器與中子源之間的距離，提高在所需校驗中子探測器靈敏體積范圍內的平均中子注量率。通過準直孔和慢化孔的方式，引出外部中子輻射場，可用來對防護用中子儀器進行校驗。圖1 為裝置示意圖，裝置由中子源、慢化屏蔽體、快門、支架及相應的自動控制系統組成。裝置通過快門方式引出中子束，快門移動，可增加引出口位置的慢化體厚度，從而改變引出口的中子注量率及能譜分布。其中，關鍵的設計參數為中子引出孔的直徑及慢化體厚度。

1.2 中子源及慢化體材料選擇

核素中子源種類很多，選擇核素中子源的主要依據是中子源的中子發射率、中子能譜、半衰期、放射源的價格，伴隨光子劑量及其對裝置設計復雜性的影響等。從中子產額來說，選擇252Cf 源是最合適的，但從建造校驗裝置的角度，252Cf 衰變太快，裝置維護困難。經過比較，結合裝置實際使用維護情況，決定選用241Am-Be 中子源來產生中子。241Am-Be 中子源的中子發射率及產生單位中子價格都比較適中，產生的γ 照射量率很低（在107s-1中子發射率情況下），可大大降低設計裝置的復雜程度。

對于241Am-Be 中子源來說，其平均能量為4.4MeV，能量大于6MeV 的中子份額約為16%。采用鉛作為增強材料與高密度聚乙烯分層組合進行慢化，得到的峰熱中子注量率的增強因子在1 ～1.5 之間[2]，這對于探測器的校驗來說，并沒有明顯的幫助。而采用這種組合慢化后，裝置的結構變得復雜，裝置重量顯著增加。因此，綜合考慮，決定采用純聚乙烯材料對中子進行慢化。

2 裝置具體參數確定

校驗裝置中慢化體厚度、引出孔道孔徑等因素對得到輻射場的中子注量率及其能譜存在很大影響。為確定裝置各部分的參數，需要進行相應計算。計算內容包括引出孔道孔徑大小對引出輻射場的影響；校驗慢中子引出孔道慢化體厚度與平均中子注量率的關系等。

2.1 計算模型建立

為了確定上述參數，本文采用MCNP4C 程序進行計算。計算模型如圖1 所示。中子源近似為直徑30mm、高60mm的圓柱體，源包殼為316 號不銹鋼。假設源中子在活性區內均勻發射，出射方向為各向同性的，初始能量依據文獻[2]表A.4 進行抽樣。聚乙烯(C2H4)n 的密度為0.94g/cm3，碳氫比為1:2。校驗裝置孔道、中子引出孔道填充物質為干燥空氣，密度0.001205g/cm3，主要元素所占質量比為：C 0.01%，N 75.53%，O 23.18%，Ar 1.28%。計算過程中，忽略了快門支架和殼體等材料的影響。

2.2 中子引出孔道孔徑確定

當快中子引出孔道正對中子源時，在裝置外部得到經準直的快中子輻射。改變引出孔道的孔徑，引出快中子場的中子注量率及其能譜也會發生變化。計算得到快中子引出場的中子注量率變化與引出孔道孔徑關系如圖2 所示。

從圖2 中可以看到，當孔道半徑小于5cm 時，引出中子注量率隨孔道半徑增大而增大；當孔道半徑大于5cm 時，引出中子注量率隨孔道半徑增大而急劇減小。因此，快中子引出孔道半徑選擇為5cm，此時中子注量率最大。

圖1 校驗裝置示意圖Fig.1 Calibration device

圖2 快中子注量率隨引出孔道孔徑的變化曲線Fig.2 Fast neutron fluence as a function of the diameter of lead-out aperture

在引出孔道半徑為5cm 情況下，快中子引出孔道軸線上各處中子注量率分布及其能譜變化如圖3、圖4 所示。由圖可知，在快中子引出軸線上，中子注量率隨著距離增加而減小；其中，中能中子（10keV ～100keV）注量率變化不大，高能中子注量率降低明顯。原因在于，距離增加使得中子注量率降低的同時，高能中子經孔道壁及空氣散射，能量降低，從而使中能中子注量率保持平衡。

2.3 慢中子引出孔道慢化體厚度確定

圖3 快中子注量率隨距離變化曲線Fig.3 Fast neutron fluence as a function of the distance

圖4 快中子能譜隨距離變化關系Fig.4 Fast neutron spectrum as a function of the distance

當慢化孔道正對中子源時，中子源發射中子先經慢化孔道內的慢化體慢化，然后通過孔道準直后引出，形成外部中子輻射場。改變慢化體厚度，可以改變引出中子場的注量率及能譜分布。圖5 為引出中子場隨慢化體厚度變化規律。

由圖5、圖6 可知，引出熱中子場的中子注量率隨慢化體厚度增加而減小。在慢化體厚度小于5cm 時，熱中子所占份額隨慢化體厚度增加而增加；當慢化體厚度大于7cm 時，熱中子所占份額隨慢化體厚度增加而減小。在慢化體厚度為5cm ～7cm 時，熱中子所占份額最大。因此，綜合考慮選擇慢化體厚度為5cm。此時，慢化孔道軸線上各點中子注量率能譜分布如圖7 所示。

計算結果顯示，非工作狀態下距裝置5cm 位置最大劑量率為21.1μSv/h，符合GB18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》要求。

圖6 鎘下中子所占份額隨慢化體厚度變化曲線Fig.6 The proportions of Cd-coverded neutron fluence as a function of the moderator thickness

圖7 慢中子能譜隨距離變化關系Fig.7 Slow neutron spectrum as a function of the distance

3 結論

通過計算，確定堆用中子探測器校驗裝置中子引出孔道的孔徑為5cm，慢化體厚度為5cm。對裝置屏蔽性能進行計算，結果顯示，距裝置表面5cm 處最大劑量率為21.1μSv/h，符合標準要求。