CN117524335A - 一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于极值燃耗分析方法的钚‑238高效辐照生产方法，包括以下步骤：S1：对反应堆、辐照孔道和靶件进行建模，得到高通量反应堆模型；S2：基于所述高通量反应堆模型，将全能区分成若干个能量区间；S3：使用极值燃耗分析方法来计算各个能区的能区效率因子，从而确定在反应堆中辐照生产钚‑238的最优中子能谱；S4：使用极值燃耗分析方法计算所得的效率因子曲线来指导能谱优化，从而提高钚‑238的生产效率。与现有技术相比，本发明基于极值燃耗分析方法来量化不同能区内钚‑238的辐照生产效率，并且通过在靶件内弥散特定核素来实现中子能谱的优化，从而显著提高钚‑238的辐照生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及钚-238辐照生产技术领域，尤其是涉及一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法。
背景技术
钚-238是一种理想的热源同位素，广泛应用于工业、农业以及医学等领域。但是，在反应堆中辐照生产钚-238时面临着生产效率低、生产成本高的问题，有必要开展相关研究来提高钚-238的生产效率。
发明内容
针对现有在反应堆中辐照生产钚-238的低效率问题，提出一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法。该方法基于极值燃耗分析方法来量化不同能区内钚-238的辐照生产效率，并且通过在靶件内弥散特定核素来实现中子能谱的优化，从而显著提高钚-238的辐照生产效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，包括以下步骤：
S1：对反应堆、辐照孔道和靶件进行建模，得到高通量反应堆模型；
S2：基于所述高通量反应堆模型，将全能区分成若干个能量区间；
S3：使用极值燃耗分析方法来计算各个能区的能区效率因子，从而确定在反应堆中辐照生产钚-238的最优中子能谱；
S4：使用极值燃耗分析方法计算所得的效率因子曲线来指导能谱优化，从而提高钚-238的生产效率。
进一步地，S1中，使用蒙特卡罗程序RMC对反应堆、辐照孔道和靶件进行建模。
进一步地，S3中，所述极值燃耗分析方法具体为：
采用微扰燃耗方法或者单能量燃耗方法来建立钚-238产量与辐照时间的关系，记作Yi(x)，为了消除辐照时间对产量的影响，以产量Yi(x)对x的导数的最大值，记作Ei，来量化第i个能区内的钚-238生产效率。
进一步地，S3中，所述微扰燃耗方法为：将全能区分成若干个能量区间，逐一降低各能区内的中子通量，观察各能区中子通量降低对钚-238产量的影响，记作重要性其中Ii代表第i个能区的重要性，Y和Yi分别为在第i个能群内中子通量降低前和降低后的钚-238产量，ΔYi为第i个能群内中子通量降低前和降低后的钚-238产量的变化量，φi和φi′分别为通量降低前和降低后的能区中子通量，下标i为能区的序列号。
进一步地，S3中，通过所述微扰燃耗方法计算出辐照时间为x天时的重要性，从而建立钚-238产量与辐照时间的关系，即Yi(x)。
进一步地，S3中，所述单能量燃耗方法为：将全能区分成若干个能量区间，在燃耗计算中保证总中子通量不变，逐一假设辐照孔道内布置了能量在第i个能区内的单能中子源，计算确定靶件在经过该单能中子源辐照x天后的钚-238产量，即Yi(x)。
进一步地，S3中，能区效率因子Ei具体通过以下方式计算得到：基于极值燃耗分析方法确定第i个能区的钚-238生产效率Ei，Ei值即为第i个能区的能区效率因子。
进一步地，S3中，还包括能谱总效率最大化，具体过程为：在核数据库中查找目标核素，该核素总截面随能量的分布与该最优中子能谱成反比，将该核素布置在辐照孔道周边或者弥散在靶件内，此时该核素在Ei较小的能区内具有较大的总截面，增大了该能区内的宏观总截面，从而降低该能区内的中子通量，在Ei较大的能区内具有较小的总截面，降低了该能区的宏观总截面，从而可以提高该能区内的中子通量，从而实现能谱总效率最大化，实现辐照孔道处的能谱优化并显著提升钚-238的生产效率。
