裂變中子

原子核裂變時發射出來的中子。分瞬發中子和緩發中子。瞬發中子是裂變過程中直接放出的中子，在裂變10-4～10-3秒內放射出來 ，佔裂變中子總數的99%；能量分佈很寬，從零延伸到15兆電子伏特(MeV)，主要分佈在0.1～5MeV範圍內，235U熱中子裂變中子譜的峯在0.8MeV附近，平均能量在2MeV左右；即使同樣的核在同樣條件下裂變，每次裂變發射的中子數也不固定，有的不發射中子，多數發射2～3箇中子，最多可有7～8個，其平均值稱為平均裂變中子數；的大小對鏈式反應裝置的臨界條件起關鍵作用。緩發中子是裂變碎片因含中子過多不穩定而放射出來的，碎片核以幾分之一秒到幾十秒的半衰期放射中子，其數目不足裂變中子總數的1%；其能量分佈也是連續譜，平均能量在1MeV以下；緩發中子在慢中子裂變反應堆的控制上起重要作用。

經慢化後的裂變中子譜的測量方法有核反應法（包括

、

等）、飛行時間法、活化法和 反衝質子法等。 其中 應用較多的 是核反應法，其基本原理是基於n+A→B + C + Q類型的核反應，中子與A核反應生成B和C核，反應能 為 Q， 儘管產物核 B 和 C 的 動能與出射角有 關， 但其總能量始終等於 Q與入射中子的能量之和。 因此，測量出 B 和 C 核的動能之和 再扣除Q就可獲得入射中子的能量。

利用核反應法測量中子能譜的探測器通常是半導體夾心譜儀和計數管等。

夾心半導體 中子譜儀將兩塊面壘型半導體探測器面對面放 在一起，在它們之間塗覆一層

薄層。中子在 夾層中引起核反應產生的兩個帶電粒子α和T 由兩個半導體探測器同時記錄，將兩個粒子引起 的脈衝幅度相加獲得反應譜Y(E)。

夾心半導體中子譜儀是在兩塊面壘型半導體探測器 之間充以

氣體，中子入射後與

反應 產生的質子和T在

氣體中以及兩個半導體探測器中沉積能量，3 路符合相加獲得反應 譜Y(E)。計數管法是以

氣體作為工作介質和中 子靈敏材料。根據測量的反應譜Y(E)，在不考慮探測器的分辨展寬時， 其相 應 的ϕ

可由下式得到：

ϕ

=Y(E)/(σ(E)ε(E)) (1)

式中：σ(E)為

(N,α)T反應的截面；ε(E)為譜儀的探測效率。 實際上，考慮到能量分辨率，Y(E)應表示為：

Y(E)=

ϕ

σ

ε

(2)

式中,

為譜儀的分辨函數，表示能量為

的中子對反應譜E能量點的貢獻。求解ϕ

就是根據測量的反應譜Y(E)、計算或實 測的

以及和σ(E)和ε(E)，用數值計算 方法計算出式（2）的未知函數ϕ

。

半導體夾心譜儀測量裂變中子能譜的不確定度(5張)

^[1] 

隨着世界核能技術的發展，尤其是聚變能的開發，對材料的耐輻照性能要求越來越高。為滿足材料輻照試驗，需裂變反應堆獲得較高的快中子注量率，提高快中子注量率的方法除設計新型研究試驗堆外， 還可 在 在 役 研 究試驗堆內採用新型高裂變密度的燃料元件以局部提高快中子注量率。

高通量工程試驗堆（HFETR）是我國的高通量工程試驗堆研究平台，但每年能提供的材料輻照損傷僅2〜3dpa,因此，設計一帶高裂變密度燃料的輻照裝置———裂變中子轉換器以提高 HFETR 輻照能力具有較好的應用前景。該裝置設計的總原則應遵循現有核安全法規，滿足自身和 HFETR 安全要求。結 合HFETR結構特點，採用以UMo合金燃料為芯體的十字形燃料棒設計裂變中子轉換器，並進行中子能譜和熱工分析。 ^[2] 

