蘭州大學(xué)的中子發(fā)生器研制及應(yīng)用展望

姚澤恩，王俊潤，張 宇，韋 崢，盧小龍，徐大鵬，黑大千

(1.蘭州大學(xué) 中子應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

基于氘氘(D-D)和氘氚(D-T)聚變反應(yīng)的加速器中子源可分別產(chǎn)生約2.5 MeV和14.5 MeV的準(zhǔn)單能快中子，簡稱為中子發(fā)生器。因D-D和D-T反應(yīng)在較低的氘束流能量條件下有高的核反應(yīng)截面，用低能高壓型加速器即可實(shí)現(xiàn)較高的中子產(chǎn)額，有利于中子源的小型化。綜合幾十年的研究和發(fā)展歷程，可將中子發(fā)生器分為強(qiáng)流中子發(fā)生器、密封中子管和緊湊型中子發(fā)生器等類型。

強(qiáng)流中子發(fā)生器一般采用高壓型加速器，將幾十mA的D束流加速到300～600 keV，轟擊大面積旋轉(zhuǎn)氚鈦(TiT)或氘鈦(TiD)靶發(fā)生聚變反應(yīng)放出快中子。早在20世紀(jì)八九十年代，美國的RTNS-Ⅱ[1]和俄羅斯的SNEG-13中子發(fā)生器[2]的D-T中子產(chǎn)額已達(dá)到1013s-1水平，日本、德國的D-T中子發(fā)生器中子產(chǎn)額也達(dá)到了(4～6)×1012s-1量級(jí)。蘭州大學(xué)在20世紀(jì)八十年代末也成功研制了國內(nèi)第一臺(tái)D-T中子產(chǎn)額達(dá)3×1012s-1的強(qiáng)流中子發(fā)生器[3]。近年來中國科學(xué)院核能安全研究所也發(fā)展了一臺(tái)D-T中子產(chǎn)額達(dá)到1012s-1量級(jí)的中子發(fā)生器。強(qiáng)流中子發(fā)生器追求高中子產(chǎn)額，但其體積較大，通常固定安裝于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，主要用于開展快中子物理及快中子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究[4-7]。從長期運(yùn)行及應(yīng)用來看，因受TiT吸附靶所能承受的束流功率的限制，強(qiáng)流中子發(fā)生器的D-T中子產(chǎn)額保持在1012s-1量級(jí)更有利于長期穩(wěn)定運(yùn)行并開展中子物理研究。

密封中子管是一種真空封裝的微型中子發(fā)生器，研制于20世紀(jì)五六十年代[8]，法國、美國等研制的密封中子管已達(dá)到了較高的水平，D-T中子產(chǎn)額最高可達(dá)1010s-1，壽命可大于1 000 h。國內(nèi)密封中子管的研制和單位主要有中國工程物理研究院、西京學(xué)院、東北師范大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院等[9-11]，但國內(nèi)所開發(fā)的密封中子管中子產(chǎn)額相對(duì)偏低，且使用壽命只有200～300 h左右，提高密封中子管的使用壽命仍是需要解決的關(guān)鍵問題。密封中子管最成功的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槭蜏y井，近年來也用于其他中子應(yīng)用技術(shù)方面的研究，但因中子管微結(jié)構(gòu)的限制，中子產(chǎn)額偏低，壽命短，無法完全滿足對(duì)中子產(chǎn)額要求較高的中子照相、中子活化分析、核燃料棒235U富集度及均勻性檢測等的需求。

近年來一種有別于密封中子管結(jié)構(gòu)、能拆卸和方便維修，且中子產(chǎn)額更高的緊湊型中子發(fā)生器得到了廣泛研究和快速發(fā)展。美國已開發(fā)了多種型號(hào)的緊湊型強(qiáng)流中子發(fā)生器[12-13]，其高功率同軸緊湊型中子發(fā)生器的D-D中子產(chǎn)額達(dá)到了1011s-1，代表了世界最高水平。國內(nèi)中國原子能科學(xué)研究院研制了中子產(chǎn)額大于107s-1的D-D緊湊型中子發(fā)生器[14]，中國工程物理研究院也開展了緊湊型中子發(fā)生器的研制工作[15]，蘭州大學(xué)成功研制了D-D中子產(chǎn)額大于108s-1的自注入靶緊湊型中子發(fā)生器[16-17]。為滿足基于可控中子源的小型化中子應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高緊湊型中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額仍是追求目標(biāo)。