进一步地，S3中，核素总截面随能量的分布与该最优中子能谱成反比通过以下方式来近似：
计算其中，Ti为某核素的能量相关总截面，Ei为第i个能区的能区效率因子，N为划分能区的总数，如果某核素能够实现T最大化，则认为该核素为能谱优化所需的最佳核素。
进一步地，S3中，能谱总效率与对应的钚-238产量的获取方式为：
基于式子来计算各辐照方案的能谱总效率E，使用蒙卡燃耗方法来计算各辐照方案的钚-238的实际产量。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
本发明基于极值燃耗分析方法可以量化在反应堆中辐照生产钚-238时，各个能量区间内的钚-238生产效率，从而有效支撑了钚-238的辐照生产优化。同时，基于能谱优化技术来实现“能谱总效率”最大化，从而显著提高在反应堆中辐照生产钚-238的生产效率，解决传统方法生产效率低的问题，建立起反应堆辐照生产钚-238的精细化中子学模型，为实现高效的钚-238生产提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明中基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法的流程示意图；
图2为实施例的反应堆与辐照孔道建模示意图；
图3为基于“微扰燃耗方法”计算得到的不同辐照时长的能区重要性曲线；
图4为基于“单能量燃耗方法”计算得到的不同辐照时间的能区产量曲线；
图5为基于“极值燃耗分析方法”确定的能区效率因子曲线；
图6为能谱总效率与钚-238实际产量的关系曲线。
具体实施方式
本发明中基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，该方法将全能区分成若干个能量区间，定义“能区效率因子”来量化不同能区内的钚-238辐照生产效率，并且使用极值燃耗分析方法来计算各个能区的“能区效率因子”，从而确定在反应堆中辐照生产钚-238的最优中子能谱。然后定义“能谱总效率”来量化某个辐照方案的生产效率，使用能谱优化技术来实现“能谱总效率”最大化，从而显著提高钚-238的生产效率。
所述的“极值燃耗分析方法”是指：为了量化第i个能区内的钚-238生产效率，采用微扰燃耗方法或者单能量燃耗方法来建立钚-238产量与辐照时间的关系，记作Yi(x)，为了消除辐照时间对产量的影响，以产量Yi(x)对x的导数的最大值，记作Ei，来量化第i个能区内的钚-238生产效率。
所述的“微扰燃耗方法”是指：将全能区分成若干个能量区间，逐一降低各能区内的中子通量，观察各能区中子通量降低对钚-238产量的影响，记作重要性 其中Ii代表第i个能区的重要性，Y和Yi分别为在第i个能群内中子通量降低前和降低后的钚-238产量，ΔYi为第i个能群内中子通量降低前和降低后的钚-238产量的变化量，φi和φi′分别为通量降低前和降低后的能区中子通量，下标i为能区的序列号。显然辐照时间会影响重要性，“微扰燃耗方法”可以计算出辐照时间为x天时的重要性，从而建立钚-238产量与辐照时间的关系，即Yi(x)。
所述的“单能量燃耗方法”是指：将全能区分成若干个能量区间，在燃耗计算中保证总中子通量不变，逐一假设辐照孔道内布置了能量在第i个能区内的单能中子源，计算确定靶件在经过该单能中子源辐照x天后的钚-238产量，即Yi(x)。
所述的“能区效率因子Ei”具体通过以下方式计算得到：基于极值燃耗分析方法确定第i个能区的钚-238生产效率Ei，该值即为第i个能区的“能区效率因子”。
所述的“能谱优化技术”是指：在核数据库中查找某种核素，该核素总截面随能量的分布与该最优中子能谱成反比，将该核素布置在辐照孔道周边或者弥散在靶件内，此时该核素在Ei较小的能区内具有较大的总截面，增大了该能区内的宏观总截面，从而可以降低该能区内的中子通量，在Ei较大的能区内具有较小的总截面，降低了该能区的宏观总截面，从而可以提高该能区内的中子通量，从而实现“能谱总效率”最大化，实现辐照孔道处的能谱优化并显著提升钚-238的生产效率。
所述的“核素总截面随能量的分布与该最优中子能谱成反比”在实际生产中无法实现，采用如下策略来近似：计算其中，Ti为某核素的能量相关总截面，Ei为第i个能区的能区效率因子，N为划分能区的总数。如果某核素能够实现T最大化，则认为该核素为“能谱优化技术”所需的最佳核素。
