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一种自给能 中子探测器内中子-光子能谱的表征方法

阅读：9发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种自给能中子探测器内中子-光子能谱的表征方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种自给能中子探测器内中子- 光子能谱的表征方法，1、获得自给能中子探测器灵敏度计算模型；2、得到自给能中子探测器附近的中子能谱和光子能谱，对每个能群间隔进行加密，到加密后的中子能群和光子能群；3、再次计算燃料组件的特征值，获得自给能中子探测器附近的573群中子能谱和128群光子能谱，同时检验中子能谱和光子能谱的统计方差；4、获得自给能中子探测器的中子灵敏度和光子灵敏度，并将其作为能群选择的参考值；5、分别计算常用的三类中子能群和三类光子能群结构对应的光子能谱，并计算对应的中子灵敏度和光子灵敏度，并参考值对比分析，选取与中子灵敏度、光子灵敏度参考值的相对偏差最小的能群结构作为最优中子-光子能群结构。，下面是一种自给能中子探测器内中子-光子能谱的表征方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种自给能中子探测器内中子-光子能谱的表征方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：读取压水堆中含自给中子能探测器的燃料组件的几何尺寸、材料布置、自给能中子探测器结构及材料以获得自给能中子探测器灵敏度计算模型，其中自给能中子探测器电流与自给能中子探测器发射极中子通量密度的比值定义为自给能探测器的中子灵敏度，具体的公式如下：
在中子探测器灵敏度计算模型中，通过自给能中子探测器中各种粒子的物理作用，分别统计自给能中子探测器的正向I+和反向电流I-，从而获得自给能中子探测器的静电流I＝I+-I-，同时统计发射极的中子通量密度φn，结合上式即可求得自给能探测器的中子灵敏度；根据计算模型在蒙特卡洛程序MCNP中使用几何模块描述真实的组件几何结构、自给能中子探测器几何结构以及各几何结构内填充的材料，最终建立含有自给能中子探测器的二维燃料组件模型，同时设置自给能中子探测器附近的中子-光子能谱统计区域，进行燃料组件的特征值计算，通过求解燃料组件的稳态中子输运方程进而获得自给能中子探测器附近的中光子能谱：
步骤2：根据步骤1中蒙特卡洛程序求解的燃料组件特征值，根据粒子在自给能中子探测器附近统计区内的径迹长度模拟得到自给能中子探测器附近的中子能谱和光子能谱，同时记录中子-光子能谱的统计方差；根据统计方差的大小对每个能群间隔以对数能降均分的方式进行加密，需要保证加密后的中子-光子能群结构对应的统计方差不超过10％，进而得到加密后的中子能群和光子能群；
步骤3：根据步骤2中获得的加密后的中子能群和光子能群，再次计算燃料组件的特征值，获得自给能中子探测器附近的573群中子能谱和128群光子能谱，同时检验中子能谱和光子能谱的统计方差，保证统计方差均在10％以内；
步骤4：根据步骤3中获得的加密后的573群中子能谱和128群光子能谱，将573群中子能谱和128群光子能谱作为自给能中子探测器响应模拟的能谱输入，使用蒙特卡洛程序Geant4读取573群中子能谱和128群光子能谱分别模拟获得自给能中子探测器的中子灵敏度和光子灵敏度，并将573群中子能谱模拟获得的中子灵敏度和128群光子能谱模拟获得的光子灵敏度作为能群选择的参考值；
步骤5：分别计算压水堆燃料组件中常用的三类中子能群69群、173群、361群结构对应的中子能谱，三类光子能群18群、20群、48群结构对应的光子能谱，计算每种中子-光子能谱对应的中子灵敏度和光子灵敏度，并与步骤4给出的573群中子能谱模拟获得的中子灵敏度和128群光子能谱模拟获得的光子灵敏度进行对比分析，选取与中子灵敏度、光子灵敏度参考值的相对偏差最小的能群结构作为最优中子-光子能群结构。

说明书全文

一种自给能中子探测器内中子-光子能谱的表征方法

技术领域

[0001] 本发明涉及核反应堆堆内检测系统的理论模拟领域，具体涉及一种自给能中子探测器内中子-光子能谱的表征方法。

背景技术

[0002] 为了保障反应堆堆芯的安全、提高反应堆的经济效益，需要对反应堆堆芯的安全指标进行模拟监测。其中中子通量密度是反应堆内一个重要参数指标，它能至关地反应反应堆的功率水平和反应堆的工作状态，也是反应堆控制的一个至关重要的指标。一般需要中子探测器来监测堆内的中子通量密度。

[0003] 根据探测器的原理和材料的不同，中子探测器有气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器和自给能中子探测器。反应堆堆内环境具有高温、高湿、高压、强腐蚀、强射线干扰等特征，这就要求堆内中子探测器必须适应这种环境才能正常和长期工作。自给能中子探测器是一种不需要外加偏压电源的中子探测器。该类型探测器的灵敏度相对其他类型探测器的灵敏度较低。但是，和其他类型探测器相比，该类型探测器更能适应强辐射的工作环境。在理论计算过程中，正确模拟获得堆内中子自给能探测器的电流响应就显得至关重要。

