裂变中子

　　裂变中子，是指原子核裂变时发射出来的中子。分瞬发中子和缓发中子。

　　简介

　　原子核裂变时发射出来的中子。分瞬发中子和缓发中子。瞬发中子是裂变过程中直接放出的中子，在裂变10-4～10-3秒内放射出来 ，占裂变中子总数的99%；能量分布很宽，从零延伸到15兆电子伏特(MeV)，主要分布在0.1～5MeV范围内，235U热中子裂变中子谱的峰在0.8MeV附近，平均能量在2MeV左右；即使同样的核在同样条件下裂变，每次裂变发射的中子数也不固定，有的不发射中子，多数发射2～3个中子，最多可有7～8个，其平均值称为平均裂变中子数；的大小对链式反应装置的临界条件起关键作用。缓发中子是裂变碎片因含中子过多不稳定而放射出来的，碎片核以几分之一秒到几十秒的半衰期放射中子，其数目不足裂变中子总数的1%；其能量分布也是连续谱，平均能量在1MeV以下；缓发中子在慢中子裂变反应堆的控制上起重要作用。

　　半导体夹心谱仪测量裂变中子能谱的不确定度

　　裂变中子能谱测量原理和方法

　　经慢化后的裂变中子谱的测量方法有核反应法（包括 、等）、飞行时间法、活化法和 反冲质子法等。 其中 应用较多的 是核反应法，其基本原理是基于n+A→B + C + Q类型的核反应，中子与A核反应生成B和C核，反应能 为 Q， 尽管产物核 B 和 C 的 动能与出射角有 关， 但其总能量始终等于 Q与入射中子的能量之和。 因此，测量出 B 和 C 核的动能之和 再扣除Q就可获得入射中子的能量。

　　利用核反应法测量中子能谱的探测器通常是半导体夹心谱仪和计数管等。夹心半导体 中子谱仪将两块面垒型半导体探测器面对面放 在一起，在它们之间涂覆一层薄层。中子在 夹层中引起核反应产生的两个带电粒子α和T 由两个半导体探测器同时记录，将两个粒子引起 的脉冲幅度相加获得反应谱Y(E)。夹心半导体中子谱仪是在两块面垒型半导体探测器 之间充以气体，中子入射后与反应 产生的质子和T在气体中以及两个半导体探测器中沉积能量，3 路符合相加获得反应 谱Y(E)。计数管法是以气体作为工作介质和中 子灵敏材料。根据测量的反应谱Y(E)，在不考虑探测器的分辨展宽时， 其相 应 的ϕ可由下式得到：

　　ϕ=Y(E)/(σ(E)ε(E)) (1)

　　式中：σ(E)为(N,α)T反应的截面；ε(E)为谱仪的探测效率。 实际上，考虑到能量分辨率，Y(E)应表示为：

　　Y(E)=ϕσε (2)

　　式中,为谱仪的分辨函数，表示能量为 的中子对反应谱E能量点的贡献。求解ϕ就是根据测量的反应谱Y(E)、计算或实 测的以及和σ(E)和ε(E)，用数值计算 方法计算出式（2）的未知函数ϕ。

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　　HFETR裂变中子转换器设计

　　随着世界核能技术的发展，尤其是聚变能的开发，对材料的耐辐照性能要求越来越高。为满足材料辐照试验，需裂变反应堆获得较高的快中子注量率，提高快中子注量率的方法除设计新型研究试验堆外， 还可 在 在 役 研 究试验堆内采用新型高裂变密度的燃料元件以局部提高快中子注量率。

　　高通量工程试验堆（HFETR)是我国的高通量工程试验堆研究平台，但每年能提供的材料辐照损伤仅2〜3dpa,因此，设计一带高裂变密度燃料的辐照装置———裂变中子转换器以提高 HFETR 辐照能力具有较好的应用前景。该装置设计的总原则应遵循现有核安全法规，满足自身和 HFETR 安全要求。结 合HFETR结构特点，采用以UMo合金燃料为芯体的十字形燃料棒设计裂变中子转换器，并进行中子能谱和热工分析。2

