CN115565617B - 基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法，通过蒙卡临界计算，得到靶件处通过46个能量区间的中子通量、裂变率和吸收率描述得到的能谱环境，并根据每个能群的能群价值计算该能谱环境的能谱总价值，通过对比不同方案的能谱总价值实现生产效率快速评估。本发明省去了蒙卡‑燃耗的计算过程，大大减少了计算资源的需求，有助于快速筛选出生产超钚同位素的最佳方案，具有良好的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种超钚同位素生产领域的技术，具体是一种使用超高通量反应堆辐照生产超钚同位素的不同方案生产效率的评估方法。
背景技术
在对超钚同位素的不同生产方案进行评估时，需要采用蒙卡-燃耗计算，通过计算目标核素的产量来评估方案的好坏。但是蒙卡-燃耗计算需要消耗大量的计算资源，且当需要评估的方案较多时，所需消耗的计算资源往往难以承担。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法，基于蒙卡临界计算获得靶件处的能谱环境，然后根据能谱环境对生产方案进行快速地分析评估，省去了蒙卡-燃耗的计算过程，大大减少了计算资源的需求，有助于快速筛选出生产超钚同位素的最佳方案，具有良好的工程应用价值。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法，通过蒙卡临界计算，得到靶件处通过46个能量区间的中子通量、裂变率和吸收率描述得到的能谱环境，并根据每个能群的能群价值计算该能谱环境的能谱总价值，通过对比不同方案的能谱总价值实现生产效率快速评估。
所述方法具体包括：
步骤1：在高通量反应堆的堆芯区域布置用于生产超钚同位素的靶件，使用蒙卡程序进行建模，并执行临界计算获取靶件处的能谱环境，该能谱环境通过46群的中子通量、裂变率和吸收率描述。
步骤2：计算靶件处46个能群中每个能群的能群价值其中：vi代表第i个能群的能群价值；Rai代表第i个能群的吸收反应率；Rfi代表第i个能群的裂变反应率；/>代表第i个能群的中子通量。
所述的能群价值中第一个式子是吸收反应率与裂变反应率之比，该项的数值大小说明了该能群在发生核反应时，是更趋向于发生吸收反应还是裂变反应。另一个式子是吸收反应率与中子通量之比，该值说明了在该能群发生吸收反应的概率大小。所以，某个能群的能群价值越高，就意味着在该能群内，既要保证其更趋向于发生吸收反应而不是裂变反应的同时，还要保证其有较大概率发生吸收反应。能群价值高的能群，认为其在生产过程中发挥着重要的作用，应该尽量提升该能群的通量。
步骤3：根据能群价值计算该能谱环境的能谱总价值其中：vall代表在该能谱环境下的能谱总价值；vi代表第i个能群的能群价值；/>代表第i个能群的中子通量。
所述的能谱总价值是在该能谱环境下能群价值随着能谱的积分过程，即在该能谱环境下，靶件核素吸收中子且不发生裂变的概率。
步骤4：对比不同方案的能谱总价值实现生产效率快速评估：能谱总价值高的能谱环境，更适合生产超钚同位素，能群总价值只与靶件处的能谱环境相关，即比较靶件处的46群中子通量密度、裂变截面和吸收截面即可，无需执行燃耗计算，故可以实现多个不同生产方案的快速评估。
所述的不同方案是指：通过调整靶件周边的慢化剂布置方式、慢化剂的材料类型、靶件在堆芯中的位置、靶件的形状和靶件的大小这5个因素，获得靶件周边不同的辐照孔道环境。
技术效果
本发明通过在超钚同位素的生产过程中计算能群价值和能谱总价值，实现了辐照方案的快速评估。
附图说明
图1为本发明原理简图；
图2为实施例的流程图；
图3为典型高通量反应堆的模型X-Y截面简图；
图4为典型高通量反应堆的模型X-Z截面见图；
图5为靶件周边的六种慢化剂布置方式的示意图。
具体实施方式
本实施例在图3、图4所示的典型高通量反应堆中进行：高通量反应堆为生产超钚同位素提供了生产环境，是中国自主生产超钚同位素的重要基础。该高通量反应堆的形状为直径298.14cm，高210cm的圆柱，其中堆芯活性区的直径为58.14cm，高为50cm。如图2所示，为本实施例涉及的基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法，具体包括：