[0004] 为了获得堆内自给能中子探测器的响应，需要根据堆芯状态提供自给能探测器附近的中子-光子信息用于自给能探测器的响应模拟。足够精细的能群结构可以充分描述自给能探测器附近的中子-光子信息，但是确定论方法只能提供多群能谱，无法得到连续能谱，同时由于蒙特卡洛方法的统计方差导致在统计方差范围内只能得到多群能谱，无法获得连续谱，因此为了获得足够精度的中子-光子能群结构同时用于确定论方法和蒙特卡洛方法以模拟堆内自给能探测器响应，就需要评估出合适的中子-光子能群结构。基于压水堆中常用的3类中子能群结构(69群、173群、361群)和3类光子能群结构(18群、20群、48群)，使用蒙特卡洛方法获得中子-光子能谱用于自给能探测器的中子灵敏度和光子灵敏度计算，并在统计方差范围内加密中子-光子能群结构获得足够精细的能群作为中子-光子灵敏度计算的参考值，从而确定同时适合确定论方法和蒙特卡洛方法的中子-光子能群结构。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种自给能探测器内中子-光子能谱的表征方法，应用在堆内自给能探测器附近中子-光子能谱计算中，通过与加密后的中子-光子能谱模拟获得的中子-光子灵敏度进行对比获得最优的中子-光子能群结构，使得其同时适用于确定论方法和蒙特卡洛方法的自给能探测器响应模拟计算。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案予以实施：

[0007] 一种自给能中子探测器内中子-光子能谱的表征方法，包括如下步骤：

[0008] 步骤1：读取压水堆中含自给中子能探测器的燃料组件的几何尺寸、材料布置、自给能中子探测器结构及材料以获得自给能中子探测器灵敏度计算模型，其中自给能中子探测器电流与自给能中子探测器发射极中子通量密度的比值定义为自给能探测器的中子灵敏度，具体的公式如下：

[0009]

[0010] 在中子探测器灵敏度计算模型中，通过自给能中子探测器中各种粒子的物理作用，分别统计自给能中子探测器的正向I+和反向电流I-，从而获得自给能中子探测器的静电流I＝I+-I-，同时统计发射极的中子通量密度φn，结合上式即可求得自给能探测器的中子灵敏度；根据计算模型在蒙特卡洛程序MCNP中使用几何模块描述真实的组件几何结构、自给能中子探测器几何结构以及各几何结构内填充的材料，最终建立含有自给能中子探测器的二维燃料组件模型，同时设置自给能中子探测器附近的中子-光子能谱统计区域，进行燃料组件的特征值计算，通过求解燃料组件的稳态中子输运方程进而获得自给能中子探测器附近的中光子能谱：

[0011]

[0012] 步骤2：根据步骤1中蒙特卡洛程序求解的燃料组件特征值，根据粒子在自给能中子探测器附近统计区内的径迹长度模拟得到自给能中子探测器附近的中子能谱和光子能谱，同时记录中子-光子能谱的统计方差；根据统计方差的大小对每个能群间隔以对数能降均分的方式进行加密，需要保证加密后的中子-光子能群结构对应的统计方差不超过10％，进而得到加密后的中子能群和光子能群；

[0013] 步骤3：根据步骤2中获得的加密后的中子能群和光子能群，再次计算燃料组件的特征值，获得自给能中子探测器附近的573群中子能谱和128群光子能谱，同时检验中子能谱和光子能谱的统计方差，保证统计方差均在10％以内；

[0014] 步骤4：根据步骤3中获得的加密后的573群中子能谱和128群光子能谱，将573群中子能谱和128群光子能谱作为自给能中子探测器响应模拟的能谱输入，使用蒙特卡洛程序Geant4读取573群中子能谱和128群光子能谱分别模拟获得自给能中子探测器的中子灵敏度和光子灵敏度，并将573群中子能谱模拟获得的中子灵敏度和128群光子能谱模拟获得的光子灵敏度作为能群选择的参考值；

[0015] 步骤5：分别计算压水堆燃料组件中常用的三类中子能群69群、173群、361群结构对应的中子能谱，三类光子能群18群、20群、48群结构对应的光子能谱，计算每种中子-光子能谱对应的中子灵敏度和光子灵敏度，并与步骤4给出的573群中子能谱模拟获得的中子灵敏度和128群光子能谱模拟获得的光子灵敏度进行对比分析，选取与中子灵敏度、光子灵敏度参考值的相对偏差最小的能群结构作为最优中子-光子能群结构。

[0016] 与现有技术相比，本发明有如下突出优点：

[0017] 考虑了同时适用于确定论方法和蒙特卡洛方法的中子-光子能群结构，并根据蒙特卡洛方法连续能量的优点建立了加密能群作为中子-光子能群选择的标准，使得最终获得的中子-光子能群在适用于两种方法的同时尽可能准确的为自给能探测器的响应模拟提供探测器附近的中子-光子信息。附图说明