蘭州大學(xué)中子應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心在前期研究的基礎(chǔ)上，正在研發(fā)中子產(chǎn)額更高的新一代強(qiáng)流中子發(fā)生器，目標(biāo)是建立先進(jìn)的快中子物理及中子應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此外，正在不斷推進(jìn)緊湊型中子發(fā)生器的研制和技術(shù)提升，目標(biāo)是替代同位素中子源，為各種小型化中子應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)奠定可控強(qiáng)中子源技術(shù)。本文將對(duì)相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并展望相關(guān)計(jì)劃及應(yīng)用前景。

1 強(qiáng)流中子發(fā)生器

1.1 ZF-400強(qiáng)流中子發(fā)生器研制進(jìn)展

蘭州大學(xué)先前研制的ZF-300強(qiáng)流中子發(fā)生器采用了雙等離子體離子源，在30 mA氘混合束和能量300 keV下，最高D-T中子產(chǎn)額達(dá)到了3×1012s-1水平[3]，但雙等離子體離子源的束流D單原子離子比偏低，限制了中子產(chǎn)額的提高。后續(xù)的分析束線改造和運(yùn)行測試表明，采用D單原子分析束不僅可提高中子產(chǎn)額，而且可有效提高靶壽命[18]。

正在研制的ZF-400強(qiáng)流中子發(fā)生器采用單原子離子比更高的強(qiáng)流電子回旋共振(ECR)離子源和前分析方案[19-21]，利用400 kV倍壓式高壓電源提供主加速電場[22]，分析后的D單原子離子束經(jīng)加速管加速并聚焦到靶上，靶上D束流束斑直徑為20 mm。為提高靶所能承受的束流功率，將采用磁流體真空密封大面積水冷旋轉(zhuǎn)靶方案,靶片直徑202 mm，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。ZF-400中子發(fā)生器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所列，其束流線總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

表1 ZF-400中子發(fā)生器設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Designed parameter of ZF-400 neutron generator

目前，已完成強(qiáng)流ECR離子源及束流前分析系統(tǒng)[19,23]、高壓電源[22]、強(qiáng)流加速管、磁流體真空密封大面積水冷旋轉(zhuǎn)靶等關(guān)鍵部件的研制和測試，并完成了總體裝配和束流空載下的真空及高壓調(diào)試，其總體裝配實(shí)物照片如圖2所示。另外，在完成氚靶使用許可申請的基礎(chǔ)上，正在致力于大面積TiT靶的加工與制備，預(yù)計(jì)2022年11月完成TiT靶制備，2023年實(shí)現(xiàn)D-T快中子出束調(diào)試。

圖1 ZF-400強(qiáng)流中子發(fā)生器束流線方案Fig.1 Layout of beam line of ZF-400 neutron generator

圖2 ZF-400強(qiáng)流中子發(fā)生器總體安裝照片F(xiàn)ig.2 Installation layout of ZF-400 neutron generator

