CN108806816A - 一种中子能谱精准调控技术及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中子能谱精准调控技术及装置，包括外中子源、模块化中子能谱调控区、中子能谱精细调控区、屏蔽层、以及中子能谱调节单元存储区。其中，模块化中子能谱调控区、中子能谱精细调控区、中子能谱调节单元存储区均包括多个标准中子能谱调节单元，每个标准中子能谱调节单元外壳尺寸完全相同，位置可以任意互换；每个标准中子能谱调节单元内部填充有多个模块化结构，每个模块化结构内部选择性填充所需材料或材料组分，实现对中子能谱的精准梯度调节。本发明可动态精准构建多种类型的复杂中子能谱，为先进核能系统研发及核技术交叉应用研究提供特定中子能谱辐射场。

Description

一种中子能谱精准调控技术及装置

技术领域

本发明涉及核工程技术领域，尤其涉及一种中子能谱精准调控技术及装置。

背景技术

面对日益加剧的能源危机以及化石能源产生的温室效应、环境污染等问题，世界各国对核能的发展给予了极大重视。我国目前是世界上核能发展最快的国家，同时我国核能占比仍远低于世界平均水平，具有较大的发展空间。传统核能系统存在高放核废料累积安全问题，研发新型洁净先进核能系统是目前核能研究的前沿领域。

先进核能系统的研发涉及到中子物理、材料技术、系统核工程等多学科交叉领域，具体包括核设计理论与软件研发、核数据测量与验证、部件核性能测试、辐射防护技术研究等，这些技术的实现需要在相应的特定中子能谱辐射场中开展实验研究。

同时，核技术交叉应用研究已在医学、工业、国防等领域得到广泛应用，中子治疗、中子照相、中子活化分析等已成为核技术交叉应用研究的热点。这些技术在推广应用前需要开展大量的实验，其中必不可少的就是在特定的中子能谱辐射场环境中进行检验。

不同的先进核能系统和不同的核技术交叉应用，它们需要的中子能谱辐射场都不一样，中子能谱复杂且差异很大。现有的中子能谱辐射场实验装置主要集中在同位素外中子源、裂变反应堆和加速器外中子源，然而它们产生的中子能谱固定单一，且与先进核能系统研发及核技术交叉应用研究需要的复杂中子能谱辐射场不一致，实验验证结果的准确性和可靠性备受质疑。

因此，研发可精准构建多类型复杂中子能谱的调控装置，再现先进核能系统研发及核技术交叉应用研究需要的中子能谱辐射场环境成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中子能谱精准调控技术及装置，精准构建多类型复杂中子能谱，以再现先进核能系统研发及核技术交叉应用研究需要的中子能谱辐射场环境。