　　设计参数

　　燃料

　　在众多高裂变密度燃料中，含6%~10% Mo的UMo合金是最具潜力的燃料，也是研究较多的新型燃料，其铀密度可达以 上。HFETR裂变中子转换器采用的UMo合金燃料的主要成分列于表1。2

　　燃料棒

　　JHR快中子转换器采用外径6 0 mm的 十字形燃料棒，快中子(E>0.91 MeV)注量率为9.4×·, 较堆芯材料辐照剂量率高25%。俄罗斯PIK堆采用外径5. 15 mm 的十字形燃料棒，快中子（E>1 MeV)注量率为 5. 0×·。根据 HFETR 堆芯栅元几何形状和尺寸 ，通过布置的优化 ，HFETR裂变中子转化器采用与PIK堆相同的 十字形燃料棒(图1)。在Φ63 mmX1.5mm 的外套管和Φ24 mmX2 mm 的内套管间安装62 根十字形燃料棒，各燃料棒的横向中心间距为 5.65 mm ,纵向中心间距为 5 mm 。HFETR 裂 变中子转换器主要参数列于表2。2

　　结构描述

　　裂变中子转换器根据 HFETR 结构特点设计而成，主要由9个部件组成(图2)。

　　1)上接头。上接头前端外径为38 mm，结 构和尺寸与 HFETR 的燃料元件和靶件相同，

　　目的在于方便用现成工具抓取。 上接头的肩部设置有12个直径为8 mm的孔，每4个孔为 1组，各组的孔均匀分布，夹角为24°，可使冷却水尽可能均匀流入装置。

　　2)定位块。 定位块焊接于上接头之下，外套管之上，下端设3个支腿，起定位上栅格板与 连接上接头和外套管的作用。

　　3)节流塞。节流塞上端外径23 mm，下端 外径20 mm。下端有 60 mm 长的矩形螺纹 。当在裂变中子转换器辐照孔道内辐照材料时 将节流塞取出，在Φ20mm的孔道内放置福照装置；当其不辐照材料或实验已完成而又不需移出堆芯时，将节流塞安装于上栅格板中间的 圆孔起节流作用，减少HFETR堆芯冷却剂的损失以保证反应堆安全。

　　4)上、下栅格板。 裂变中子转换器有上、下两个环状栅格板，结构尺寸完全相同，用于安装燃料棒。栅格板上设置有64个Φ3 mm X 0. 5 mm燃料棒安装沉孔。各孔成三角形点阵排 列，由宽度为0.5 mm的肋相连。肋与肋之间形 成菱形冷却水流道。

　　5)内、外套管。 内、外套管起支撑整个裂变中子转换器结构和保护裂变中子转换器内燃料棒的作用。 外套管上端与定位块焊接，下端与下 接头焊接。 内套管外径与上、下栅格板焊接。

　　6)十字形燃料棒。 十字形燃料棒是裂变中 子转换器的核心构件，由包壳、燃料芯体和端塞 3部分构成。 包壳是第1 道放射性屏障，材料为 06Cr18Ni11Ti。 燃料棒端塞的作用是使燃料棒端部密封，因此要求端塞材料与包壳材料及芯体材 料在加工温度下具有相近的硬度，以保证燃料管的芯体端部形状。 端塞分为两个部分：一部分形 状为十字形，长5 mm,与燃料棒活性段相接；另一 部分为Φ2 mm的圆柱体，插入栅格板的沉孔。燃 料棒采用一体化压制成型工艺制造。

　　7)下接头。 下接头上端与外套管焊接，下 端插入堆芯栅格板，将裂变中子转换器安装于 Φ63 mm辐照孔道内。2

　　物理热工分析

　　计算程序

　　裂变中子转换器在堆芯内的物理分析采用 MCNP 程序， 热工分析采用 ANSYS/CFX 程 序。MCNP程序是一基于Monte Carlo方法的通用粒子输运计算程序。计算采用ENDF/B-V截面库。ANSYS/CFX程序采用有限容积法和拼片式块结构化网格，在非正交曲线坐标系上进行离散，变量的布置采用同位网格方式。