1.2 強(qiáng)流中子發(fā)生器應(yīng)用展望

1) 活化法中子核數(shù)據(jù)測量

D-D/D-T強(qiáng)流中子發(fā)生器的特點(diǎn)是可產(chǎn)生約2.5 MeV和14.5 MeV的準(zhǔn)單能快中子，且具有較高的中子源強(qiáng)度，是開展快中子物理和快中子反應(yīng)核數(shù)據(jù)測量理想的小型加速器中子源。其中，基于強(qiáng)流中子發(fā)生器并采用活化法是實(shí)現(xiàn)核素快中子反應(yīng)截面實(shí)驗(yàn)測量的重要途徑，該方法具有測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性好和精度高等優(yōu)點(diǎn)。蘭州大學(xué)基于前期研制的ZF-300強(qiáng)流中子發(fā)生器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建設(shè)了低本底γ譜儀實(shí)驗(yàn)室，已完成了70余個(gè)核素、300多個(gè)反應(yīng)道的反應(yīng)截面測量，為核數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)測量和評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)[24-27]，近年來仍在持續(xù)開展實(shí)驗(yàn)測量研究[28-29]。ZF-400強(qiáng)流中子發(fā)生器平臺(tái)建設(shè)的目標(biāo)之一是為截面更小的反應(yīng)道核數(shù)據(jù)測量提供中子源支持。

2) 裂變物理與裂變核數(shù)據(jù)研究

近年來，隨著快中子增殖反應(yīng)堆、釷基熔鹽反應(yīng)堆、加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(ADS)工程等新核能系統(tǒng)的研發(fā)，對(duì)中子誘發(fā)238U、232Th等可裂變核素及其他錒系核素的裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)提出了迫切需求。目前的現(xiàn)狀是數(shù)據(jù)庫中上述核素的裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)少且存在分歧、實(shí)驗(yàn)測量困難、裂變理論不完備，這些不足也是導(dǎo)致計(jì)算數(shù)據(jù)精度不高和裂變產(chǎn)物評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)不足的主要原因。因此，進(jìn)一步推動(dòng)裂變理論及裂變產(chǎn)物計(jì)算方法研究，同時(shí)發(fā)展實(shí)驗(yàn)測量方法，理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合以促進(jìn)裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)研究是當(dāng)務(wù)之急。

基于理論研究和數(shù)據(jù)計(jì)算需求，蘭州大學(xué)課題組在考慮殼效應(yīng)和對(duì)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種裂變核斷點(diǎn)處裂變驅(qū)動(dòng)勢模型(potential-driving model)，即將裂變核在斷裂點(diǎn)時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)勢分布用對(duì)稱裂變勢和非對(duì)稱裂變勢之和來描述[30-32]：

D=Usym(Af)+Uasym(Af)=D(Asym)·

(1)

基于potential-driving model構(gòu)建了用于初級(jí)碎片質(zhì)量數(shù)分布的計(jì)算方程，即：

(2)

其中，C為歸一化常數(shù)，對(duì)于二分核裂變，初級(jí)碎片總的產(chǎn)額應(yīng)為200%，因此，C可用下式計(jì)算：

(3)

其中：T(AFN)為裂變核的激發(fā)能；ω(En,AFN,ZFN)為對(duì)稱和非對(duì)稱裂變勢分布對(duì)初級(jí)碎片質(zhì)量數(shù)分布貢獻(xiàn)的比重，可表達(dá)為，

(4)

其中：Ppeak-to-valley為初級(jí)碎片質(zhì)量數(shù)分布的峰谷比值(函數(shù))，通常可通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、擬合后用e指數(shù)的函數(shù)來表達(dá)；En為入射中子能量。