[0018] 图1是中子-光子能群选择的流程图。

[0019] 图2是自给能探测器几何模型示意图。

[0020] 图3是不同中子能群结构与573群中子灵敏度的相对偏差。

[0021] 图4是不同光子能群结构与128群光子灵敏度的相对偏差。

具体实施方式

[0022] 下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

[0023] 具体步骤如图1所示。本发明自给能中子探测器内中子-光子能谱的表征方法，主要包括不同能群结构的中子-光子能谱计算、在中子-光子能谱的统计方差范围内对中子能群-光子能群进行加密、不同中子-光子能谱下自给能探测器的灵敏度计算，其具体的步骤如下：

[0024] 步骤1：读取压水堆中含自给能中子探测器的燃料组件的几何尺寸、材料布置、自给能中子探测器结构及材料以获得自给能中子探测器灵敏度计算模型，其中自给能中子探测器电流与自给能中子探测器发射极中子通量密度的比值定义为自给能探测器的中子灵敏度，具体的公式如下：

[0025]

[0026] 在中子探测器灵敏度计算模型中，通过自给能中子探测器中各种粒子的物理作+ -用，分别统计自给能中子探测器的正向I和反向电流I ，从而获得自给能中子探测器的静电流I＝I+-I-，同时统计发射极的中子通量密度φn，结合上式即可求得自给能探测器的中子灵敏度；根据计算模型在蒙特卡洛程序(MCNP)中使用几何模块描述真实的组件几何结构、自给能中子探测器几何结构以及各几何结构内填充的材料，最终建立含有自给能中子探测器的二维燃料组件模型，同时设置自给能探测器附近的中子-光子能谱统计区域，进行燃料组件的特征值计算，通过求解燃料组件的稳态中子输运方程进而获得自给能中子探测器附近的中光子能谱：

[0027]

[0028] 步骤2：根据步骤1中蒙特卡洛程序求解的燃料组件特征值，根据粒子在自给能中子探测器附近统计区内的径迹长度模拟得到自给能中子探测器附近的中子能谱和光子能谱同时记录中子-光子能谱的统计方差。根据统计方差的大小对每个能群间隔以对数能降均分的方式进行加密，需要保证加密后的中子-光子能群结构对应的统计方差不超过10％，进而得到加密后的中子能群和光子能群。

[0029] 步骤3：根据步骤2中获得的加密后的中子能群和光子能群，再次计算燃料组件的特征值，获得自给能中子探测器附近的573群中子能谱和128群光子能谱，同时检验中子能谱和光子能谱的统计方差，保证统计方差均在10％以内。

[0030] 步骤4：根据步骤3中获得的加密后的573群中子能谱和128群光子能谱，将573群中子能谱和128群光子能谱作为自给能中子探测器响应模拟的能谱输入，使用蒙特卡洛程序Geant4读取573群中子能谱和128群光子能谱分别模拟获得自给能中子探测器的中子灵敏度和光子灵敏度，并将573群中子能谱模拟获得的中子灵敏度和128群光子能谱模拟获得的光子灵敏度作为能群选择的参考值。

[0031] 步骤5：分别计算压水堆燃料组件中常用的三类中子能群结构(69群、173群、361群)对应的中子能谱，三类光子能群结构(18群、20群、48群)对应的光子能谱，计算每种中子-光子能谱对应的中子灵敏度和光子灵敏度，并与步骤4给出的573群中子能谱模拟获得的中子灵敏度和128群光子能谱模拟获得的光子灵敏度进行对比分析，选取与中子灵敏度、光子灵敏度参考值的相对偏差最小的能群结构作为最优中子-光子能群结构。

[0032] 为验证本发明对于选择自给能探测器附近中子-光子能群结构的能力，设计如图2所示的算例，算例中为钒自给能探测器，探测器结构由外向内依次是慢化剂、铝外壳、收集极、绝缘层、发射极，使用蒙特卡洛程序Geant4分别计算4套中子能群结构(69群、172群、361群、573群)以及4套光子能群结构(18群、20群、48群、128群)下中子-光子正向电流的灵敏度、反向电流的灵敏度和净电流的灵敏度。根据数值结果可以发现：

[0033] 1)由图3可知，四种中子能谱结构的净电流和正向电流的灵敏度均小于2％，且361群中子能群结构和573群中子能群结构的反向电流的灵敏度均小于2％。考虑到与压水堆常用能群结构以及与确定论程序的衔接，选取361群中子能群结构作为自给能探测器响应计算程序的中子能谱输入。

[0034] 2)由图4可知，四种光子能群结构的净电流、正向电流和反向电流的灵敏度随光子能群的增多而降低。并且48群和128群的正向电流和反向电流的相对偏差均小于1％。为了保证光子模拟的准确性，最终选取128群光子能群结构作为自给能探测器响应计算程序的光子能谱输入。

[0035] 本发明在选择自给能探测器附近中子-光子能群结构方面，不受具体的反应堆堆型、燃料组件类型、自给能探测器类型的限制，基于蒙特卡洛方法可以建立精确的几何模型，同时具有连续能量的优势，可以给出统计方差范围内足够精细的能群结构作为参考能群，并能实现压水堆常用中子-光子能群结构的验证分析，从而选择出同时适合确定论方法和蒙特卡洛方法的中子-光子能群结构。

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