为此，本发明提供了一种中子能谱精准调控技术及装置，包括外中子源、模块化中子能谱调控区、中子能谱精细调控区、屏蔽层、以及中子能谱调节单元存储区，其中，所述外中子源安装于模块化中子能谱调控区，所述屏蔽层位于所述模块化中子能谱调控区外围，所述中子能谱调节单元存储区位于所述屏蔽层内部，所述中子能谱精细调控区位于所述屏蔽层的缺口区域；所述模块化中子能谱调控区、所述中子能谱精细调控区、所述中子能谱调节单元存储区均包括多个标准中子能谱调节单元和中子能谱调节单元槽，所述标准中子能谱调节单元安装于所述中子能谱调节单元槽中，所述标准中子能谱调节单元外壳尺寸均相同、且与所述中子能谱调节单元槽内部尺寸适配，所述标准中子能谱调节单元之间的位置能够互换；以及所述标准中子能谱调节单元具备慢化、增殖、吸收、反射等一种功能或两种及以上所述功能的组合。所述中子能谱精细调控区布置有多个含有不同能量中子吸收体的标准中子能谱调节单元，调节含有不同中子能量吸收体的所述标准中子能谱调节单元的数量及插入深度，实现对产生的中子能谱进行精细调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：其一，本发明提供的一种中子能谱精准调控技术及装置，通过采用外壳尺寸完全相同的标准中子能谱调节单元以及内部尺寸完全相同的中子能谱调节单元槽，实现了标准中子能谱调节单元在装置中的位置可以任意互换，增强了中子能谱调控的便捷性；其二，通过在标准中子能谱调节单元内部采用多个模块化结构，以及在每个模块化结构内部填充所需的材料或材料组分，实现对中子能谱的精准梯度调节；其三，通过设置中子能谱精细调控区，布置多个含有不同能量中子吸收体的标准中子能谱调节单元，并调节改变其数量及插入深度，进一步实现了对中子能谱的动态精准调控；其四，通过设置中子能谱调节单元存储区，在装置运行期间根据需要替换掉功能不合适的或失效的标准中子能谱调节单元，延长了实验持续运行时间；另外，通过采用多个远控操控机械手，远程同时对任意多个标准中子能谱调节单元进行抓取、提升、平移、落下操作，提高了动态精准构建多类型复杂中子能谱的速度和安全性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的中子能谱精准调控装置的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的中子能谱精准调控装置包括外中子源1、模块化中子能谱调控区2、中子能谱精细调控区3、屏蔽层4、中子能谱调节单元存储区5、机械手6、测试区中子能谱测量系统7。

所述外中子源1安装于模块化中子能谱调控区2；所述中子能谱精细调控区3位于所述模块化中子能谱调控区2与所述测试区中子能谱测量系统7之间；所述屏蔽层4位于所述模块化中子能谱调控区2外围；所述中子能谱调节单元存储区5位于所述屏蔽层4里面；所述机械手6位于所述模块化中子能谱调控区2上方；所述测试区中子能谱测量系统7位于所述屏蔽层4外部。

所述模块化中子能谱调控区2、所述中子能谱精细调控区3、所述中子能谱调节单元存储区5均包括多个标准中子能谱调节单元21和中子能谱调节单元槽22；所述标准中子能谱调节单元21安装于所述中子能谱调节单元槽22中；所述标准中子能谱调节单元21外壳尺寸与所述中子能谱调节单元槽22内部尺寸完全相同，所述标准中子能谱调节单元21刚好填满所述中子能谱调节单元槽22。

所述标准中子能谱调节单元21外壳尺寸完全相同，所述中子能谱调节单元槽22内部尺寸完全相同，所述标准中子能谱调节单元21在所述模块化中子能谱调控区2、所述中子能谱精细调控区3、所述中子能谱调节单元存储区5内部以及相互之间的位置可以任意互换，可实现所述标准中子能谱调节单元21位置的灵活布置。

所述标准中子能谱调节单元21内部填充有多个模块化结构，每个所述模块化结构内部填充有所需的材料或材料组分；通过在所述模块化结构中填充相应功能的材料，所述标准中子能谱调节单元可具备慢化、增殖、吸收、反射等一种功能或两种及以上所述功能的组合；同时，通过在所述模块化结构中填充所需不同含量组分的功能材料以及调节所述标准中子能谱调节单元在所述中子能谱模块化调节区的插入深度，可实现该功能中子能谱调节单元相应功能表现程度的精准调控。

所述外中子源1可以产生强流中子束，为所述装置提供初始源中子；所述中子束可以是氘氚中子束或氘氘中子束或氘锂中子束或氘铍中子束或质子锂中子束或质子铍中子束或散裂中子束。

所述中子能谱精细调控区3布置有多个含有不同能量中子吸收体的所述标准中子能谱调节单元21，所述中子吸收体分别对不同能量的中子具有较强的吸收能力；通过动态调节含有不同能量中子吸收体的所述标准中子能谱调节单元21的数量及其插入深度，可对所述模块化中子能谱调控区2产生的中子能谱进一步进行动态精准调控。

所述中子能谱调节单元存储区5存储有多个备用所述标准中子能谱调节单元21，所述装置运行期间根据需要可以替换掉所述模块化中子能谱调控区2或所述中子能谱精细调控区3的功能不合适的或失效的所述标准中子能谱调节单元21，实现不停机动态调控中子能谱并延长实验持续运行时间。

