[發明專利]一種钚材料中子輻射場計算方法

在審

• 申請號: 201710954428.3
• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN107807378A
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 朱敏;楊永新;王麗婷;黃桂;王宋;趙大磊;馬敬偉;詹維;徐子劍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G01T3/02
• 分類號: G01T3/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 王瑩,吳歡燕

技術領域

本發明涉及一種貫穿輻射場計算方法，更具體的說涉及一種高濃縮钚材料中子輻射場計算方法。

背景技術

高濃縮钚材料能產生穿透能力強的中子射線，可對操作人員造成外照射危害，由于接觸距離近、時間長，其輻射危害值得重視。但高濃縮钚發射的中子射線能量偏低，對一般的輻射監測儀器響應能力提出了更高的要求，且在有些情況下無法監測(如在可行性論證階段)，無法開展工作人員輻射安全評估，這時就需要對高濃縮钚的貫穿輻射場進行理論計算，若要保證計算的準確性和科學性，必須要考慮高濃縮钚所含放射性核素的多樣性、能量線的復雜性，此時，對于操作高濃縮钚的工作人員來說，由于距離源較近，采用簡單的點源衰減模式是不合適的，所以，應考慮另外的計算方法予以解決。本發明提出一種高濃縮钚材料中子輻射場計算方法，解決高濃縮钚材料中子輻射場計算的合理性、科學性、準確性問題，為工作人員輻射安全評估提供基本依據。

發明內容

本發明所述的高濃縮钚材料中子輻射場計算方法包括以下三個步驟：

步驟一，高濃縮钚材料中子輻射特性分析。分析高濃縮钚材料中的放射性核素，以及可能產生的中子。

步驟二，高濃縮钚中子輻射場形成機理分析。分析高濃縮钚材料中子產生機理，分別計算得出钚同位素自發裂變中子產額、钚α衰變過程放出的α通過(α，n)反應的中子產額。

步驟三，高濃縮钚中子輻射場計算。分析中子通過單位厚度材料時，從高于某能量閾的中子群中分出來而進入較低能量的中子群中支的幾率，基于分出截面理論，計算得出高濃縮钚中子劑量當量率。

三個步驟之間的關系如附圖1所示。

一、高濃縮钚材料中子輻射特性分析

以²³⁹Pu豐度大于90％的高濃縮钚材料為例，材料中主要含有²³⁹Pu及少量²⁴⁰Pu、²⁴¹Pu和²⁴¹Am。其中，²³⁹Pu和²⁴⁰Pu為超鈾元素，可產生自發裂變中子。²⁴¹Am和雜質發生(α，n)反應產生中子，故钚發射自發裂變中子、增殖中子和(α，n)反應產生的中子可能會對工作人員形成外照射。各核素主要中子輻射特性見表1。

表1高濃縮钚材料中子輻射特性

二、高濃縮钚中子輻射場形成機理分析

钚材料的中子主要由自發裂變輻射中子和钚α衰變放出的α通過(α，n)反應出射中子兩部分組成，大多數情況下，當材料中含有一定量較高α衰變率的²⁴¹Am核素時，(α，n)產生的中子占高濃縮钚材料釋放中子的主要部分，兩者產生的中子能譜見附圖2和附圖3。钚主要同位素自發裂變中子產額見表2。另外，钚α衰變過程放出的α也可以通過(α，n)反應生成出射中子。當材料中含有一定量較高α衰變率的²³⁸Pu和²⁴¹Am核素時，(α，n)產生的中子強度則可與材料中自發裂變的中子強度相比，表3列出了部分钚同位素的(α，n)中子產額。

表2钚同位素自發裂變中子產額

表3(α，n)反應的中子產額

三、高濃縮钚中子輻射場計算

高濃縮钚材料中發射的中子為快中子，快中子通過屏蔽物質時，主要發生彈性與非彈性散射而損失能量，此外，被物質吸收時，還要發射俘獲γ射線。它與原子核的作用過程，以及截面與能量的關系都相當復雜，且有些截面數據尚不完全清楚。所以，計算中子在屏蔽體中的減弱規律，遠比γ射線復雜，所以，大多數情況下，采用簡單的近似或經驗公式計算，如查圖法和半厚度法。但在需要精確計算時，采用上述方法是不夠的，而要考慮基于分出截面法的計算方法。

分出截面法的原理是中子通過單位厚度材料時，從高于某能量閾的中子群中分出來而進入較低能量的中子群中支的幾率。經分析，高濃縮钚發射的快中子在外層屏蔽體中各向同性，滿足指數衰減規律，基于分出截面理論，建立了高濃縮钚中子劑量當量率計算公式。同時，隨著貯存時間的增加，高濃縮钚材料內部的放射性核素組分會發生變化，導致輻射強度的改變，本方法在此引入中子輻射強度系數對不同貯存時間的高濃縮钚材料周圍中子輻射場的計算進行修正。

式中：

為劑量當量率，單位為Sv/s；

f為中子輻射強度系數，無量綱。其值為貯存后高濃縮钚材料的衰變熱功率與初始狀態下衰變熱功率的比值；