CN116978495B - 基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法，通过构建反应堆模型，对不同半径的靶件进行临界计算并根据得到的能谱总价值量化不同半径的靶件在径向上的能谱自屏效应；再通过能谱扰动处理获得最优材料组合，用于靶件的各个分层，实现能谱自屏效应的抑制。本发明能够实现能谱总价值沿径向的展平，将靶件所有区域的能谱最优化，提升同位素辐照生产的效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种同位素生产领域的技术，具体是一种基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法。
背景技术
稀缺同位素需要在超高通量反应堆中进行辐照生产，且需要在靶件周围布置特定材料来获得一个有利于稀缺同位素辐照生产的能谱环境。但是靶件沿径向存在能谱自屏效应，导致了靶件径向上的能谱变化，使得靶件径向上稀缺同位素的生产效率不同，且越靠近靶件中心，生产效率越低。
发明内容
本发明针对现有技术采用超高通量反应堆辐照生产稀缺同位素时，靶件因能谱自屏效应导致的靶件沿径向的生产效率不一致的问题，提出一种基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法，通过对靶件进行分层设计，抑制靶件径向上的能谱自屏效应，实现靶件内所有区域的能谱最优化，从而提高稀缺同位素的生产效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法，通过构建反应堆模型，对不同半径的靶件进行临界计算并根据得到的能谱总价值量化不同半径的靶件在径向上的能谱自屏效应；再通过能谱扰动处理获得最优材料组合，用于靶件的各个分层，实现能谱自屏效应的抑制。
所述的构建反应堆模型，采用但不限于生产锎-252时所用到的超高通量反应堆模型。
所述的临界计算是指：将不同半径的靶件布置在反应堆模型的热中子阱内，进行蒙卡临界计算，得到靶件沿径向不同区域的能谱总价值其中：/>为第i个能群的中子通量，第i个能群的能群价值/>Rai为第i个能群的吸收反应率；Rfi为第i个能群的裂变反应率。
所述的能谱扰动处理，即使用特定材料来实现能谱扰动，分析该材料用于能谱扰动的效果，具体为：在反应堆模型的靶件外包围一圈特定材料后进行蒙卡临界计算，计算添加该特定材料前后，靶件处的能谱变化。
所述的靶件处的能谱变化，进一步通过调整分层靶件设计的设计参数，得到最优的靶件设计方案：对靶件的半径、分层的厚度、特定材料的布置量进行调整，并且通过蒙卡程序计算靶件分层方案的生产效率；通过设计参数的调整来实现靶件沿径向的能谱自屏效应最小化，实现能谱总价值沿径向的展平，实现靶件内所有区域的能谱最优化。
所述的特定材料，为慢化能力最强的材料以便进行能谱调制，优选采用有机氢化物、轻水、重水、石墨、铍、氢化锆、不锈钢、镍、铜。
所述的分层，即靶件进行分层设计，具体为：将靶件由内到外分成宽度相同的10层，分别定义为第1、2、···、10层，并且在第1、3、5、7、9层布置通过能谱扰动处理获得最优材料组合。
技术效果
本发明在稀缺同位素的辐照生产过程中计算靶件沿径向的能谱总价值分布，量化靶件径向上的能谱自屏效应，并且采用分层靶件设计来保证能谱总价值在靶件径向上的均匀分布，从而实现能谱总价值沿径向的展平，将靶件所有区域的能谱最优化，提升同位素辐照生产的效率。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为实施例超高通量反应堆模型的X-Y截面图；
图3为实施例超高通量反应堆模型的X-Z截面图；
图4为多种材料的能谱扰动效果图；
图5为半径为10cm的靶件分层设计的横截面图；
图中：深色部分为该特定能谱扰动材料。
具体实施方式
本实施例涉及一种基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法，以生产稀缺同位素锎-252为例，本实施例在图2-3所示的典型超高通量反应堆中实施。该超高通量反应堆为生产稀缺同位素锎-252提供了生产环境。该典型超高通量反应堆的直径为298.14cm，高为210cm，其中堆芯活性区的直径为58.14cm，高为50cm。
如图1所示，本实施例具体包括：
步骤1：对该典型超高通量反应堆进行几何建模、材料建模，确定模拟的粒子类型和总粒子数。在本实施例中，每代中子数N＝5000000，共模拟200代，即总共模拟1000000000中子。在该典型超高通量反应堆的热中子环境内依次对不同半径的靶件执行蒙卡临界计算。同时，定义能谱总价值，将靶件沿着径向等宽度划分为10个区域，计算这10个区域的能谱总价值，并使用能谱总价值来量化靶件径向上的能谱自屏效应，即依次计算不同半径的靶件在不同层级内的能谱总价值，以此来考察其生产效率沿径向的不一致性。
在本实施例中，靶件半径依次选择了10cm、9cm、8cm、7cm、6cm、5cm、4cm和3cm，这8组不同半径的靶件沿径向的能谱总价值分别见表1-表8所示。可见，靶件径向上各区域的能谱总价值不一致，且随着靶件的半径增大，其最内层的能谱总价值与最外层的能谱总价值之比上升，自屏效应增强，靶件沿径向的生产效率不一致性提升。
步骤2：选择有机氢化物、轻水、重水、石墨、铍、氢化锆、不锈钢、镍、铜这9种能谱扰动材料来实现能谱扰动，并且分析这些材料用于能谱扰动的效果，即依次分别在靶件外包围一圈这些能谱扰动材料，进行蒙卡临界计算，计算在添加了这些能谱扰动材料前后，靶件处的能谱变化，计算结果如图4所示。
可见，在上述这9种能谱扰动材料中，氢化锆具有最强的慢化能力，所以本实施例选择了氢化锆用于能谱调制。
步骤3：针对靶件沿径向的能谱自屏效应问题，将靶件由内到外分成宽度相同的10层，并在其第1、3、5、7、9层布置氢化锆材料，在其第2、4、6、8、10层布置靶件材料，从而实现靶件的分层设计。计算分层靶件设计中靶件材料区域的能谱总价值，并且定义靶件材料区域能谱总价值的最小值与最大值之比(Q值)来量化分层靶件对能谱自屏效应的改善情况。分层靶件设计的Q值和靶件材料区域的能谱总价值如表1-表8所示。可见，分层靶件设计可以有效提升Q值，从而有效抑制靶件径向上的能谱自屏效应。
表1
表2
表3
表4
表5
表6
表7
表8
步骤4：通过调整氢化锆的布置量来进一步抑制靶件径向上的能谱自屏效应，从而获得一个更远的靶件设计方案。优化后的分层靶件设计的Q值和靶件材料区域的能谱总价值见表1-表8所示。
与现有技术相比，本方法抑制了靶件沿径向的能谱自屏效应，实现靶件内所有区域的能谱优化，有助于提升稀缺同位素的辐照生产效率。并且可以通过合理调整氢化锆的布置量进一步提升Q值，从而进一步抑制靶件径向上的能谱自屏效应，从而进一步实现靶件生产效率沿径向的展平，实现靶件内所有区域的能谱最优化，从而进一步提高稀缺同位素的生产效率。
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 (4)
