一种估算重水堆中热中子注量的方法技术

本发明专利技术公布了一种估算重水堆中热中子注量的方法。该方法是将经过中子辐照后的重水堆堆芯的结构材料取出，通过核分析仪测量一种或多种元素的同位素丰度，由于核材料与中子(主要是热中子)发生辐射俘获反应，材料的元素中各同位素丰度会发生变化，通过测量各同位素丰度，在反应堆运行时间已知的条件下可以估算出核材料受到的热中子注量。本发明专利技术简便，将热中子注量的测量转化为同位素丰度测量。

A METHOD FOR ESTIMATING THERMAL NEUTRON FLUX IN HEAVY WATER REACTOR

The invention discloses a method for estimating thermal neutron fluence in heavy water reactor. The method is to take out the structural material of the reactor core after neutron irradiation and measure the isotope abundances of one or more elements by nuclear analyzer. Because of the radiation capture reaction between the nuclear material and neutrons (mainly thermal neutrons), the isotope abundances of the elements in the material will change. By measuring the isotope abundances, the isotope abundances can be obtained under the condition that the operation time of the reactor is known. To estimate the thermal neutron fluxes received by nuclear materials. The invention is simple, and converts the measurement of thermal neutron fluence into isotope abundance measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种估算重水堆中热中子注量的方法
本专利技术属于辐射探测领域，具体涉及一种重水堆中热中子注量的估算方法。
技术介绍
重水堆堆芯中的热中子注量测量是反应堆堆芯物理中非常重要的参数，也是辐射探测领域一项关键技术。目前对于重水反应堆堆芯中子，主要采用控制棒组件中的探测器直接测量实时的中子通量密度，无法对热中子注量这个积累型物理量进行直接测量。
技术实现思路
为了克服现有技术无法直接测量重水堆堆芯中的热中子注量的问题，本专利技术提供了一种估算重水堆中热中子注量的方法。本专利技术基于重水反应堆结构材料的Fe、Ni等同位素原子核由于发生中子辐射俘获反应，丰度改变的效应，从而可以将热中子注量的测量转化为同位素丰度测量。本专利技术提供的重水堆中热中子注量估算方法的基本原理是：重水堆堆芯的结构材料在服役期间受到中子辐照，中子按能量划分为4个区间：热中子(中子能量0.2meV<En<0.625eV)、超热中子(0.625eV<En<750eV)、共振中子(750eV<En<1MeV)和快中子(En>1MeV)。堆芯结构材料中的Fe、Ni等各同位素由于发生(n,γ)反应，所以同位素的丰度也随之改变。在重水堆中，热中子的通量密度占总中子通量密度的比例超过50％，并且由于Fe、Ni等各同位素核的(n,γ)反应截面在热中子能区远大于其他能区，所以在其他能区的截面相比之下可以忽略。根据这种规律，可以得到Fe、Ni等各同位素的丰度随注量的变化。其中54Fe、56Fe、58Ni和60Ni为稳定同位素，并且它们的变化最为明显，所以可以根据它们的丰度值，来对应估算出重水堆堆芯的热中子注量。具体的，本专利技术的重水堆中热中子注量的估算方法，包括如下步骤：1)对待测重水堆堆芯中的结构材料进行取样；2)使用核分析仪对结构材料样品中的一种或多种元素的同位素的丰度进行测量，得到测量结果；3)将同位素丰度测量结果与理论计算值进行对比，从而估算出结构材料在堆芯期间受到的热中子注量。上述步骤1)所取的样品材料为重水堆堆芯中的结构材料。结构材料经过中子堆芯的辐照后，其中的Fe、Ni、Zr等各同位素的丰度发生变化。上述步骤2)中所述元素例如Fe、Ni和/或Zr等元素，优选对同位素56Fe、57Fe、58Ni和/或60Ni的丰度进行测量。上述步骤3)通过同位素的丰度估算结构材料在重水堆堆芯期间受到的热中子注量，首先需要得到同位素丰度随着热中子注量变化的理论计算值。对于任意一个元素X，假设它的质量数最小的天然同位素为AX，用下列方程组表示X的各个同位素的原子核数瞬时变化率：…其中分别为t时刻各同位素AX、A+1X、A+2X…A+NX的原子核数，分别为AX(n,γ)A+1X、A+1X(n,γ)A+2X、A+2X(n,γ)A+3X…A+N-1X(n,γ)A+NX的反应率，它们通过以下方程得到：…其中分别为热中子的AX(n,γ)A+1X、A+1X(n,γ)A+2X、A+2X(n,γ)A+3X…A+N-1X(n,γ)A+NX的反应截面，φt为热中子通量密度；分别为A+1X、A+2X…A+N-1X、A+NX的原子核数消失率，N为自然数；经计算，如果A+NX的产量不足A+N-1X的0.01％，则忽略A+NX之后的同位素，并且认为A+NX只通过衰变损失原子核；…其中分别为A+1X、A+2X…A+N-1X、A+NX的衰变常数；假设X的初始原子核数为100，则根据该元素的天然同位素丰度，得到各同位素原子核数的初值由此得到这一系列方程的解析解，从而得到各同位素在不同时刻的丰度，比如A+1X在t时刻的丰度为：在堆芯热中子通量密度φt为定值的条件下，计算得到各同位素丰度随时间t的变化曲线；当t为定值时，以φt为变量计算得到各同位素丰度随φt的变化曲线；由于φt·t即为热中子的注量，所以由此得到同位素丰度随热中子注量的变化曲线。