所述机械手6具有远程驱动功能，可远程操作沿轨道到达所述模块化中子能谱调控区2或所述中子能谱精细调控区3或所述中子能谱调节单元存储区5的任意一个所述标准中子能谱调节单元21上方，并对所述标准中子能谱调节单元21进行抓取、提升、平移、落下操作；所述机械手6含有多个数量，多个所述机械手6可同时对多个所述标准中子能谱调节单元21进行提升或落下操作，用以改变所述标准中子能谱调节单元21的插入深度，进而动态精准调控产生的复杂中子能谱。

所述标准中子能谱调节单元21外部轮廓形状为三角形或圆形，可以模拟中子能谱调节单元为三角形或圆形的反应堆的中子能谱；所述标准中子能谱调节单元21外部轮廓形状为三角形时，还可以组合成方形中子能谱调节单元或六边形中子能谱调节单元，再现组件外部轮廓为方形或六边形的反应堆的中子能谱。

所述中子能谱调节单元存储区5存储有多个内含不同标准同位素源的所述标准中子能谱调节单元21，所述标准同位素源发出的中子能量分别不同，所述装置运行时根据需要可以将所述内含标准同位素源的所述标准中子能谱调节单元21布置于所述模块化中子能谱调控区作为附加外中子源，用于对产生的中子能谱进行精细调控并开展缓发中子分布验证实验。

所述标准中子能谱调节单元21内部填充易裂变材料时，与所述外中子源1产生的源中子发生裂变反应，可以产生裂变中子能谱。

所述标准中子能谱调节单元21内部填充中子慢化材料时，可以产生中子慢化剂的功能，与中子发生散射等作用，可以将中子慢化减速，使中子的能量降低。

所述标准中子能谱调节单元21内部填充中子倍增材料时，可以产生中子增殖剂的功能，与中子发生核反应，可以增殖所述中子的数量，使所述中子的数量增加。

所述标准中子能谱调节单元21内部填充易吸收中子的材料时，可以产生中子吸收体的功能，与中子发生作用，可以将部分中子吸收，使中子的数量减少。

所述标准中子能谱调节单元21内部填充具有良好导热性能的材料时，可以产生冷却剂的功能，可以吸收产生的热量。

所述标准中子能谱调节单元21内部填充中子吸收截面很小的材料时，可以产生中子反射层的功能，可以将中子反射回去，用以改变中子的方向以及减少中子的泄漏，使较多的中子到达所述测试区中子能谱测量系统处。