所述的“能谱总效率E”具体通过以下式计算得到：其中，N为划分能区的总数，φi为第i个能区的中子通量，Ei为第i个能区的能区效率因子。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
实施例1
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，包括以下步骤：
步骤1)：使用蒙特卡罗程序RMC对反应堆、辐照孔道和靶件进行建模，本实施例在图2所示的典型高通量反应堆模型中实施。
步骤2)：基于该模型开展微扰燃耗计算和单能量燃耗计算，其中全能区一共划分为了238个能区，以此来保证能谱分析的高分辨率。
为了考察辐照时间对微扰燃耗计算和单能量燃耗计算的影响，辐照时长选择了5天、10天和90天。计算得到基于微扰燃耗方法的不同辐照时长的能区重要性曲线(见图3)和基于单能量燃耗方法的不同辐照时间的能区产量曲线(见图4)。
从图3和图4可以看出，辐照时长对能区重要性曲线和能区产量曲线具有较大影响，且辐照时长为90天时计算所得的能区重要性明显低于辐照时间为5天和10天所得的能区重要性，因此辐照时长为90天时，存在着过度辐照问题，即靶件中钚-238的产量达到峰值以后，继续辐照会导致钚-238的产量下降。
为了对比微扰燃耗方法和单能量燃耗方法，表1给出了能区重要性曲线和能区产量曲线中前10个最大值和前10个最小值，以及它们对应的能区。
表1.能区重要性曲线和能区产量曲线中前10个最大值和前10个最小值。
从表1中可以看出，能区重要性曲线和能区产量曲线整体趋势吻合良好，其中在这10个最大值对应能区中有8个是对应的，说明了这两种方法在搜索对积极能区(对生产有益的能区)时发挥着类似的作用。但是，在这10个最小值对应能区中只有3个是对应的，说明了这两种方法在搜索对消极能区(对生产有害的能区)时有所区别。这是因为微扰燃耗方法和单能量燃耗方法的物理假设并不相同，微扰燃耗方法的计算结果是基于某一特定能谱环境，而单能量燃耗方法并不依赖于某一特定能谱环境。而且，微扰燃耗方法计算的是重要性，它的计算结果可以取负值，而单能量燃耗方法计算的是产量，它的计算结果只能为正数。
步骤3)：为了消除辐照时长对能区重要性曲线和能区产量曲线的影响，基于辐照时长为90天的微扰燃耗计算所得的数据和单能量燃耗计算所得的数据，开展极值燃耗分析，计算得到了两组能区效率因子曲线，见图5。
从图5中可以看出，这两组能区效率因子吻合良好，即：不论是采用微扰燃耗方法还是单能量燃耗方法来计算各能区内的钚-238生产效率，极值燃耗分析方法均能得到具备实际物理意义的能区效率因子。
步骤4)：使用极值燃耗分析方法计算所得的效率因子曲线来指导能谱优化，从而提高钚-238的生产效率。通过在辐照孔道周边布置某种核素或者将该核素弥散在靶件内，来构造不同的能谱环境，并且计算这些不同能谱环境下的能谱总效率与对应的钚-238产量。
本实施例中选用了的核素包含：Ag107、Ar40、Ba140、Dy161、Eu151、Eu152、Eu153、Gd157、H1、He4、La138、Li7、Ni64、Pd108、Sm147、Sm151、Ti49、Tm170、W186。核素添加的量可取1.0×101、1.0×100、1.0×10-1、1.0×10-2、1.0×10-3、1.0×10-4和1.0×10-5，单位为(1024#/cm3)。
基于式子来计算各辐照方案的能谱总效率E，使用蒙卡燃耗方法来计算各辐照方案的钚-238的实际产量。具体的布置方案、这些方案的能谱总效率的变化量和对应的钚-238产量的变化量见表2。构建能谱总效率变化量与钚-238实际产量变化量的关系曲线，见图6。
从图6中可以看出，能谱总效率变化量与钚-238实际产量变化量整体正相关。计算可得能谱总效率与钚-238实际的相关系数为0.949。证明了基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法的正确性和可行性。
表2.能谱优化中的布置方案。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对反应堆、辐照孔道和靶件进行建模，得到高通量反应堆模型；