基于所發(fā)展的裂變驅(qū)動(dòng)勢模型和裂變產(chǎn)物計(jì)算方法，開展了中子誘發(fā)典型錒系核素(232Th、235U、238U、237Np、239Pu等)裂變的發(fā)射中子前裂變碎片質(zhì)量分布計(jì)算[30-34]，與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和庫數(shù)據(jù)的對(duì)比顯示，potential-driving model計(jì)算結(jié)果顯著優(yōu)于GEF、TALYS和PYF程序的計(jì)算數(shù)據(jù)[35-36]。圖3為典型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。為進(jìn)一步驗(yàn)證potential-driving model對(duì)裂變后物理過程描述的普適性，將勢驅(qū)動(dòng)模型植入Geant4程序替換其原模型(Geant4 fission model)，通過模擬中子誘發(fā)典型錒系核素(232Th、233U、235U、238U等)發(fā)射中子后的物理過程，計(jì)算裂變獨(dú)立產(chǎn)額、累積產(chǎn)額。結(jié)果表明，計(jì)算數(shù)據(jù)能較好地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及庫數(shù)據(jù)符合，展現(xiàn)了較好的核素適應(yīng)性和較寬的中子能區(qū)適應(yīng)性[30]。總體上，potential-driving model能較好地描述中子誘發(fā)裂變核在斷點(diǎn)時(shí)刻的裂變驅(qū)動(dòng)勢分布特征，并能高精度定量計(jì)算發(fā)射中子前裂變碎片的質(zhì)量分布，與Geant4程序結(jié)合后，能準(zhǔn)確描述裂變后物理過程并計(jì)算相關(guān)裂變物理量。目前，已基于此模型發(fā)展封裝了專用計(jì)算程序，為裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)的計(jì)算提供了一種新途徑。只需輸入核素的A和Z、入射中子能量參數(shù)，即可計(jì)算得到發(fā)射中子前裂變產(chǎn)物的質(zhì)量分布和電荷分布，計(jì)算程序的入射中子能量適應(yīng)范圍為0.5～160 MeV。

盡管potential-driving model能較好地計(jì)算裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)，但該模型無法對(duì)裂變核斷點(diǎn)前的物理過程進(jìn)行有效描述。為描述中子誘發(fā)裂變核斷點(diǎn)前的物理過程并開展裂變動(dòng)力學(xué)研究，國際上已發(fā)展了基于宏觀-微觀理論的五維位能曲面模型和基于唯象理論的無規(guī)頸斷裂模型等，并開展了大量相關(guān)研究[38-40]，為裂變動(dòng)力學(xué)研究和裂變碎片分布計(jì)算提供了有效途徑。國內(nèi)北京大學(xué)樊鐵栓團(tuán)隊(duì)近年來系統(tǒng)開展了中子誘發(fā)錒系核素裂變的宏觀-微觀理論研究和勢能曲面的計(jì)算研究[41-43]，并發(fā)展了多模式裂變路徑搜索算法，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了中子誘發(fā)典型錒系核素裂變后裂變碎片質(zhì)量分布和電荷分布的計(jì)算，得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好的研究結(jié)果[44]。

圖3 中子誘發(fā)232Th和238U裂變發(fā)射中子前裂變碎片質(zhì)量分布典型數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Pre-neutron emission fission-fragment mass distribution for neutron-induced 232Th and 238U fission

蘭州大學(xué)課題組在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)形變核廣義Lawrence形狀描述，建立了五維勢能曲面模型，在計(jì)算形變核勢能曲面演變過程的基礎(chǔ)上，發(fā)展了基于降水算法的最優(yōu)裂變路徑搜索算法，在確定斷點(diǎn)形變核關(guān)鍵參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合無規(guī)頸斷裂模型，實(shí)現(xiàn)了裂變產(chǎn)物分布的計(jì)算，得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好的研究結(jié)果[45]，相關(guān)研究還在進(jìn)一步完善推進(jìn)中。將potential-driving model和五維勢能曲面模型相結(jié)合，試圖發(fā)展闡述裂變?nèi)锢磉^程、普適度較高的理論與高精度計(jì)算方法。

