49—2堆孔道快中子注量率的测定

王一唯+张亚东+郭玥

【摘要】本文采用2种方法对49-2堆堆芯活性区H8孔道的快中子注量率进行测定，一种是先测定H8干孔道中的中子能谱，然后按谱型累积快中子注量率，另一种方法是用平均截面，快中子谱用瓦特谱的方法来计算快中子注量率。结果表明，H8孔道的快中子注量率为1.97× 1013/cm2·s（>0.1MeV）和1.05×1013/cm2·s （>1MeV）。通过本次测定，为49-2堆的科研辐照项目提供了更好的试验依据。

【关键词】49-2堆 H8孔道 快中子注量率

一、实验背景

49-2堆始建于1959年，1964年12月20日达到临界，1965年3月开始大功率运行，至今已安全运行50余年。是我国自行设计、建造、安装、调试的第一座反应堆，设计额定功率为3.5MW，加强功率为5MW。50余年的运行历程中，49-2堆为我国国防工业发展、核能开发研究、核技术应用、人才培养等方面做出了重大历史性的贡献。

49-2堆是游泳池型、轻水慢化和冷却、铍和石墨作为反射层的多用途的工程材料试验堆。堆芯活性区布置见图1.

其中H8孔道是49-2堆活性区快中子注量率较高的辐照孔道，一般科研辐照项目会选取这个孔道。为了得到准确的H8孔道的快中子通量密度值，为辐照的快中子注量计算提供准确依据，进行了此次测量。

二、实验原理

这次快中子注量率的测量使用了两种方法：一种是先测定H8干孔道中的中子能谱，然后按谱型累积快中子注量率；另一种方法是用平均截面，快中子谱用瓦特谱的方法来计算快中子注量率。

测量快中子能谱的方法是多箔活化法。通常采用某些阈能反应，如（n，α）、（n，p）、（n，2n）、（n，f）、（n，n'）反应等。阈活化法的优点是：箔片体积小，对中子场的扰动比较小；对γ射线不灵敏；测量设备简单。

活化方程：

这便表示出放射性活度和中子能谱之间的关系。在实验中为了消去Ф常用多种箔片在同样的条件下受中子照射，测出它们的饱和活性比或饱和计数率比，然后由此出发求出中子谱。

饱和活性比是：

在实验测量中都有近似法来求解 ，常用的是利用SAND-Ⅱ程序来解谱。如果利用瓦特谱作为快中子能谱的话，只需要知道某个反应道的平均截面，就可以通过测量得到的单核饱和活度计算出快中子注量率。

此次测量的H8孔道是活性区内的孔道，并且测量的是ф55mm的干孔道，所以快中子能谱的谱型变化不大，可以按瓦特谱来计算。

由于在测量时H8孔道内装载辐照装置，所以使用相对法进行了测量，即先测量出H4干孔道内的快中子注量率，然后根据H4孔道和H8孔道的相对快中子注量率比值来求得H8干孔道的快中子注量率。在试验装置出堆后对H8干孔道的轴向相对快中子通量密度进行了补测。

H4干孔道和H8干孔道的快中子能谱认为是一样的。

三、实验过程

本次实验的过程如下：

探测片的准备、称重。本次测量使用了In-Al合金、纯Cu、塑料Fe片、Ni-Mn合金、纯Ti和纯Al共6种片，利用的反应道有：

， ， ， ，

， ， ， ，

探测片的组装。把截面小，阈能大的探测片布置在外侧，阈能小的探测片布置在中间，这样可以减小探测片之间的互屏。把探测片按顺序装入镉盒。把镉盒装入吊兰。一般情况，对薄探测片不考虑互屏和自屏。

四、实验结果

探测片的称重、活度测量结果及单核活度计算值如下表1。

饱和活度的计算是把短时间照射的探测片活度修正到无限时间照射后的探测片活度，这样既消除了从停止照射到测量时间内活化片的衰变影响，也便于进行解谱计算。

把快中子能谱认为是瓦特谱来计算H4干孔道的快中子注量率：

用Al片计算：（1500kW）

用In片计算：

即满功率与探测片的照射功率比是1.8，这样推得满功率时H4孔道的快中子通量密度如下：

用Al片计算：（3500kW）

Ф（>1MeV）=8.1×1012/cm2·s

用In片计算：

Ф（>1MeV）=9.054×1012/cm2·s

用解谱的方法计算H4干孔道的快中子注量率：

由测量得到的所有核素的单核饱和活度，利用SAND-Ⅱ程序进行解谱，得到照射条件下的大于1MeV的快中子注量率是5.09×1012/cm2·s，所以满功率情况下的大于1MeV的快中子注量率是9.162× 1012/cm2·s。

H8孔道軸向相对快中子注量率测量结果

相对快中子注量率测量的探测片布置高度、探测片质量、探测片活度值及相对的轴向分布列于表2及图2。相对快中子注量率是以H8干孔道中间高度（250mm处）作为归一点的，在计算相对值时考虑了探测片的质量差别，对其进行了修正。

五、实验结果分析

从实验结果看，用解谱方法计算得到快中子注量率大于用铟片测得的快中子注量率，用铟片测得的快中子注量率大于用铝片测得的快中子注量率。这是合理的，因为孔道中的快中子能谱是经过一定慢化的。 反应的阈能比 的高，所以用铝探测片得到的快中子注量率低。因为 反应的阈能在0.4MeV左右，所以用铟探测片的平均截面得到的快中子注量率只是稍低于用解谱方法得到的快中子注量率。通过上面的分析，可以认为满功率情况下H4孔道大于1MeV的快中子注量率为9.162×1012/cm2·s是准确的。

用MCNP程序计算了H4干孔道和H8干孔道的快中子注量率的相对值，H8干孔道的快中子注量率是H4孔道的1.148倍。H8干孔道内大于0.1MeV的快中子注量率是大于1MeV的快中子注量率的1.88倍。所以，H8干孔道的快中子注量率如表3。

误差分析：本次实验的误差主要来自测量误差、程序计算误差和开堆的功率误差。由于SAND-Ⅱ的迭代解谱法可以减少由活度测量得到的误差，所以本次实验得到的快中子注量率的误差主要来自开堆功率误差。开堆功率误差一般是小于5%的，所以可以把5%作为这次实验快中子测量值的误差。

参考文献：

[1]史永谦.核反应堆中子学实验技术.北京：中国原子能出版社.

[2]张亚东，等.49-2游泳池反应堆（追溯性）安全分析报告.

[3]谢仲生，等.核反应堆物理分析.北京：原子能出版社.