在眾多高裂變密度燃料中，含6%~10% Mo的UMo合金是最具潛力的燃料，也是研究較多的新型燃料，其鈾密度可達

以 上。HFETR裂變中子轉換器採用的UMo合金燃料的主要成分列於表1。 ^[2] 

JHR快中子轉換器採用外徑6 0 mm的 十字形燃料棒，快中子(E>0.91 MeV)注量率為9.4×

·

, 較堆芯材料輻照劑量率高25%。俄羅斯PIK堆採用外徑5. 15 mm 的十字形燃料棒，快中子（E>1 MeV)注量率為 5. 0×

·

。根據 HFETR 堆芯柵元幾何形狀和尺寸 ，通過佈置的優化 ，HFETR裂變中子轉化器採用與PIK堆相同的 十字形燃料棒(圖1)。在Φ63 mmX1.5mm 的外套管和Φ24 mmX2 mm 的內套管間安裝62 根十字形燃料棒，各燃料棒的橫向中心間距為 5.65 mm ,縱向中心間距為 5 mm 。HFETR 裂 變中子轉換器主要參數列於表2。 ^[2] 

裂變中子轉換器根據 HFETR 結構特點設計而成，主要由9個部件組成(圖2)。

1)上接頭。上接頭前端外徑為38 mm，結 構和尺寸與 HFETR 的燃料元件和靶件相同，

目的在於方便用現成工具抓取。 上接頭的肩部設置有12個直徑為8 mm的孔，每4個孔為 1組，各組的孔均勻分佈，夾角為24°，可使冷卻水儘可能均勻流入裝置。

2)定位塊。 定位塊焊接於上接頭之下，外套管之上，下端設3個支腿，起定位上柵格板與 連接上接頭和外套管的作用。

3)節流塞。節流塞上端外徑23 mm，下端 外徑20 mm。下端有 60 mm 長的矩形螺紋 。當在裂變中子轉換器輻照孔道內輻照材料時 將節流塞取出，在Φ20mm的孔道內放置福照裝置；當其不輻照材料或實驗已完成而又不需移出堆芯時，將節流塞安裝於上柵格板中間的 圓孔起節流作用，減少HFETR堆芯冷卻劑的損失以保證反應堆安全。

4)上、下柵格板。 裂變中子轉換器有上、下兩個環狀柵格板，結構尺寸完全相同，用於安裝燃料棒。柵格板上設置有64個Φ3 mm X 0. 5 mm燃料棒安裝沉孔。各孔成三角形點陣排 列，由寬度為0.5 mm的肋相連。肋與肋之間形 成菱形冷卻水流道。

5)內、外套管。 內、外套管起支撐整個裂變中子轉換器結構和保護裂變中子轉換器內燃料棒的作用。 外套管上端與定位塊焊接，下端與下 接頭焊接。 內套管外徑與上、下柵格板焊接。

6)十字形燃料棒。 十字形燃料棒是裂變中 子轉換器的核心構件，由包殼、燃料芯體和端塞 3部分構成。 包殼是第1 道放射性屏障，材料為 06Cr18Ni11Ti。 燃料棒端塞的作用是使燃料棒端部密封，因此要求端塞材料與包殼材料及芯體材 料在加工温度下具有相近的硬度，以保證燃料管的芯體端部形狀。 端塞分為兩個部分：一部分形 狀為十字形，長5 mm,與燃料棒活性段相接；另一 部分為Φ2 mm的圓柱體，插入柵格板的沉孔。燃 料棒採用一體化壓制成型工藝製造。

7)下接頭。 下接頭上端與外套管焊接，下 端插入堆芯柵格板，將裂變中子轉換器安裝於 Φ63 mm輻照孔道內。 ^[2] 