所述屏蔽层4含有对中子和γ射线易吸收的物质，可以阻挡所述模块化中子能谱调控区2向四周发射出的中子和γ射线，防止周围的工作人员和公众受到这些放射性辐射的危害。

所述测试区中子能谱测量系统7为中子能谱探测器，用于测量所述装置在所述测试区中子能谱测量系统7处产生的中子能谱。

在一实施例中，所述外中子源1为强流氘氚中子源或氘氘中子源或氘锂中子源或氘铍中子源或质子锂中子源或质子铍中子源或散裂中子源。

在一实施例中，所述标准中子能谱调节单元21内部填充易裂变材料时，填充物质为一定浓度的二氧化铀或钚铀氧化物混合物。

在一实施例中，所述标准中子能谱调节单元21功能为中子慢化剂时，填充物质为铁或重水或聚乙烯或石墨或铍或氧化铍。

在一实施例中，所述标准中子能谱调节单元21功能为中子增殖剂时，填充物质为铍或铅。

在一实施例中，所述标准中子能谱调节单元21功能为中子吸收体时，填充物质为硼或镉。

在一实施例中，所述标准中子能谱调节单元21功能为冷却剂时，填充物质为铅铋合金或铅。

在一实施例中，所述标准中子能谱调节单元21功能为反射层时，填充物质为铍或石墨。

在一实施例中，所述中子能谱调节单元槽22的材质为铅铋合金或不锈钢或聚乙烯。

在一实施例中，所述屏蔽层4的材质为铅或钢或混凝土。

在一实施例中，所述屏蔽层4及其缺口区域在所述模块化中子能谱调控区外围整体呈正多边形环带状，其中，中子能谱精细调控区位于该缺口区域。

本发明实施时，利用中子能谱调控方法逆向解析目标中子能谱，根据解析结果首先在所述模块化中子能谱调控区2中布置含有相应功能材料的所述标准中子能谱调节单位21对中子能谱进行粗调节，然后继续布置含有不同精细含量组分功能材料的所述标准中子能谱调节单位21并调节所述标准中子能谱调节单元21在所述模块化中子能谱调控区2中的插入深度对中子能谱进行精细调节，实现对目标中子能谱的梯度逼近调节，最终精准再现目标中子能谱。

可选的，当所述外中子源1为氘氚外中子源，所述模块化中子能谱调控区2和所述中子能谱精细调控区3中的所述标准中子能谱调节单元21内填充金属铍作为慢化物质，通过调节所述标准中子能谱调节单元21的数量和位置，所述中子能谱精准调控技术及装置可以在所述测试区中子能谱测量系统7处产生聚变堆中子能谱辐射场环境。

可选的，当所述外中子源1为氘氚外中子源，所述模块化中子能谱调控区2中的部分所述标准中子能谱调节单元21内填充二氧化铀作为裂变反应物质，部分所述标准中子能谱调节单元21内填充重水作为慢化剂，部分所述标准中子能谱调节单元21内填充聚乙烯作为慢化剂，通过调节各功能所述标准中子能谱调节单元21的数量和位置，所述中子能谱精准调控技术及装置可以在所述测试区中子能谱测量系统7处产生裂变热堆中子能谱辐射场环境。

可选的，当所述外中子源1为氘氚外中子源，所述模块化中子能谱调控区2中的部分所述标准中子能谱调节单元21内填充二氧化铀作为裂变反应物质，部分所述标准中子能谱调节单元21内填充铅铋合金，通过调节各功能所述标准中子能谱调节单元21的数量和位置，所述中子能谱精准调控技术及装置可以在所述测试区中子能谱测量系统7处产生铅基快堆中子能谱辐射场环境。

在本发明中，所述模块化中子能谱调控区、所述中子能谱精细调控区、所述中子能谱调节单元存储区均包括多个标准中子能谱调节单元，所述标准中子能谱调节单元外壳尺寸完全相同，所述中子能谱调节单元槽内部尺寸完全相同，所述标准中子能谱调节单元在所述模块化中子能谱调控区、所述中子能谱精细调控区、所述中子能谱调节单元存储区内部以及相互之间的位置可以任意互换，可实现所述标准中子能谱调节单元位置的灵活布置；所述标准中子能谱调节单元内部填充有多个模块化结构，每个所述模块化结构内部填充有所需的材料或材料组分，实现对中子能谱的精准梯度调节；所述中子能谱精细调控区布置有多个含有不同能量中子吸收体的所述标准中子能谱调节单元，通过调节含有不同能量中子吸收体的所述标准中子能谱调节单元的数量及插入深度，可对中子能谱进行动态精准调控；所述中子能谱调节单元存储区存储有多个备用所述标准中子能谱调节单元，所述装置运行期间根据需要可以替换掉功能不合适的或失效的所述标准中子能谱调节单元，实现不停机动态调控中子能谱并延长实验持续运行时间；所述机械手具有远程驱动功能并具有多个数量，可远程同时对多个所述标准中子能谱调节单元进行提升、落下操作，实现动态精准调控中子能谱。本发明实施例构成了外源耦合的模块化调控系统，通过所述标准中子能谱调节单元，实现了对中子能谱的梯度调节，可精准构建多种类型的复杂中子能谱，为先进核能系统研发及核技术交叉应用研究提供特定的中子能谱辐射场。