1.一种基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法，其特征在于，通过构建反应堆模型，对不同半径的靶件进行临界计算并根据得到的能谱总价值量化不同半径的靶件在径向上的能谱自屏效应；再通过能谱扰动处理获得最优材料组合，用于靶件的各个分层，实现能谱自屏效应的抑制；
所述的能谱扰动处理，即使用特定材料来实现能谱扰动，分析该材料用于能谱扰动的效果，具体为：在反应堆模型的靶件外包围一圈特定材料后进行蒙卡临界计算，计算添加该特定材料前后，靶件处的能谱变化；
所述的分层，即靶件进行分层设计，具体为：将靶件由内到外分成宽度相同的10层，分别定义为第1、2、…、10层，并且在第1、3、5、7、9层布置通过能谱扰动处理获得最优材料组合；
所述的靶件处的能谱变化，进一步通过调整分层靶件设计的设计参数，得到最优的靶件设计方案：对靶件的半径、分层的厚度、特定材料的布置量进行调整，并且通过蒙卡程序计算靶件分层方案的生产效率；通过设计参数的调整来实现靶件沿径向的能谱自屏效应最小化，实现能谱总价值沿径向的展平，实现靶件内所有区域的能谱最优化。
2.根据权利要求1所述的基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法，其特征是，所述的构建反应堆模型，采用生产锎-252时所用到的超高通量反应堆模型。
3.根据权利要求1所述的基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法，其特征是，所述的临界计算是指：将不同半径的靶件布置在反应堆模型的热中子阱内，进行蒙卡临界计算，得到靶件沿径向不同区域的能谱总价值其中：/>为第i个能群的中子通量，第i个能群的能群价值/>Rai为第i个能群的吸收反应率；Rfi为第i个能群的裂变反应率。
4.根据权利要求1所述的基于分层靶件的稀缺同位素辐照生产能谱最优化方法，其特征是，所述的特定材料，采用有机氢化物、轻水、重水、石墨、铍、氢化锆、不锈钢、镍、铜。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102623078A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-08-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于混合能谱的高效核废料嬗变次临界堆芯 |
| CN111707688A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-09-25 | 清华大学 | 光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化方法及其应用 |
| CN113270220A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-17 | 中国核动力研究设计院 | 一种应用高通量试验堆两级辐照生产252Cf的方法 |
| CN113299420A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-24 | 中国核动力研究设计院 | 高通量试验堆辐照靶件及辐照镅生产252Cf的方法 |
| RU2769482C1 (ru) * | 2021-10-20 | 2022-04-01 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (АО "НИИ НПО "ЛУЧ") | Облучательное устройство для наработки изотопа со-60 в реакторе на быстрых нейтронах |
| CN115565617A (zh) * | 2022-09-16 | 2023-01-03 | 上海交通大学 | 基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102623078A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-08-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于混合能谱的高效核废料嬗变次临界堆芯 |
| CN111707688A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-09-25 | 清华大学 | 光子计数能谱ct成像中自适应能谱优化方法及其应用 |
| CN113270220A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-17 | 中国核动力研究设计院 | 一种应用高通量试验堆两级辐照生产252Cf的方法 |
| CN113299420A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-24 | 中国核动力研究设计院 | 高通量试验堆辐照靶件及辐照镅生产252Cf的方法 |
| RU2769482C1 (ru) * | 2021-10-20 | 2022-04-01 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (АО "НИИ НПО "ЛУЧ") | Облучательное устройство для наработки изотопа со-60 в реакторе на быстрых нейтронах |
| CN115565617A (zh) * | 2022-09-16 | 2023-01-03 | 上海交通大学 | 基于能谱环境的超钚同位素生产效率快速评估方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Design studies for the optimization of 238Pu production in NpO2 targets irradiated at the high flux isotope reactor;Charles R Daily et al.;《Nuclear Technology》;第206卷(第8期);第1182-1194页 * |
| 基于BEAVRS基准题高保真建模的 OpenMC程序和NECP-X程序的对比验证;沈芷睿等;《核技术》;第45卷(第1期);第73-81页 * |
| 高通量工程试验堆中子能谱计算;彭凤等;《核科学与工程》(第02期);第135-142页+第6页 * |
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