圖4 TFGIC探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of TFGIC detector

在裂變理論和裂變產(chǎn)物及物理量計(jì)算方法研究的同時(shí)，還致力于發(fā)展裂變產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)測量方法，開展裂變產(chǎn)物核數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)測量。實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，是開展裂變物理及裂變核數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)性重要步驟。多年來國際上已發(fā)展了多種裂變產(chǎn)物測量方法，并獲得了精度較高的中子誘發(fā)典型錒系核素裂變產(chǎn)物質(zhì)量分布數(shù)據(jù)[46-49]，國內(nèi)中國原子能科學(xué)研究院在裂變產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)測量方面也開展了卓有成效的研究[50-51]。蘭州大學(xué)課題組在前人研究的基礎(chǔ)上，正在發(fā)展用于裂變碎片測量的雙屏柵電離室(TFGIC)探測器系統(tǒng)[52]。TFGIC電極組成如圖4所示，由2個(gè)陽極、2個(gè)柵極和1個(gè)陰極組成，裂變靶安放在柵極中心位置，電極對(duì)稱安裝并封裝成電離室探測器，內(nèi)充流氣式P10(90%Ar+10%C4H10)工作氣體。當(dāng)中子由垂直于靶面方向入射至位于陰極的裂變靶上時(shí)，發(fā)生裂變核反應(yīng)并生成2個(gè)裂變碎片(FF1和FF2)，具有較高動(dòng)能的2個(gè)裂變碎片從裂變靶中射出，與探測器內(nèi)的工作氣體相互作用產(chǎn)生電子-離子對(duì)，在探測器內(nèi)部電場作用下，電子向柵極漂移，并在柵極和陰極上形成脈沖信號(hào)；當(dāng)電子穿越柵極，進(jìn)入柵極與陽極之間的空間后，將會(huì)在陽極上形成脈沖信號(hào)。

TFGIC探測器陽極輸出信號(hào)幅度與裂變碎片動(dòng)能之間的關(guān)系可用以下方程[53]描述：

i=1,2

(5)

(6)

目前，已完成TFGIC探測器的能量刻度、能量分辨率、柵極非屏蔽因子等實(shí)驗(yàn)測試，完成了裂變碎片在靶中能損修正方法研究，并發(fā)展了裂變碎片質(zhì)量的反演迭代算法等工作，相關(guān)細(xì)節(jié)參見文獻(xiàn)[52]。需要強(qiáng)調(diào)的是，為同時(shí)測量2個(gè)關(guān)聯(lián)碎片信息并盡可能降低碎片在靶中的能損，TFGIC探測器需采用厚度約0.4 μm的超薄裂變靶，即入射單位中子引起的裂變反應(yīng)率很低，故實(shí)驗(yàn)要求要有高的入射中子注量率，ZF-400強(qiáng)流中子發(fā)生器，可為該實(shí)驗(yàn)測量提供高注量率快中子束。

2 緊湊型中子發(fā)生器

2.1 緊湊型中子發(fā)生器研制進(jìn)展

在國家重大科學(xué)儀器開發(fā)專項(xiàng)的支持下，蘭州大學(xué)已成功研制了緊湊型中子發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，由中子發(fā)生器主體、電源及控制測量集成柜、工控機(jī)、冷卻循環(huán)機(jī)等4部分組成[16-17,54]。緊湊型中子發(fā)生器的主體結(jié)構(gòu)如圖6所示，外型尺寸長小于1 000 mm，外徑234 mm，由雙等離子源系統(tǒng)、離子束引出加速及靶系統(tǒng)、高壓接頭、真空腔和真空泵等部分裝配而成，兩端法蘭可打開，可方便更換靶片和其他元件，以提高中子發(fā)生器的使用壽命、降低使用成本。圓筒形中子發(fā)生器外殼接地，有良好的高壓安全性。中子發(fā)生器由一臺(tái)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，控制軟件界面友好、易操作，且具有數(shù)據(jù)庫功能，可保存運(yùn)行歷史記錄。

圖5 緊湊型中子發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)[40]Fig.5 Overall structure of compact neutron generator[40]

圖6 緊湊型中子發(fā)生器主體裝配示意圖Fig.6 Assembly drawing of compact neutron generator

緊湊型中子發(fā)生器靶上D束流強(qiáng)度為1～10 mA，D束流能量為120～150 keV，束斑直徑約為12 mm(靶點(diǎn)痕跡測量值)，在采用鉬金屬自注入靶條件下，可實(shí)現(xiàn)D-D模式下的長時(shí)間運(yùn)行，D-D中子產(chǎn)額可大于5×108s-1，靶壽命大于8 000 h。圖7為約150 min的 D-D中子產(chǎn)額的典型測量數(shù)據(jù)，采用EJ-410(ZnS:Ag)閃爍體探測器實(shí)現(xiàn)D-D中子產(chǎn)額監(jiān)測，測量時(shí)將EJ-410探測器置于90°方向，其對(duì)D-D中子的探測效率約為1.71%(為伴隨粒子系統(tǒng)的刻度數(shù)據(jù))，同時(shí)考慮了D-D中子源的各向異性修正，詳細(xì)的測量方法參見文獻(xiàn)[17,54]。圖7中前30 min顯示了鉬靶的自注入效應(yīng)，30 min后自注入飽和，中子產(chǎn)額波動(dòng)不大于3%，顯示出良好的運(yùn)行穩(wěn)定性。該緊湊型中子發(fā)生器已具備產(chǎn)生D-T中子產(chǎn)額大于1010s-1量級(jí)的能力。

