中子俘获瞬发伽马射线在部分核素核数据测量及其衰变纲图评价方面具有独特优势[1-7]。西安脉冲堆(XAPR)建有满足热中子注量标准和热中子标定实验的热柱孔道，该孔道从堆芯引出混合中子、伽马源，经石墨层中子慢化、铅层伽马屏蔽以及屏蔽门中心准直器的准直滤束后，引出热中子通量密度约为1.18×105cm-2·s-1的平行热中子束，其中，原热柱孔道屏蔽门中心准直器由外径17.5 cm、内径3 cm的含硼聚乙烯塞、聚乙烯塞、铁塞的复合屏蔽结构组成。随着放化诊断研究工作的深入发展，XAPR早期设计的热中子源中子强度偏低、伽马本底较高，不满足核素在线瞬发伽马数据测量以及测试诊断系统标定的要求。本文对屏蔽门中心准直器进行改造设计，以提供热中子通量密度大于4.0×105cm-2·s-1、中子伽马通量密度比值大于10且中子束流外围的中子、伽马本底剂量率满足辐射安全要求的平行热中子束，并利用热中子与核素核反应后的瞬发伽马射线来精确测量核素的基础核数据或标定测试系统，降低放化诊断基础核参数的不确定度，提高放化诊断的测量精度。

1 理论计算模型

图1示出了西安脉冲堆原热柱孔道的几何结构，该热柱孔道束流屏蔽设计属于各向异性极强的深穿透屏蔽计算问题，束流出口距堆芯372 cm，中子通量密度从堆芯输运到孔道出口约下降8个量级，且束孔直径较小，约3～4 cm，直接对堆芯、热柱、准直滤束装置等进行1次蒙特卡罗输运计算难以收敛，为解决该问题，研究建立了以下两段几何搭接的蒙特卡罗耦合计算方法。

1.1 中子、伽马平面源计算模型

中子、伽马平面源位于热柱孔道方腔前表面(图1a)，距堆芯245 cm。热柱方腔为50 cm×50 cm×50 cm的空腔或直径6.6 cm、长度50 cm的圆柱孔，其中准直热中子源采用圆柱孔的设计。本文采用蒙特卡罗程序MCNP[8]的KCODE临界源和中子-伽马耦合输运模型模拟计算热柱孔道方腔前表面处的中子、伽马平面源的空间分布、能谱分布和角分布。

热柱孔道方腔前表面的中子、伽马平面源J(r,E,μ)是空间、能量和方向的函数，由于MCNP程序在平面源问题的输运计算时，只需考虑μ>0的源项J+(r,E,μ)，为简化平面源的计算模型，本文假设正向平面源J+(r,E,μ)为：

J+(r,E,μ)=CJ+(r)J+(r,E)J+(r,μ)

式中：J+(r)为粒子正向流密度的空间分布；J+(r,E)为与空间有关的粒子正向流密度的能谱分布；J+(r,μ)为与空间有关的粒子正向流密度的角分布；C为归一化系数。

为得到平面源的空间分布、能量分布和角分布，利用MCNP程序中相应的分段计数卡(FSn)、分段除数卡(SDn)、计数能量卡(En)和计数余弦卡(Cn)对平面源的空间、能量和角度进行网格划分。采用蒙特卡罗耦合抽样方法[9]计算了各空间网格内的多群中子、伽马正向流密度的能谱分布J+(ri,Eg)，并计算了穿过平面源表面上各空间网格内的正向流密度的角分布J+(ri,μj)。

对J+(ri,μj)进行方向归并，得到各空间网格上的正向流密度J+(ri)为：

a——热柱孔道及混凝土屏蔽门；b——屏蔽门中心准直器图1 西安脉冲堆原热柱孔道屏蔽门中心准直器的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of centre collimator of shielding door at XAPR thermal column

式(2)即为平面源的空间分布。根据式(2)，可得平面源的总源强为：

式中：Ai为各空间网格的面积，cm2；S为热柱孔道准直器优化设计计算时中子和伽马源强的归一化常数。

1.2 热柱孔道出口处中子、伽马参数计算模型

基于建立的中子、伽马平面源，利用MCNP程序的SDEF表面源，对热柱孔道屏蔽门中心准直器的结构和材料组合方案进行优化设计。中子源计算采用Mode N P模型，伽马源计算采用Mode P模型，并对中子源和伽马源计算的伽马参数进行归并处理。

2 平面源制作与验证

2.1 中子、伽马平面源制作

利用MCNP程序分别计算热柱孔道方腔(直径为6.6 cm的圆柱孔)前表面处半径分别为8.25、15、25、35、45、60 cm区域的中子、伽马的正向流密度的角分布、能谱分布和空间分布。

图2 热柱孔道方腔前表面处中子正向流密度和中子源强的空间分布Fig.2 Space distribution of forward neutron current density and source strength at the front plane of thermal column square cavity

图2～7分别示出了热柱孔道方腔前表面处6个空间网格内中子、伽马光子正向流密度的角分布、能谱分布和空间分布曲线图。由图2、5可知，中子正向流密度在半径20 cm附近有一峰值，然后随半径的增大而减小，而伽马正向流密度基本呈均匀分布；由图3可知，中子能谱接近麦克斯韦谱，且0.4 eV镉上中子份额极小，这表明反应堆中子源经石墨慢化后，在热柱方腔内已得到较纯的热中子源；由图4、7可知，中子正向流密度的角分布在r≤8.25 cm和r>8.25 cm区域内的变化趋势较大，伽马光子流密度的角分布在r≤8.25 cm和r>8.25 cm区域内的变化趋势基本保持一致，这表明热柱方腔内中子准直效果要优于伽马光子，有利于在距堆芯372 cm的热柱孔道出口处得到更好的平行热中子束。

文章来源：《辐射防护》 网址: http://www.fsfhzz.cn/qikandaodu/2021/0619/595.html