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CARR堆瞬发伽马活化分析装置屏蔽设计 孙洪超L木，倪邦发2，杨洁1，王学新1，李国强1， 张建岗1，肖才锦2，张贵英2袁国军2 (1．中国辐射防护研究院，山西省太原市0300062．中国原子能科学研究院，北京102413) 摘要：基于CARR堆，采用蒙特卡罗方法优化设计了瞬发伽马活化分析装置，确定了装置的整体 结构、关键组成部件的物理和几何参数。利用公式修正了束流中子通过20cm的单晶铋过滤器的中子 束流参数，使得后续的屏蔽计算结果更准确；采用分段一衔接的方法节省了计算时间。装置设计借鉴 了国际上优秀实验室的先进经验。整个装置的屏蔽设计充分考虑到了材料的重量，体积和成本等因 素，通过MCNWd真拟结果最终确定了各屏蔽材料的结构尺寸，模拟结果显示，设计装置满足辐射防护 和低本底的要求，为实验人员的辐射安全防护提供参考。达到了最初的设计目标。 关键词：瞬发伽马中子活化分析装置设计；中子截面；装置屏蔽，辐射防护 1 引言 瞬发伽马中子活化分析(PGNAA)是一种很灵敏非破坏的核分析技术，具有对各种物质中多种 元素的迅速和非破坏性的分析特点，应用范围日益广泛。目前，国际上有30多个实验室已经建立了 PGNAA装置“一。中国原子能科学研究院设计建造了中国先进研究堆(CARR)，能够提供高品质的中子 MW的池内罐 束流，基于此，本工作设计了基于CARR堆的PGNAA装置。CARR堆是一座满功率为60 式反应堆，利用轻水作慢化剂和冷却剂，堆心周围是重水反射层。CARR堆有9个水平孔道，还装配 了一些其他领域应用的垂直孔道。 CARR堆PGNAA装置采用水平切向孔道HT2。HT2孔道位于重水反射层中距堆心46cm处，孔道 X1014 人口的热中子通量预计可达到5 cm～·s～。从HT2引出的中子要经过两次准直，再经过单晶铋 cm一·s一量级。孔道是切向的，避免直接对准堆心，从而 过滤器，在孔道出口的中子注量率在109 减少了来自堆心的快中子和伽马带来的辐射。CARR的中子注量率很高(亚洲最高)，利用其提供的 中子束，将在高起点建立CARR堆瞬发伽马中子活化分析装置，为今后开展PGNAA领域的研究工作 奠定基础。然而，高中子注量率也带来了辐射屏蔽问题，为此，本论文在借鉴国际先进实验室的 PGNAA建造经验的同时p“1，采用计算机模拟的方式，对CARR堆PGNAA装置的屏蔽结构进行了优化 设计，保证实验人员安全的前提下，降低装置的探测本底。CARR堆PGNAA装置的建立和应用将极 大地提高我国在核分析技术领域的地位。 2 PGNAA装置的MCNP模拟方法 MCNP是一个多功能蒙特卡罗程序，可用于计算中子，光子，中子一光子偶合的输运问题，也可 451 以计算临界系统(包括次临界及超越)的特征值问题，它适用于核科学和核工程的各种课题，如反 应堆和加速器设计中的屏蔽计算，核环境污染及辐射剂量计算，核武器试验的测试分析，检验核截 面数据等。程序的输出也很齐全，包括一般输出和特殊输出。各种类型的通量、谱、积分量都可以 输出，程序中还专门准备了一个子程序块，供用户修正各种计数输出。 所设计的PGNAA装置结构示意图1。由图1可以看出，中子输运的距离很长(7m)，因此设计时 面临两方面的问题：1)所需的计算时间很长；2)长距离传输使得计数统计偏低，误差较大。为了 解决上述问题，采用文献【7]中的分段衔接的办法。整个模拟分为两步：第一步模拟从HT2孔道人口 到孑L道出IZl；第二步模拟从第一准直器前端到阻止器。两步之间有一段重合(第一准直器到堆口)以使 两步模拟有一个很好的过渡。 第一步模拟：在HT2孑L道人口，利用MCNP程序的SDEF卡定义面源，归一化的中子总流量为7．20 ×1016，源中子能谱和方向谱已知。用MCNP程序的计数卡F-记录通过第一准直器前端截面上的中子 能谱、方向谱及空间分布，上述参数作为第二段模拟源参数。第二步模拟：定义第一准直器前端截 面为面源，参数已经通过第一段模拟获得。利用计数卡F。记录感兴趣的几何体或曲面上的中子参数。 图1 CARR堆瞬发伽玛活化分析装置示意图 3 HT2孔道出口中子束参数的确定