圖7 D-D中子產(chǎn)額隨時(shí)間的變化[17]Fig.7 D-D neutron yield as a function of operation time[17]

目前蘭州大學(xué)已完成3套緊湊型D-D中子發(fā)生研制任務(wù)，其中2套已提供用戶使用。另外，將緊湊型中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額再提升一個(gè)量級(jí)的升級(jí)工程正在實(shí)施中，主要開展三方面攻關(guān)，即研制D單原子離子比更高的內(nèi)置天線RF離子源，將D束流能量提高到200 keV，同時(shí)優(yōu)化靶冷卻結(jié)構(gòu)，使靶上承受束流功率大于1 kW。目前，升級(jí)工程進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)2022年年底調(diào)試達(dá)到指標(biāo)。

2.2 緊湊型中子發(fā)生器應(yīng)用展望

所開發(fā)的緊湊型中子發(fā)生器可在D-D和D-T兩種模式下運(yùn)行，在D-D和自注入靶運(yùn)行模式下，不使用氚靶，有更好的輻射安全性和低的運(yùn)行成本，其D-D中子產(chǎn)額已完全滿足在線中子活化分析的需要。另外，緊湊型中子發(fā)生器的研制也為小型化中子照相、核燃料棒235U富集度及均勻性檢測等中子應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)奠定了可控中子源基礎(chǔ)。

1) 基于緊湊型中子發(fā)生器的中子照相系統(tǒng)

基于緊湊型D-T中子發(fā)生器可以開發(fā)小型化快中子照相系統(tǒng)，為此蘭州大學(xué)已開展了快中子照相準(zhǔn)直屏蔽體設(shè)計(jì)及中子束特性模擬研究[55]，圖8為快中子照相準(zhǔn)直屏蔽體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，圖9為準(zhǔn)直快中子束在樣品平面上相對(duì)于單位源中子的中子注量分布。由圖9可知，在距離準(zhǔn)直孔出口16 cm的樣品平面上直徑14 cm視野范圍，準(zhǔn)直中子束的中子注量不均勻度不大于5%，在D-T中子產(chǎn)額達(dá)到2×1010s-1時(shí)，樣品平面上中子注量率可大于105cm-2·s-1的水平，可滿足快中子照相的要求。

圖8 快中子照相準(zhǔn)直屏蔽體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[41]Fig.8 Design of beam-shaping-assembly for fast neutron radiography[41]

圖9 樣品平面相對(duì)中子注量分布[41]Fig.9 Distribution of relative neutron flux on sample plane[41]