　　能谱

　　分析裂变中子转换器的能谱从两方面进行 一方面，与假定采用其他燃料元件形状的能谱比 较。 可采用的燃料元件形状很多，但有些结构极为复杂，有些不太适用于HFETR堆芯，故本文仅选择套管形、圆柱棒与十字形棒进行比较。 分析时，假设带这3种燃料元件形状的转换器内外套管尺寸不变，两套管之间的材料按质量相等的 原则等效成不同形状，用 MCNP 建立的几何模型示于图3。另一方面，与HFETR堆芯相同栅元不放置该转换器时的能谱比较。

　　在相同的堆芯装载和运行工况下，计算某栅元内放置3 种不同形状燃料元件的转换器和不放置转换器的能谱，结果示于图4。 从图可 看出，高裂变密度的UMo合金能大幅提高栅

　　元的快中子注量率。转换器内辐照样品的快中子(E>1 MeV)注量率可达 3.34×·，比堆芯相同位置不放置转换器时的快中子 注量率高约40%。在燃料成分相同的情况下，十字形燃料棒比其他形状的燃料元件更有利于提高快中子注量率，因此,HFETR裂变中子转换器采用十字形燃料棒是合理的。2

　　轴向功率密度分布

　　裂变中子转换器内能量沉积形式主要有材料与中子的作用、材料与光子的作用和核反应过程中产生的新核的衰变。转换器的功率及其 分布受 HFETR 堆芯装载、在堆内 位置、运行方式等多种因素影响。为便于研究，选择HFETR典型的反应堆功率为70 MW的堆芯布置来模拟分析。

　　通过调整堆芯局部布置和转换器的位置与热工程序不断进行耦合计算，得到裂变中子转换器的最大允许功率可达24MW，燃料棒芯体最大功率密度为8.007 kW/cm³。最大功率燃料棒的轴向功率密度分布示于图5。2

　　热工计算

　　裂变中子转换器内十字形燃料棒为三角点阵布置，结构复杂，利用ANSYS/CFX程序计算时，若将整个转换器的结构网格化，网格数目接近2亿。在这里，只选取转换器内功率最大的燃料棒并对其建立一正六边形冷却剂流道作包络分析。

　　包壳和燃料芯体最高温度点处横截面温度 分布示于图6。从图可见，在 HFETR 设计流 速和压力下，中子转换器内燃料棒包壳外表面最高温度为193. 6 °C，小于HFETR运行要求的燃料棒包壳表面最高温度限值195 C，燃料 元件表面不会发生欠热沸腾；芯体最高温度为 215. 4 C，远低于芯体熔点。2

　　结论

　　HFETR裂变中子转换器采用以含7%Mo 的UMo合金作为芯体的十字形燃料棒共62 根，呈三角点阵排列，中 间有Φ20 mm 的辐照孔道。

　　1)蒙特卡罗计算结果表明，HFETR裂变 中子转换器内辐照样品的快中子(E>1 MeV)注 量率可达 3.34X·，较堆芯相同位 置不放置转换器时的快中子注量率高约40%；而十字形燃料棒较套管形和圆柱形燃料元件更 有利于提高快中子注量率。

　　2） 在 HFETR 设计流速和压力下，利用 ANSYS/CFX 程序分析得到转换器最大允许功 率可达2.4 MW,最大功率密度为8.007 kW/ cm³ 。此 时 ，燃 料 棒 包 壳 外 表 面 最 高 温 度 为 193.6℃，能满足HFETR的热工要求，不会产 生流动不稳定；芯体最高温度为215. 4 ℃，远低于芯体熔点。2

　　本词条内容贡献者为:

　　张磊 - 副教授 - 西南大学