S2：基于所述高通量反应堆模型，将全能区分成若干个能量区间；
S3：使用极值燃耗分析方法来计算各个能区的能区效率因子，从而确定在反应堆中辐照生产钚-238的最优中子能谱；
S4：使用极值燃耗分析方法计算所得的效率因子曲线来指导能谱优化，从而提高钚-238的生产效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S1中，使用蒙特卡罗程序RMC对反应堆、辐照孔道和靶件进行建模。
3.根据权利要求1所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S3中，所述极值燃耗分析方法具体为：
采用微扰燃耗方法或者单能量燃耗方法来建立钚-238产量与辐照时间的关系，记作Yi(x)，为了消除辐照时间对产量的影响，以产量Yi(x)对x的导数的最大值，记作Ei，来量化第i个能区内的钚-238生产效率。
4.根据权利要求3所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S3中，所述微扰燃耗方法为：将全能区分成若干个能量区间，逐一降低各能区内的中子通量，观察各能区中子通量降低对钚-238产量的影响，记作重要性其中Ii代表第i个能区的重要性，Y和Yi分别为在第i个能群内中子通量降低前和降低后的钚-238产量，ΔYi为第i个能群内中子通量降低前和降低后的钚-238产量的变化量，φi和φi′分别为通量降低前和降低后的能区中子通量，下标i为能区的序列号。
5.根据权利要求3所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S3中，通过所述微扰燃耗方法计算出辐照时间为x天时的重要性，从而建立钚-238产量与辐照时间的关系，即Yi(x)。
6.根据权利要求3所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S3中，所述单能量燃耗方法为：将全能区分成若干个能量区间，在燃耗计算中保证总中子通量不变，逐一假设辐照孔道内布置了能量在第i个能区内的单能中子源，计算确定靶件在经过该单能中子源辐照x天后的钚-238产量，即Yi(x)。
7.根据权利要求3所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S3中，能区效率因子Ei具体通过以下方式计算得到：基于极值燃耗分析方法确定第i个能区的钚-238生产效率Ei，Ei值即为第i个能区的能区效率因子。
8.根据权利要求3所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S3中，还包括能谱总效率最大化，具体过程为：在核数据库中查找目标核素，该核素总截面随能量的分布与该最优中子能谱成反比，将该核素布置在辐照孔道周边或者弥散在靶件内，此时该核素在Ei较小的能区内具有较大的总截面，增大了该能区内的宏观总截面，从而降低该能区内的中子通量，在Ei较大的能区内具有较小的总截面，降低了该能区的宏观总截面，从而可以提高该能区内的中子通量，从而实现能谱总效率最大化，实现辐照孔道处的能谱优化并显著提升钚-238的生产效率。
9.根据权利要求8所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S3中，核素总截面随能量的分布与该最优中子能谱成反比通过以下方式来近似：
计算其中，Ti为某核素的能量相关总截面，Ei为第i个能区的能区效率因子，N为划分能区的总数，如果某核素能够实现T最大化，则认为该核素为能谱优化所需的最佳核素。
10.根据权利要求9所述的一种基于极值燃耗分析方法的钚-238高效辐照生产方法，其特征在于，S3中，能谱总效率与对应的钚-238产量的获取方式为：
基于式子来计算各辐照方案的能谱总效率E，使用蒙卡燃耗方法来计算各辐照方案的钚-238的实际产量。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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