面向核军控核查的基于252Cf源驱动金属铀部件属性研究

摘要

核武器具有大规模的破坏性和杀伤力,核武器的存在和发展严重地威胁着全球的安全和人类的生存。为此，许多国家提出禁止核试验、削减核武器和反对核扩散的要求。核军控与核武器的相关条约能否得到有效执行，其核心在于核查。高浓缩金属铀部件，既是核武器制造的主要原料又是核武器生产之关键所在。因此，金属铀部件是核军控核查中重要的研究对象，能够迅速并且高精度的识别或判断出其特性，关系到能否在一系列核材料检测过程甚至国际政治斗争中处于主动地位，还关系到一个国家的领土安全和人民的生死存亡。研发准确有效的核查技术，成为国际社会必须直面的重大课题。 鉴于高浓缩金属铀部件的使用会带来敏感的政治问题和遇到强辐射的危害，开展实际的核试验及研究尤为困难。为此，本文针对面向核材料特性研究的金属铀材料（构成核武器或原子弹之“心脏”）的本质属性，依托国家自然科学基金项目(项目编号：61175005，11605017)，重庆大学中央高校基本科研业务费重点项目(项目编号：CDJZR11120006)以及中国工程物理研究院实验室研究项目(项目编号：676)等科研课题，采用蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）方法，基于252Cf（锎）中子源驱动的核查原理及方法技术，利用“时间相关”信号等参数，在国内，开展了金属铀部件本质属性的信息获取及其理论模拟仿真研究，且侧重于不同金属铀部件本质属性仿真分析，借以实现对金属铀部件的识别或判断，从而重现或“反演”面向核军控核查时的金属铀部件属性。例如，富集度、质量和几何形状，等等。 本论文的研究内容，主要是： ①研究了核查系统中252Cf作为驱动核材料裂变的中子源的探测原理和技术方法。252Cf源作为驱动源的方法，本质上是一系列脉冲中子输运过程及其核信号处理的集合。为此，依据构建于PC平台、基于蒙特卡罗方法的数学原理、物理模型及其仿真系统，模拟中子输运过程以获得有关被测金属铀部件本质属性的中子脉冲时域信号，此将包含含铀材料的质量、富集度及几何形状等信息。 ②开展了金属铀部件的富集度属性分析与识别研究工作。判断金属铀部件是否是高浓缩铀，是否是核军控核查的研究对象，这是核查的重要环节。其目的是，排除非武器级核材料的干扰，确定高浓缩铀部件，此为后续对高浓缩铀部件的其他属性分析与识别提供了条件。通过基于252Cf源驱动铀部件探测系统，获得了质量相同、富集度不同的铀部件的中子“时间相关”函数，研究了“时间相关”函数对富集度的识别机制和识别方法。进而，对系统实际测量结果进行了相关性分析，验证了相关性分析对铀部件富集度识别的有效性。鉴于铀部件使用的特殊性和困难性，选择了蒙特卡罗方法借以研究铀部件富集度属性的分析与识别研究工作。 ③研究了高浓缩金属铀部件的质量属性。252Cf源发射的中子诱发高浓缩铀部件发生裂变的过程中，中子的能量分布在相当大的范围内，此时，单能模型显然不再适用。为此，采用能区分段理论，通过将中子能量区域按能量大小划分为多个能区，以此对每一个能区内的中子按照单能模型进行处理与分析。对于质量不同的铀部件运用能区分段理论，分析了不同能区的中子时间关联符合计数，采用了中子的最概然能量区间的信号或选择适当的延迟时间，完成高浓缩金属铀部件有关质量属性的分析与识别。在不改变系统结构和不影响准确性的情况下，这是减少测量时间属性标签的提取方法。 ④开展了高浓缩金属铀部件几何形状属性分析与识别研究工作。高浓缩铀部件仅有几何形状的差别，直接利用中子相关信号进行识别非常困难。为此，在仅有几何形状差异时，基于主元分析融合最小二乘支持向量机的中子信号分析方法技术，可以有效实现几何形状的分析与识别。同时，通过去除散射中子的影响，利用裂变中子相关函数，亦可实现形状分辨的目的。由于裂变中子数量相对较少，采用时间关联符合积分计数进行处理和分析，可以更灵敏、准确地实现铀部件形状识别，优化了系统属性识别的能力。 ⑤研究了高浓缩金属铀部件反射层效应。高浓缩铀部件带有反射层，虽可以阻止更多的中子从系统中泄漏，但这给辐射信号的提取带来了困难。通过将中子时间关联符合计数、能区分段理论等方法引入识别系统，得到了一系列特征标签，通过对不同材料、不同厚度的反射层效应比较分析，有效地实现了对带有反射层的铀部件进行探测和识别。 本论文鉴于金属铀部件使用的敏感性和强放射性等因素，立足于蒙特卡罗方法的中子输运过程之数学物理模型，构建了面向核材料检测的基于252Cf作为驱动源的含铀材料裂变噪声分析的金属铀部件属性参数仿真测量系统，获得了被测金属铀部件本质属性的中子脉冲时域相关信号。基于此，深入、系统地研究了金属铀部件的富集度、质量、几何形状和反射层效应的属性测量，通过对中子相关信号的分析与处理，实现了金属铀部件属性的分析与识别，这为实际使用和试验研究尤为困难的高浓缩金属铀部件属性测量，开辟了新的研究方法技术或途径。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 研究的目的与意义

