堆用中子探测器校验装置设计

郭翔博，钟 军，杨毓枢，任 敏，程 瑛，漆明森

（中国核动力研究设计院，成都 610005）

0 引言

反应堆核测仪表用中子探测器是反应堆核测量系统中的关键部件，在反应堆安全运行中起至关重要的作用。目前，对于此类探测器没有相应的校准规范和校准设备，无法进行量值传递，只能通过数值计算及相应的试验来进行刻度，其测量值的准确性没有保障。为了解决这一问题，希望建立一套能用于核测仪表中子探测器校验及校准的装置，解决核测仪表中子探测器的量值溯源问题。

1 装置组成原理

1.1 装置设计原理

堆用核测系统所采用的中子探测器分为BF3正比计数器、补偿电离及裂变电离室3 类[1]。这3 类中子探测器所采用的灵敏物质10B 及235U 与中子的作用截面随中子能量增加而迅速减小。为了增加探测器的响应，应合理设计，尽量提高低能中子注量率。

从安全角度出发，本次采用不动源型的装置方案。不动源型装置指中子源位置不动，通过改变屏蔽层、快门等方式，改变装置工作状态。采用在慢化体内制作校验孔道的方式，缩短探测器与中子源之间的距离，提高在所需校验中子探测器灵敏体积范围内的平均中子注量率。通过准直孔和慢化孔的方式，引出外部中子辐射场，可用来对防护用中子仪器进行校验。图1 为装置示意图，装置由中子源、慢化屏蔽体、快门、支架及相应的自动控制系统组成。装置通过快门方式引出中子束，快门移动，可增加引出口位置的慢化体厚度，从而改变引出口的中子注量率及能谱分布。其中，关键的设计参数为中子引出孔的直径及慢化体厚度。

1.2 中子源及慢化体材料选择

核素中子源种类很多，选择核素中子源的主要依据是中子源的中子发射率、中子能谱、半衰期、放射源的价格，伴随光子剂量及其对装置设计复杂性的影响等。从中子产额来说，选择252Cf 源是最合适的，但从建造校验装置的角度，252Cf 衰变太快，装置维护困难。经过比较，结合装置实际使用维护情况，决定选用241Am-Be 中子源来产生中子。241Am-Be 中子源的中子发射率及产生单位中子价格都比较适中，产生的γ 照射量率很低（在107s-1中子发射率情况下），可大大降低设计装置的复杂程度。

对于241Am-Be 中子源来说，其平均能量为4.4MeV，能量大于6MeV 的中子份额约为16%。采用铅作为增强材料与高密度聚乙烯分层组合进行慢化，得到的峰热中子注量率的增强因子在1 ～1.5 之间[2]，这对于探测器的校验来说，并没有明显的帮助。而采用这种组合慢化后，装置的结构变得复杂，装置重量显著增加。因此，综合考虑，决定采用纯聚乙烯材料对中子进行慢化。

2 装置具体参数确定

校验装置中慢化体厚度、引出孔道孔径等因素对得到辐射场的中子注量率及其能谱存在很大影响。为确定装置各部分的参数，需要进行相应计算。计算内容包括引出孔道孔径大小对引出辐射场的影响；校验慢中子引出孔道慢化体厚度与平均中子注量率的关系等。

2.1 计算模型建立

为了确定上述参数，本文采用MCNP4C 程序进行计算。计算模型如图1 所示。中子源近似为直径30mm、高60mm的圆柱体，源包壳为316 号不锈钢。假设源中子在活性区内均匀发射，出射方向为各向同性的，初始能量依据文献[2]表A.4 进行抽样。聚乙烯(C2H4)n 的密度为0.94g/cm3，碳氢比为1:2。校验装置孔道、中子引出孔道填充物质为干燥空气，密度0.001205g/cm3，主要元素所占质量比为：C 0.01%，N 75.53%，O 23.18%，Ar 1.28%。计算过程中，忽略了快门支架和壳体等材料的影响。

2.2 中子引出孔道孔径确定

当快中子引出孔道正对中子源时，在装置外部得到经准直的快中子辐射。改变引出孔道的孔径，引出快中子场的中子注量率及其能谱也会发生变化。计算得到快中子引出场的中子注量率变化与引出孔道孔径关系如图2 所示。

从图2 中可以看到，当孔道半径小于5cm 时，引出中子注量率随孔道半径增大而增大；当孔道半径大于5cm 时，引出中子注量率随孔道半径增大而急剧减小。因此，快中子引出孔道半径选择为5cm，此时中子注量率最大。

图1 校验装置示意图Fig.1 Calibration device

图2 快中子注量率随引出孔道孔径的变化曲线Fig.2 Fast neutron fluence as a function of the diameter of lead-out aperture

在引出孔道半径为5cm 情况下，快中子引出孔道轴线上各处中子注量率分布及其能谱变化如图3、图4 所示。由图可知，在快中子引出轴线上，中子注量率随着距离增加而减小；其中，中能中子（10keV ～100keV）注量率变化不大，高能中子注量率降低明显。原因在于，距离增加使得中子注量率降低的同时，高能中子经孔道壁及空气散射，能量降低，从而使中能中子注量率保持平衡。

2.3 慢中子引出孔道慢化体厚度确定

图3 快中子注量率随距离变化曲线Fig.3 Fast neutron fluence as a function of the distance

图4 快中子能谱随距离变化关系Fig.4 Fast neutron spectrum as a function of the distance

当慢化孔道正对中子源时，中子源发射中子先经慢化孔道内的慢化体慢化，然后通过孔道准直后引出，形成外部中子辐射场。改变慢化体厚度，可以改变引出中子场的注量率及能谱分布。图5 为引出中子场随慢化体厚度变化规律。

由图5、图6 可知，引出热中子场的中子注量率随慢化体厚度增加而减小。在慢化体厚度小于5cm 时，热中子所占份额随慢化体厚度增加而增加；当慢化体厚度大于7cm 时，热中子所占份额随慢化体厚度增加而减小。在慢化体厚度为5cm ～7cm 时，热中子所占份额最大。因此，综合考虑选择慢化体厚度为5cm。此时，慢化孔道轴线上各点中子注量率能谱分布如图7 所示。

计算结果显示，非工作状态下距装置5cm 位置最大剂量率为21.1μSv/h，符合GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》要求。

图6 镉下中子所占份额随慢化体厚度变化曲线Fig.6 The proportions of Cd-coverded neutron fluence as a function of the moderator thickness

图7 慢中子能谱随距离变化关系Fig.7 Slow neutron spectrum as a function of the distance

3 结论

通过计算，确定堆用中子探测器校验装置中子引出孔道的孔径为5cm，慢化体厚度为5cm。对装置屏蔽性能进行计算，结果显示，距装置表面5cm 处最大剂量率为21.1μSv/h，符合标准要求。