基于多层快裂变电离室锂keV能区中子全截面测量

作     者：张江林 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：韩建龙

授予年度：2022年

学科分类：082704[工学-辐射防护及环境保护] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：中子全截面 天然锂 CSNS Back-n TMSR-PNS 

摘      要：在核能领域,精确的核数据是核反应堆物理设计的基础。中子全截面是中子核反应数据库的重要组成部分,是所有核反应截面类型的总和。熔盐堆作为六种第四代核能系统的候选堆型之一,也是唯一一个以液态燃料为核燃料的反应堆。在熔盐堆中,锂因具有熔点低、沸点高、热稳定性好等优点而作为钍基熔盐堆FLi Be熔盐燃料载体盐的主要材料之一。基于SCALE程序对钍增殖熔盐堆不同燃耗时期核数据引起的k不确定度的分析。结果表明,随着燃耗的增加,核数据引起的k不确定度由0.49%增大到0.55%,其中Li的中子核反应截面数据的影响较大。评价数据是以实验数据为基础,并结合核反应理论模型计算得到。通过调研国内外的实验数据和评价数据发现,天然锂和Li在慢中子能区的实验数据偏少,快中子能区相对较多。在热中子能区,不同实验室测量的天然锂实验数据相对偏差达到57%。在ke V以上能区,实验数据与评价数据最大相对偏差达到50%。已有的实验测量所采用的中子源主要是基于Li(p,n)、Be(α,n)、C(α,n)、T(p,n)He等核反应的单能中子源,测量时间介于上世纪三十年代到七十年代,部分能区实验数据数据缺失,或者精度较低,因此需开展高精度宽能区锂的中子全截面测量。本文基于中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)反角白光中子束线(Back-n)以及钍基熔盐堆核能系统研究先导专项(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)研制的15 Me V电子直线加速器驱动的光中子源装置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TMSR-PNS1),采用飞行时间法测量中子能谱,并分别采用透射法开展了天然锂全能区中子全截面测量。为在较宽能区内测得中子统计计数较好的中子全截面,采用了15.0 mm和8.00 mm两种厚度的天然锂金属样品。在CSNS Back-n开展实验测量时,可测量的中子能谱范围为0.4 e V～20 Me V。而在TMSR-PNS1装置上则可测量200 e V以下能区尤其是热中子能区中子全截面。因此,两套实验装置较好实现了天然锂中子全截面测量能区的互补。采用基于CERN ROOT开发的程序对实验数据进行离线分析。CSNS Back-n的实验数据采用脉冲幅度谱计数扣除本底信号得到有效的中子信号,采用γ-flash结合U(n,f)裂变共振峰刻度中子有效飞行距离约为77.64 m。TMSR-PNS1实验测量采用脉冲形状甄别法甄别束内伽玛,采用阻挡靶测量计数扣除大厅散射中子本底,再采用Ag、In、Cd共振吸收峰刻度中子有效飞行距离约为5.86 m,再进一步计算中子全截面。实验测量在较宽的中子能区获得了中子统计计数较好的天然锂中子全截面。特别是在ke V及以下能区增补了实验数据,为锂的核数据评价工作提供了更加丰富和可靠的实验数据。在此基础上,采用1/v律分析了天然锂0.1 Me V以下能区的中子全截面实验数据,采用R矩阵理论分析了260 ke V附近共振能区的实验数据。在R矩阵理论分析的过程中,考虑了温度多普勒效应和实验仪器分辨率的展宽以及样品多重散射效应等修正,修正后的理论计算结果和实验数据符合较好,分析了Li和Li在260 ke V能量附近的中子共振参数。