1.4 论文主要研究内容

2 基于252Cf源驱动噪声分析法的基本理论

2.1 基本原理

2.2 测量系统

2.2.1 中子脉冲序列信号测量

2.2.2 时域相关信号测量

2.3.1 中子自发裂变的数学统计模型

2.3.2 中子诱发裂变点堆模型

2.3.3 多通道中子之间的数学统计特征

2.3.4 252Cf源与探测器间的互相关函数

2.4 本章小结

3 金属铀部件富集度属性研究

3.1 基于时域相关的金属铀部件属性识别方法

3.2 金属铀部件属性测量实现方法

3.2.1 蒙特卡罗方法及其软件包MCNP

3.2.2 金属铀部件仿真系统构成

3.2.3 金属铀部件属性测量MCNP仿真实现

3.3.1 测量及其识别原理

3.3.2 基于相关函数间距的富集度分析与识别

3.4 金属铀部件富集度属性识别仿真研究

3.4.1 仿真结果及对比分析

3.4.2仿真结果与实验测量对比分析

3.4.3 核反应截面仿真计算及对比研究

3.5 本章小结

4 金属铀部件质量属性研究

4.1 能量相关的中子输运理论

4.2 质量属性识别研究

4.2.1 不同能量区间仿真结果及分析

4.2.2 中子净增殖研究及分析

4.3 本章小结

5 金属铀部件几何形状属性研究

5.1 增殖系统临界条件

5.2 金属铀部件几何形状与临界的关系

5.3.1 不同质量、不同尺寸球形铀部件仿真

5.3.2 相同质量、不同形状铀部件测量仿真

5.4.1 主元分析方法(PCA)

5.4.2最小二乘支持向量机（LSSVM）

5.4.3 基于PCA-LSSVM方法的几何形状识别

5.5.1 裂变中子和散射中子仿真结果及讨论

5.5.2 裂变中子“时间相关”信号仿真结果

5.5.3 几何形状识别的优化

5.6 本章小结

6 金属铀部件反射层效应属性研究

6.1 反射层的作用

6.2 反射层效应测量仿真实验的构造

6.3.1 不同厚度反射层效应测量仿真研究

6.3.2 不同材料、不同厚度反射层效应测量仿真研究

6.4 不同质量反射层效应仿真研究

6.5 本章小结

7 总结与展望

致 谢

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目及取得的成果目录