壓水堆工作場所模擬中子參考輻射場的建立

劉毅娜，王志強，李春娟，劉蘊韜，陳 軍，李 瑋，駱海龍

(中國原子能科學研究院 計量測試部，計量與校準技術(shù)國防科技重點實驗室，北京 102413)

中子劑量是核電站必要的常規(guī)監(jiān)測項目。常用的中子劑量監(jiān)測儀表主要有兩類：一類是針對個人劑量監(jiān)測的中子個人劑量計；另一類是針對場所監(jiān)測的中子周圍劑量當量率儀。目前國內(nèi)中子劑量儀表的常規(guī)檢定主要在241Am-Be和252Cf中子源參考輻射場中進行[1-2]。壓水堆工作場所的中子譜是由燃料棒內(nèi)的235U裂變中子(裂變中子譜)經(jīng)過重生物屏蔽材料的慢化和散射形成，包括沒有發(fā)生碰撞的高能中子、近似1/En依賴的散射中子和熱中子[3]，能量范圍一般在熱能～10 MeV之間，其能量分布與常用的241Am-Be中子源和252Cf中子源的中子能譜差別較大。相比之下，現(xiàn)有校準輻射場的能譜較硬，造成采用放射性核素中子源校準的中子劑量儀表測量的中子劑量與實際場所的中子劑量差異較大，有時達到幾倍或數(shù)量級的差別。在實驗室內(nèi)建立與反應(yīng)堆工作場所一致或相近的中子場(能譜相同或相近)[4-7]，可給出適合工作場所使用的劑量儀的校準因子，提高中子監(jiān)測的準確性和可靠性。

本文擬利用2×1.7 MV串列加速器T(d,n)4He反應(yīng)產(chǎn)生的14.8 MeV單能中子，以及適當?shù)闹凶勇⑸溲b置建立壓水堆工作場所模擬中子參考輻射場。采用2臺中子譜儀測量不同中子慢化散射材料組合下校準區(qū)的中子能譜及中子周圍劑量當量，在一種慢化散射材料組合下，對2臺典型的中子周圍劑量當量(率)儀進行校準，并與放射性核素中子源參考輻射場的校準因子進行比較。

1 方法

1.1 實驗裝置

1) 中子慢化散射裝置

中子慢化散射裝置由貧鈾中子轉(zhuǎn)換體、包裹貧鈾的鐵殼、水箱和分層拼接的聚乙烯散射室組成。各部分材料的尺寸及幾何參數(shù)經(jīng)過模擬計算優(yōu)化[8]，裝置剖面如圖1所示。校準區(qū)位于距離加速器靶頭150 cm處。

2) 中子譜儀

采用2臺基于反沖質(zhì)子法的中子譜儀，即中子旋轉(zhuǎn)譜儀(ROSPEC譜儀)和中子閃爍譜儀(S.S.S譜儀)，測量輻射場的中子能譜。ROSPEC譜儀測量的中子能量范圍為熱能～4.5 MeV，探測單元由3個φ5.08 cm內(nèi)充不同氣壓氫氣的球形正比計數(shù)器、1個φ15.24 cm內(nèi)充氬甲烷混合氣的球形正比計數(shù)器、1個φ5.08 cm的裸3He球形正比計數(shù)器和1個φ5.08 cm帶10B涂層的3He球形正比計數(shù)器組成。6個探測單元單獨記錄和處理信號。譜儀的電機可使探測器的支撐平面勻速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)在譜儀覆蓋面尺度對輻射場的均勻測量。S.S.S譜儀測量的中子能量范圍為4～17 MeV，探測單元為塑料閃爍體陣列，閃爍體尺寸的選擇既考慮了系統(tǒng)的中子探測效率，同時又將探測單元對γ射線的靈敏度降到最低。對2臺譜儀測量的脈沖幅度譜進行多道解譜，可得到各探測器測得的中子注量和劑量當量，并得到熱能～17 MeV范圍內(nèi)的中子束流監(jiān)視器。

圖1 中子慢化散射裝置剖面Fig.1 Profile of neutron moderating and scattering assembly

3) 束流監(jiān)視器

由于依托加速器中子源建立模擬中子參考輻射場，為保證校準儀表時的量值傳遞屬性，必須考慮與中子產(chǎn)額相關(guān)的歸一化儀器可靠性，即必須有1臺或多臺能反映因加速器束流及靶材料變化而引起的中子產(chǎn)額變化，并可實時同步監(jiān)測的儀器。

經(jīng)過中子慢化散射裝置產(chǎn)生的中子束類似于準直束，因此無法在中子束出射端放置中子束流監(jiān)視器。如果采用在靶端安置中子束流監(jiān)視器的方式，由于距離靶較近，靶點位置的變化會造成監(jiān)視數(shù)據(jù)不可靠。因此采用T(d,n)4He伴隨α粒子測量裝置作為中子產(chǎn)額的歸一化儀器，測量結(jié)果不受散射本底的影響，保證監(jiān)視數(shù)據(jù)的可靠性。

4) 待檢中子周圍劑量當量(率)儀

選定目前國內(nèi)常用的2臺典型結(jié)構(gòu)的中子劑量儀作為校準對象，分別為中國原子能科學研究院生產(chǎn)的NH-1A型和美國熱電公司生產(chǎn)的FHT 762型中子周圍劑量當量(率)儀。2臺中子周圍劑量當量(率)儀使用的熱中子探測器均為3He正比計數(shù)管，NH-1A的慢化體為φ20 cm的球體，F(xiàn)HT 762的則為φ22.86 cm×21 cm的近似等高圓柱體。