步骤1：对典型高通量反应堆进行几何建模和材料建模，确定模拟的粒子类型和总粒子数：以生产锎-252为例，慢化剂材料选择氢化锆，靶件位置为堆芯正中心，采用六棱柱形的中型靶件。每代中子数N＝50000，共模拟200代，即总共模拟10000000粒子。执行临界计算，获得靶件处的能谱环境，包括靶件处46群的中子通量密度、裂变反应率、吸收反应率。
本实施例仅考虑靶件周边慢化剂布置方式对超钚同位素生产效率的影响，一共设置六种慢化剂布置方式，如图5所示。
步骤2：根据步骤1得到的46个能群的中子通量密度、裂变反应率、吸收反应率计算得到这46个能群每个能群的能群价值。以慢化剂布置方式6为例，表1给出了这46个能群的中子通量、吸收率、裂变反应率和能群价值。
表1.本实施例中的46群中子通量、吸收率、裂变反应率和能群价值。
步骤3：根据计算得到的步骤2中46个能群的能群价值和中子通量，计算得到靶件处的能谱总价值。分别考虑裸靶件和图5中所示的六种慢化剂布置方式，表2给出了不同慢化剂布置方式下生产锎-252的能谱总价值。
表2.本实施例中六种慢化剂布置方式的能谱总价值。
步骤4：不同方案的对应着不同的能谱总价值，选择能谱总价值最高的方案，即为最优方案。从表2中可以看出，慢化剂布置方式5的能谱总价值最高，选择慢化剂布置方式5具有最高的锎-252生产效率。
步骤5：对本实施例的最佳方案进行验证。通过对比蒙卡-燃耗计算求得相应的目标核素产量从而筛选出的最优方案与基于能谱环境所筛选出的方案是否一致来对方法进行验证，其中验证对比结果如表3所示。
表3依据能谱总价值评估方案的可行性分析结果
如表3可见，基于蒙卡-燃耗计算筛选出的最优方案与基于能谱环境筛选出的方案一致，且基本符合能谱总价值大的方案，其90天的目标核素产量也相应高。相较于蒙卡-燃耗计算来筛选方案，基于能谱环境来筛选方案可以节省90％的计算时间，相对于蒙卡-燃耗方法实现了10倍的加速效果。所以，本发明可以更高效的完成对不同超钚同位素生产方案的快速筛选。
与现有通过蒙卡-燃耗计算来评估生产方案效率的方法，本发明无需依赖燃耗计算，只需执行一次蒙卡临界计算，即可评估方案的优劣，极大减少了计算资源的消耗，实现了堆照生产超钚同位素的不同生产方案的快速评估，有助于快速筛选出生产超钚同位素的最佳方案。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (2)
1.一种基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法，其特征在于，通过蒙卡临界计算，得到靶件处通过46个能量区间的中子通量、裂变率和吸收率描述得到的能谱环境，并根据每个能群的能群价值计算该能谱环境的能谱总价值，通过对比不同方案的能谱总价值实现生产效率快速评估，具体包括：
步骤1：在高通量反应堆的堆芯区域布置用于生产超钚同位素的靶件，使用蒙卡程序进行建模，并执行临界计算获取靶件处的能谱环境，该能谱环境通过46群的中子通量、裂变率和吸收率描述；
步骤2：计算靶件处46个能量区间中每个能群的能群价值其中：vi代表第i个能群的能群价值；Rai代表第i个能群的吸收反应率；Rfi代表第i个能群的裂变反应率；/>代表第i个能群的中子通量；
步骤3：根据能群价值计算该能谱环境的能谱总价值其中：vall代表在该能谱环境下的能谱总价值；vi代表第i个能群的能群价值；/>代表第i个能群的中子通量；
步骤4：对比不同方案的能谱总价值实现生产效率快速评估：能谱总价值高的能谱环境，更适合生产超钚同位素，能群总价值只与靶件处的能谱环境相关，即比较靶件处的46群中子通量密度、裂变截面和吸收截面即可，无需执行燃耗计算，故可以实现多个不同生产方案的快速评估。
2.根据权利要求1所述的基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法，其特征是，所述的不同方案是指：通过调整靶件周边的慢化剂布置方式、慢化剂的材料类型、靶件在堆芯中的位置、靶件的形状和靶件的大小这5个因素，获得靶件周边不同的辐照孔道环境。
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