此外，已研制了一套基于微通道板+熒光屏+CCD相機(jī)的數(shù)字化快中子像探測器[56-57]，并開展了快中子照相的實(shí)驗(yàn)測試研究[58]。測試時(shí)使用中國原子能科學(xué)研究院600 keV中子發(fā)生器和快中子準(zhǔn)直器，中子發(fā)生器靶點(diǎn)到快中子準(zhǔn)直器出口的距離約為1 500 mm，經(jīng)伴隨粒子D-T中子產(chǎn)額測量系統(tǒng)監(jiān)測，物平面上快中子平均注量率約為3.3×104cm-2·s-1。在上述條件下，像探測器在約5 min時(shí)間范圍內(nèi)可成1幅圖像，顯示出較快的成像速度。圖10為厚度為40 mm的不同材料樣品的D-T中子透射照相原始照片，可見快中子照相對(duì)材料有一定的識(shí)別能力。圖11a為厚度為5 mm的不銹鋼板圓孔樣品成像原始照片，綜合分析圖像空間分辨率約為500 μm。利用局部大津閾值法對(duì)視野區(qū)域進(jìn)行二值化處理將圓孔圖像與背景圖像分離，成功識(shí)別了7個(gè)圓孔圖像，結(jié)果如圖11b所示(局部放大圖)。計(jì)算顯示，識(shí)別后編號(hào)為2、3、4、5、7的圖像面積大于圓孔實(shí)際面積，相對(duì)偏差在18%～38%；編號(hào)為6的圖像面積明顯小于孔徑為0.5 mm的圓孔實(shí)際面積，相對(duì)偏差約為-19%，主要原因可能是此圓孔尺寸已超出探測器的空間分辨能力；編號(hào)為1的圖像面積顯著小于孔徑為1 mm的圓孔實(shí)際面積，相對(duì)偏差達(dá)約-56%，其原因可能是此孔位置處于準(zhǔn)直束和探測器邊緣，準(zhǔn)直中子束注量的不均勻性及擺放位置不正等因素所致。

圖10 不同材料快中子透射照相照片[44]Fig.10 Fast neutron transmission image of different materials[44]

前期研究顯示，基于緊湊型D-T中子發(fā)生器有望發(fā)展小型化透射式快中子照相系統(tǒng)，同時(shí)，發(fā)展基于緊湊型D-T中子發(fā)生器的伴隨粒子符合成像系統(tǒng)也是值得攻關(guān)的課題。另外，基于緊湊型D-D中子發(fā)生器還可以發(fā)展小型化熱中子照相系統(tǒng)。初步的模擬設(shè)計(jì)表明，在D-D中子產(chǎn)額大于1010s-1條件下，有望獲得熱中子注量率大于104cm-2·s-1的慢化準(zhǔn)直束，故進(jìn)一步提高D-D中子產(chǎn)額是需要攻關(guān)的課題。

圖11 不銹鋼板圓孔樣品快中子成像照片[44]Fig.11 Fast neutron image of stainless steel plate with circular hole[44]

2) 基于D-D緊湊型中子發(fā)生器的核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)

核燃料棒235U富集度及均勻性檢測是核燃料元件生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，主要有無源被動(dòng)法和有源主動(dòng)法兩種檢測方式[59-60]。無源被動(dòng)法是通過測量235U的α衰變伴隨放出的特征γ射線強(qiáng)度來確定235U富集度，其優(yōu)點(diǎn)是不需要中子源，安全且成本低，缺點(diǎn)是檢測速度慢，且需要眾多γ探測器，探測器的性能一致性控制難，會(huì)對(duì)檢測準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，因此基于252Cf中子源的主動(dòng)法檢測系統(tǒng)仍是生產(chǎn)線上采用的主要方式[60]。有源主動(dòng)法檢測系統(tǒng)面臨的主要問題是，252Cf中子源半衰期短，需要定期補(bǔ)充。美國是252Cf的主要生產(chǎn)國家，受美國限購影響，貨源不足，價(jià)格飛漲，已成為“卡脖子”問題。

圖12 基于緊湊型D-D中子發(fā)生器的核燃料棒 235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)方案[61]Fig.12 Layout of 235U enrichment and uniformity detection system in nuclear fuel rod based on compact D-D neutron generator[61]

蘭州大學(xué)課題組提出了采用緊湊型D-D中子發(fā)生器可控中子源替代252Cf中子源，研發(fā)核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)的設(shè)想，并開展了系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)及可行性研究。圖12為基于緊湊型D-D中子發(fā)生器的核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，即在中子發(fā)生器周圍填充聚乙烯(PE)作為中子慢化體和反射體，并在PE慢化體中沿軸向開圓形孔道，用作燃料棒輸運(yùn)孔道，D-D中子經(jīng)慢化后可在孔道中產(chǎn)生較高通量的熱中子，當(dāng)核燃料棒通過孔道時(shí)，熱中子誘發(fā)燃料棒中的235U裂變產(chǎn)生裂變碎片，在孔道后端安裝γ探測器，通過測量裂變碎片發(fā)出的γ射線強(qiáng)度即可實(shí)現(xiàn)235U富集度及均勻性檢測。