裂變中子轉換器在堆芯內的物理分析採用 MCNP 程序， 熱工分析採用 ANSYS/CFX 程 序。MCNP程序是一基於Monte Carlo方法的通用粒子輸運計算程序。計算採用ENDF/B-V截面庫。ANSYS/CFX程序採用有限容積法和拼片式塊結構化網格，在非正交曲線座標系上進行離散，變量的佈置採用同位網格方式。

分析裂變中子轉換器的能譜從兩方面進行 一方面，與假定採用其他燃料元件形狀的能譜比 較。 可採用的燃料元件形狀很多，但有些結構極為複雜，有些不太適用於HFETR堆芯，故本文僅選擇套管形、圓柱棒與十字形棒進行比較。 分析時，假設帶這3種燃料元件形狀的轉換器內外套管尺寸不變，兩套管之間的材料按質量相等的 原則等效成不同形狀，用 MCNP 建立的幾何模型示於圖3。另一方面，與HFETR堆芯相同柵元不放置該轉換器時的能譜比較。

在相同的堆芯裝載和運行工況下，計算某柵元內放置3 種不同形狀燃料元件的轉換器和不放置轉換器的能譜，結果示於圖4。 從圖可 看出，高裂變密度的UMo合金能大幅提高柵

元的快中子注量率。轉換器內輻照樣品的快中子(E>1 MeV)注量率可達 3.34×

·

，比堆芯相同位置不放置轉換器時的快中子 注量率高約40%。在燃料成分相同的情況下，十字形燃料棒比其他形狀的燃料元件更有利於提高快中子注量率，因此,HFETR裂變中子轉換器採用十字形燃料棒是合理的。 ^[2] 

裂變中子轉換器內能量沉積形式主要有材料與中子的作用、材料與光子的作用和核反應過程中產生的新核的衰變。轉換器的功率及其 分佈受 HFETR 堆芯裝載、在堆內 位置、運行方式等多種因素影響。為便於研究，選擇HFETR典型的反應堆功率為70 MW的堆芯佈置來模擬分析。

通過調整堆芯局部佈置和轉換器的位置與熱工程序不斷進行耦合計算，得到裂變中子轉換器的最大允許功率可達24MW，燃料棒芯體最大功率密度為8.007 kW/cm³。最大功率燃料棒的軸向功率密度分佈示於圖5。 ^[2] 

裂變中子轉換器內十字形燃料棒為三角點陣佈置，結構複雜，利用ANSYS/CFX程序計算時，若將整個轉換器的結構網格化，網格數目接近2億。在這裏，只選取轉換器內功率最大的燃料棒並對其建立一正六邊形冷卻劑流道作包絡分析。

包殼和燃料芯體最高温度點處橫截面温度 分佈示於圖6。從圖可見，在 HFETR 設計流 速和壓力下，中子轉換器內燃料棒包殼外表面最高温度為193. 6 °C，小於HFETR運行要求的燃料棒包殼表面最高温度限值195 C，燃料 元件表面不會發生欠熱沸騰；芯體最高温度為 215. 4 C，遠低於芯體熔點。 ^[2] 

HFETR裂變中子轉換器採用以含7%Mo 的UMo合金作為芯體的十字形燃料棒共62 根，呈三角點陣排列，中 間有Φ20 mm 的輻照孔道。

1)蒙特卡羅計算結果表明，HFETR裂變 中子轉換器內輻照樣品的快中子(E>1 MeV)注 量率可達 3.34X

·

，較堆芯相同位 置不放置轉換器時的快中子注量率高約40%；而十字形燃料棒較套管形和圓柱形燃料元件更 有利於提高快中子注量率。

2） 在 HFETR 設計流速和壓力下，利用 ANSYS/CFX 程序分析得到轉換器最大允許功 率可達2.4 MW,最大功率密度為8.007 kW/ cm³ 。此 時 ，燃 料 棒 包 殼 外 表 面 最 高 温 度 為 193.6℃，能滿足HFETR的熱工要求，不會產 生流動不穩定_；芯體最高温度為215. 4 ℃，遠低於芯體熔點。 ^[2]