1.2 輻射場參數(shù)測量

1) 中子能譜

中子能譜是模擬中子參考輻射場的基本參數(shù)，通過中子能譜分布可計算出中子周圍劑量當量和個人劑量當量。本文分別測量4種不同中子慢化散射裝置組合下的中子能譜：組合1，聚乙烯散射室長度50 cm、無水層、校準距離150 cm；組合2，聚乙烯散射室長度60 cm、水層厚度4 cm、校準距離150 cm；組合3，聚乙烯散射室長度80 cm、水層厚度4 cm、校準距離150 cm；組合4，聚乙烯散射室長度100 cm、水層厚度4 cm、校準距離179.6 cm。通過伴隨α粒子裝置進行束流歸一化，得到在熱能～17 MeV能量范圍內(nèi)的中子能譜。

2) 中子周圍劑量當量

根據(jù)測量的中子能譜，以及ICRP 74號出版物中列出的單能中子-周圍劑量當量轉(zhuǎn)換系數(shù)[9]，計算各組合下的中子周圍劑量當量。

1.3 中子周圍劑量當量率儀的校準

在組合4下，利用模擬中子參考輻射場分別校準NH-1A型和FHT 762型中子周圍劑量當量(率)儀。校準時均采用攝像頭進行遠距離讀數(shù)。根據(jù)式(1)計算校準因子N。在241Am-Be中子源參考輻射場下，也對2臺儀器進行校準，房間散射中子本底利用影錐法扣除。

N=Ht/M=H0C/M

(1)

式中：Ht為周圍劑量當量約定真值；H0為單位束流監(jiān)視器計數(shù)對應(yīng)的中子周圍劑量當量；M為待校儀表讀數(shù)；C為儀表測量時對應(yīng)的束流監(jiān)視器計數(shù)。

2 結(jié)果與討論

4種不同中子慢化散射裝置組合下的中子能譜測量結(jié)果及采用MCNP程序模擬計算的結(jié)果示于圖2(En為中子能量，Φ(En)為中子能量En的注量)。從有無水層的中子能譜測量結(jié)果可看出，由于水對快中子的吸收和慢化作用，不僅增加了熱中子成分，而且使高能中子得到軟化。隨著聚乙烯散射室長度的增加，能譜中的低能中子和熱中子成分增加，即聚乙烯散射室的長度越長，熱中子和中能中子的成分越多。比較各組合下的測量結(jié)果和模擬計算結(jié)果可看出，在快中子能區(qū)計算譜和測量譜的形狀較為吻合，但在熱能區(qū)的差異很大，有可能是該中子譜儀在熱能區(qū)的“欠響應(yīng)”引起的。ROSPEC譜儀采用涂10B和無涂層的2個球形3He正比計數(shù)器解譜得到熱能～50 keV范圍內(nèi)的中子能譜，該能區(qū)的能量分辨率較差。與能量在50 keV以上的中子相比，該能區(qū)的中子注量-周圍劑量當量轉(zhuǎn)換系數(shù)一般只有其幾分之一或低一兩個量級，因此對于模擬中子參考輻射場總的周圍劑量當量影響不大。對于參考輻射場，有必要加強進一步研究，采用多種測量手段以進行比較，如基于少道解譜的中子多球譜儀。

圖2 4種中子慢化散射裝置組合下的中子能譜測量結(jié)果及MCNP程序模擬計算結(jié)果Fig.2 Measurement result of neutron spectrum and simulation result of MCNP code under four neutron moderating and scattering devices

根據(jù)中子能譜測量結(jié)果計算的中子周圍劑量當量率列于表1，2臺中子周圍劑量當量(率)儀在模擬中子參考輻射場下的校準因子列于表2，在241Am-Be中子源參考輻射場下的校準因子列于表3。綜合表2和表3的校準結(jié)果可知，對于NH-1A型和FHT762型中子周圍劑量當量(率)儀，在241Am-Be放射性核素中子源參考輻射場下的校準因子與模擬中子參考輻射場下的校準因子有較大差異，前者約為后者的4～5倍。由此可知，這兩類中子周圍劑量當量(率)儀用于反應(yīng)堆工作場所中子劑量監(jiān)測時，如果使用241Am-Be中子源下測量的校準因子，可能會高估場所的中子周圍劑量當量。

表1 各組合下的中子周圍劑量當量率計算結(jié)果Table 1 Calculation result of neutron ambient dose equivalent rate for each simulated combination after normalized

表2 兩臺中子周圍劑量當量(率)儀在模擬中子參考輻射場下的校準因子Table 2 Calibration factors of two instruments in simulated neutron reference field

表3 兩臺中子周圍劑量當量(率)儀在241Am-Be中子源參考輻射場下的校準因子Table 3 Calibration factors of two instruments in 241Am-Be neutron reference field

3 結(jié)論

采用加速器中子源與以貧鈾轉(zhuǎn)換體和聚乙烯散射室為主體的中子慢化散射裝置，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了在實驗室內(nèi)模擬壓水堆工作場所的中子參考輻射場，建立了中子劑量儀表響應(yīng)校準平臺，為在常規(guī)中子參考輻射場中校準此類儀表與在實際工作場所測量偏差較大問題提供了參考。另外，反應(yīng)堆工作場所個人劑量監(jiān)測的準確性是人員輻射安全的重要保證，而中子注量-個人劑量當量轉(zhuǎn)換系數(shù)不僅強烈依賴于入射中子能量，也隨著中子入射角度有所變化，因此在后續(xù)研究中，需要進一步建立模擬中子參考輻射場對中子個人劑量計的校準方法。