圖13 不同D-D中子產(chǎn)額下γ計(jì)數(shù) 隨235U富集度增長的變化趨勢[47] Fig.13 γ-ray count as a function of 235U enrichment under different D-D neutron yields[47]

采用蒙特卡羅模擬方法開展了235U富集度與γ探測器計(jì)數(shù)相關(guān)性的模擬研究，模擬時(shí)設(shè)定燃料棒傳輸速度為7 m/min，γ探測器的測量時(shí)間為0.34 s。圖13為不同D-D中子產(chǎn)額下γ計(jì)數(shù)隨235U富集度增長的變化趨勢。由圖13可看出,D-D中子產(chǎn)額大于5×108s-1時(shí)，γ計(jì)數(shù)與235U富集度之間可以保持較好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2>0.992，對(duì)核燃料棒中10%的235U富集度相對(duì)變化的檢測置信度可達(dá)99%。

緊湊型D-D中子發(fā)生器是可維修維護(hù)的可控中子源，具有使用壽命長、運(yùn)行成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，只要在系統(tǒng)中安裝一個(gè)D-D產(chǎn)額探測器動(dòng)態(tài)檢測中子產(chǎn)額的波動(dòng)，并對(duì)γ計(jì)數(shù)進(jìn)行歸一，即可實(shí)現(xiàn)235U富集度的檢測。基于緊湊型D-D中子發(fā)生器的核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)的研發(fā)，有望解決252Cf中子源缺乏問題。

3 總結(jié)

在前期ZF-300強(qiáng)流中子發(fā)生器成功研制并應(yīng)用的基礎(chǔ)上，蘭州大學(xué)正在研制一臺(tái)中子產(chǎn)額更高的ZF-400強(qiáng)流中子發(fā)生器，其目的是為活化法快中子核反應(yīng)數(shù)據(jù)測量、裂變物理研究及裂變核數(shù)據(jù)測量等中子物理研究提供強(qiáng)快中子源。同時(shí)，還可為中子活化分析、中子照相、中子輻射生物學(xué)效應(yīng)及輻照育種、半導(dǎo)體快中子輻照效應(yīng)及抗輻射加工等中子應(yīng)用技術(shù)研究提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

針對(duì)密封中子管壽命偏短且中子產(chǎn)額偏低、252Cf同位素中子源貨源緊缺，無法完全滿足各種小型化中子應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)需要的現(xiàn)狀，蘭州大學(xué)成功研制了緊湊型中子發(fā)生器，在自注入靶條件下，D-D中子產(chǎn)額可達(dá)5×108s-1，已具備D-T中子產(chǎn)額大于1010s-1的潛力。緊湊型中子發(fā)生器的研制成功為各種小型化中子應(yīng)用技術(shù)研發(fā)奠定了可控中子源基礎(chǔ)，目前將緊湊型中子發(fā)生器中子產(chǎn)額再提高1個(gè)量級(jí)的升級(jí)工作正在實(shí)施中。基于緊湊型中子發(fā)生器，蘭州大學(xué)啟動(dòng)了小型化快中子照相系統(tǒng)的研發(fā)，并已完成了D-T快中子照相的初步實(shí)驗(yàn)測試，有望發(fā)展有應(yīng)用價(jià)值的照相系統(tǒng)。另外，蘭州大學(xué)也啟動(dòng)了基于緊湊型D-D中子發(fā)生器的核燃料棒235U富集度及均勻性檢測系統(tǒng)研發(fā)，初步的物理設(shè)計(jì)表明，當(dāng)D-D中子產(chǎn)額大于5×108s-1時(shí)即可達(dá)到較理想的檢測效果，有望解決252Cf中子源缺乏問題。