基于MCNP对燃料包壳厚度测量影响因素的分析研究

摘要

本论文来源于中国核动力研究设计院的生产性科研项目，其研究是基于目前快速发展的MCNP模拟技术，对现有燃料包壳厚度测量系统中影响测量结果的因素进行模拟分析，以解决系统测量中稳定性不足和测量结果精度不够的问题，本研究具有重要的工业应用价值。
　　论文分析了燃料包壳厚度测量方法的发展现状以及制约其发展的关键因素，提出了基于MCNP的研究方案，以计算机数值模拟为核心，以MCNP模拟的结果为参考来优化实际的测量系统，完成对整个测量系统的优化和改进。在MCNP模拟研究过程中，先将238U衰变系的β能谱进行了分析，并计算了燃料包壳各组分的衰减系数，再提出了影响测量结果的因素:面密度、边缘效应、准直孔、探测器探测效率、本底和反散射等。通过对各因素进行MCNP建模计算，分别找到各因素对测量结果的影响程度和改进方案，最后给出了系统优化的参数配置。
　　与传统的实验测量方法相比，MCNP模拟分析技术具有高效率、针对性强、实现方便和成本低廉等优势。论文对MCNP建模研究方法和包壳测量进行了深入研究，并通过对各模拟计算方案的比较分析，为该技术的实际应用做了卓有成效的探索。
　　本研究取得的主要成果有:
　　1、初步判断出238U衰变能谱在此燃料包壳中的射程在0.6mm附近;在包壳厚度小于0.6mm前，整个计数曲线呈现线性减小的规律。
　　2、238U连续能谱的线性衰减系数μ连续=2.5419;2.32MeV能量的线性衰减系数μ2.32MeV=2.1756;线性衰减系数的关系为μNi＞μSn＞μFe＞μ(Zr)＞μCr;238U衰变系和2.32MeV单一能量与理论计算（238U衰变系）的相对误差不大于5％。
　　3、面密度中:厚度不同，密度相同时，在芯体厚度较大一端的包壳厚度模拟计算值偏低;密度不同，厚度相同时，包壳厚度的模拟计算值先减小，到密度为7.256g/cm3时又逐渐增大;变换芯体长宽尺寸，在表观体积偏大的地方，探测器的计数会偏大，这样使得最后计算的线性衰减系数比实际的偏小。
　　4、探测器设置位置更靠近整个燃料元件的中心，使得边缘“1”条件下的计数更高，这种情形的探测器设置使得测量更为准确。
　　5、包壳的前三个厚度0.385mm、0.5775mm和0.77mm虽然为线性减小，但实际的浮动区间较小，分别为氦气为0.58％，空气为3.93％;在第三个厚度0.77mm后，计数基本处于平缓波动，氦气为2.44％，空气为3.59％。
　　6、准直器系统最适宜的选择为是:铅硼聚乙烯PB202(PE-19％、Pb-80％和B4C-1％)，准直孔的内半径为4cm，准直器的厚度为2cm。
　　7、整个放射“源”只经过了燃料包壳就直射到探测器，同时由于燃料包壳内部是没有芯体存在的，这给β粒子的多次散射提供了条件，使得最后的计数异常增加。
　　8、当燃料包壳厚度D(Zr)=0.835mm时，Tf有最大的计数值为0.0161。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 涡流法

1．2．2 中子活化法

1．2．3 γ射线测量法

1．2．4 X射线检测法

1．2．5 β射线检测法

1．3 研究重点和意义

1．4 研究技术路线与研究方法

1．5 论文章节内容

第2章 包壳测量理论基础

2．1 238U衰变系

2．2 β粒子与物质的相互作用

2．2．1 电离损失

2．2．2 辐射损失

2．2．3 β射线的散射

2．2．4 β射线的吸收

2．3 蒙特卡罗方法及MCNP软件

2．3．1 蒙特卡罗方法

2．3．2 MCNP建模

2．3．3 INP文件建立过程

2．4 本章小结

第3章 技术方法和MCNP建模

3．1 测量系统的建模方法

3．2 包壳厚度的计算方法

3．3 数据分析和处理方法

3．3．1 计数值重复测量

3．3．2 包壳的加工工艺

3．3．3 拟合公式

3．4 本章小结

第4章 厚度测量系统影响因素分析

4．1 抽样源项的能谱分析

4．1．1 吸收曲线

4．1．2 探测器的计数分析

4．2 线性衰减系数计算

4．2．1 β射线在包壳材料中吸收规律

4．2．2 锆合金衰减系数计算

4．2．3 锆合金各组分衰减系数计算

4．2．4 线性衰减系数的比较

4．3 面密度因素

4．3．1 面密度

4．3．2 面密度影响因素分析

4．4 边缘效应因素

4．4．1 狗骨区问题

4．4．2 探测器位置分析

4．5 间隙因素

4．6 准直孔因素

4．6．1 准直装置设计

4．6．2 准直器参数分析

4．7 与探测器效率有关的因子

4．7．1 几何因子

4．7．2 分辨时间修正因子

4．7．3 坪斜修正因子

4．7．4 反散射修正因子

4．7．5 吸收修正因子

4．7．6 计数修正

4．8 本底因素

4．8．1 宇宙射线

4．8．2 周围环境的辐射

4．8．3 探测元件中的放射性

4．8．4 降低源外因素本底的措施

4．9 基体效应因素

4．9．1 元素间吸收增强效应

4．9．2 物理化学效应

4．9．3 不均匀性效应

4．9．4 不同的材料加工工艺

4．9．5 不同的热处理方法

4．9．6 化学形态差异

4．10 反散射因素

4．10．1 反散射系数

4．10．2 反散射的计数分析

4．10．3 探测器的β能谱分析

4．11 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果