将步骤2)测量得到的同位素丰度与该曲线进行对比，即可估算出所测同位素达到该丰度的热中子注量。根据本专利技术的方法，由于核材料与中子(主要是热中子)发生辐射俘获反应，材料的元素中各同位素丰度会发生变化，通过测量各同位素丰度，在反应堆运行时间已知的条件下可以估算出核材料受到的热中子注量，从而将热中子注量的测量转化为同位素丰度测量。其有益效果简述如下：1、本专利技术将重水堆热中子注量的这一很难直接测量的积累量转化为堆芯结构材料中56Fe、57Fe、58Ni或60Ni等的丰度测量，可以直观地反映出热中子注量对材料的辐照效应。2、本专利技术中的计算模型简单直观，可以根据测量结果快速给出热中子注量的估算值，高效方便，且易于实现。附图说明图1为在堆芯中子的辐照下56Fe(n,γ)57Fe反应的激发函数。图2为CANDU重水堆的54Fe、55Fe、56Fe、57Fe、58Fe、59Fe和60Fe的同位素丰度随反应堆运行时间的变化，其中堆芯的热中子通量密度为2.7×1018n·m-2·s-1。图3为CANDU重水堆的58Ni、59Ni、60Ni、61Ni、62Ni、63Ni、64Ni和65Ni的同位素丰度随反应堆运行时间的变化，其中堆芯的热中子通量密度为2.7×1018n·m-2·s-1。图4为CANDU重水堆中56Fe、57Fe、58Ni和60Ni丰度随热中子注量的变化，热中子注量从1.42×1026n·m-2到7.10×1028n·m-2，其中上部x轴为热中子通量密度为9×1018n·m-2·s-1时的反应堆运行时间。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术的方法进行说明，但本专利技术并不局限于此。Fe和Ni是反应堆中压力容器中常用的元素。在堆芯中子的辐照下，它们的原子核通过发生(n,γ)反应，各同位素的丰度发生改变。天然的Fe只有54Fe、56Fe、57Fe和58Fe四种同位素，但是在堆芯中子的辐照下，55Fe通过54Fe(n,γ)55Fe反应产生，而同时这部分55Fe也在通过55Fe(n,γ)56Fe反应产生56Fe，以此类推。这一系列的反应会造成Fe同位素的改变。同样的道理，Ni或其他元素的同位素丰度也会因为中子的辐照而发生改变。由于Fe和Ni的各同位素核的(n,γ)反应激发函数都在热中子能区(中子能量0.2meV<En<0.625eV)最大(56Fe(n,γ)57Fe反应的激发函数如图1所示)，在其他能区的截面相比之下可以忽略，并且重水堆中的热中子含量相比其他类型的反应堆大得多，所以这种同位素丰度变化效应在重水堆中最为明显。设有连续的三个同位素对于同位素B，它的原子核数nB在反应堆中的瞬时变化率为：其中nA(t)和nB(t)分别为t时刻A和B原子核数；ρA→B(单位为s-1)为A(n,γ)B的反应率，ρB→C为B(n,γ)C的反应率。ρA→B的表达式为：ρA→B＝σA·Φt(式13)其中σA为热中子的A(n,γ)B的微分截面，Фt为热中子的通量密度。同理，ρB→C表示为：ρB→C＝σB·Φt+λB(式14)其中σB为热中子的B(n,γ)C的微分截面，λB为B核的衰变常数。由于Fe和Ni同位素的(n,α),(n,p),(n,t)等中子诱发带电粒子反应截面在重水堆的环境下(热中子占绝对主导)可以忽略，因而其他能区的中子对同位素丰度的影响也可以忽略不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种估算重水堆中热中子注量的方法，包括如下步骤：1)对待测重水堆堆芯中的结构材料进行取样；2)使用核分析仪对结构材料样品中的一种或多种元素的同位素的丰度进行测量，得到测量结果；3)将步骤2)得到的同位素丰度测量结果与同位素丰度随着热中子注量变化的理论计算值进行对比，估算出结构材料在堆芯期间受到的热中子注量。

【技术特征摘要】
1.一种估算重水堆中热中子注量的方法，包括如下步骤：1)对待测重水堆堆芯中的结构材料进行取样；2)使用核分析仪对结构材料样品中的一种或多种元素的同位素的丰度进行测量，得到测量结果；3)将步骤2)得到的同位素丰度测量结果与同位素丰度随着热中子注量变化的理论计算值进行对比，估算出结构材料在堆芯期间受到的热中子注量。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述元素为Fe、Ni和/或Zr。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2)对同位素56Fe、57Fe、58Ni和/或60Ni的丰度进行测量。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述同位素丰度随着热中子注量变化的理论计算值通过下述方法得到：对于任意一个元素X，假设它的质量数最小的天然同位素为AX，用下列方程组表示X的各个同位素的原子核数瞬时变化率：…其中N为自然数，分别为t时刻各同位素AX、A+1X、A+2X…A+NX的原子核数；分别为AX(n,γ)A+1X、A+1X(n,γ)A+2X、A+2X(n,γ)...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔增琪，张国辉，白怀勇，江浩雨，卢毅，胡益伟，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11