通过上述描述可知，本发明具有以下效果：其一，通过采用外壳尺寸完全相同的标准中子能谱调节单元以及内部尺寸完全相同的中子能谱调节单元槽，实现了标准中子能谱调节单元在装置中的位置可以任意互换，增强了中子能谱调控的便捷性；其二，通过在标准中子能谱调节单元内部采用多个模块化结构，以及在每个模块化结构内部填充所需的材料或材料组分，实现对中子能谱的精准梯度调节；其三，通过设置中子能谱精细调控区，布置多个含有不同能量中子吸收体的标准中子能谱调节单元，并调节改变其数量及插入深度，进一步实现了对中子能谱的动态精准调控；其四，通过设置中子能谱调节单元存储区，在装置运行期间根据需要替换掉功能不合适的或失效的标准中子能谱调节单元，延长了实验持续运行时间；此外，通过采用多个远控机械手，远程同时对任意多个标准中子能谱调节单元进行抓取、提升、平移、落下操作，提高了动态精准构建多类型复杂中子能谱的速度和安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，包括外中子源、模块化中子能谱调控区、中子能谱精细调控区、屏蔽层、以及中子能谱调节单元存储区，其中，

所述外中子源安装于模块化中子能谱调控区，所述屏蔽层位于所述模块化中子能谱调控区外围，所述中子能谱调节单元存储区位于所述屏蔽层内部，所述中子能谱精细调控区位于所述屏蔽层的缺口区域；

所述模块化中子能谱调控区、所述中子能谱精细调控区、所述中子能谱调节单元存储区均包括多个标准中子能谱调节单元和中子能谱调节单元槽，所述标准中子能谱调节单元安装于所述中子能谱调节单元槽中，所述标准中子能谱调节单元外壳尺寸均相同、且与所述中子能谱调节单元槽内部尺寸适配，所述标准中子能谱调节单元之间的位置能够互换；以及

所述标准中子能谱调节单元具备慢化、增殖、吸收、反射中的一种功能或两种及以上所述功能的组合，

所述中子能谱精细调控区布置有多个含有不同能量中子吸收体的标准中子能谱调节单元，调节含有不同中子能量吸收体的所述标准中子能谱调节单元的数量及插入深度，实现对产生的中子能谱进行精细梯度调节。

2.根据权利要求1所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，还包括具有远程操控机械手，所述远程操控机械手沿轨道到达所述模块化中子能谱调控区、所述中子能谱精细调控区和所述中子能谱调节单元存储区的任意一个所述标准中子能谱调节单元上方，用于对所述标准中子能谱调节单元进行装卸操作。

3.根据权利要求2所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，所述远程操控机械手的数量为多个，用于同时对多个所述标准中子能谱调节单元进行装卸操作。

4.根据权利要求1所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，还包括测试区中子能谱测量系统。

5.根据权利要求1所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，所述标准中子能谱调节单元内部填充有多个模块化结构，所述模块化结构内部选择性地填充所需材料或材料组分，实现对中子能谱的精准梯度调节。

6.根据权利要求1所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，所述屏蔽层及其缺口区域在所述模块化中子能谱调控区外围整体呈正多边形环带状。

7.根据权利要求1所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，所述标准中子能谱调节单元外部轮廓形状为三角形或圆形。

8.根据权利要求7所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，所述标准中子能谱调节单元外部轮廓形状为三角形，还用于组合成方形中子能谱调节单元或六边形中子能谱调节单元。

9.根据权利要求1所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，所述外中子源用于产生强流中子束，所述强流中子束为氘氚中子束或氘氘中子束或氘锂中子束或氘铍中子束或质子锂中子束或质子铍中子束或散裂中子束。

10.根据权利要求1所述的中子能谱精准调控技术及装置，其特征在于，所述中子能谱调节单元存储区存储有多个内含不同标准同位素源的标准中子能谱调节单元，在装置运行时根据需要安装于所述模块化中子能谱调控区，作为中子能谱精细调控用的附加外中子源。