月球样品的中子活化分析技术研究

月球的起源是月球研究的核心问题。月球探测任务返回的数据和样品极大地提高了人类对地月系统的认知,同时也发现了更多未解之谜,亟待未来的探测任务和科学研究来解答。嫦娥五号月壤是我国首次地外天体采集返回的样品,也是继美国和苏联探月采样任务45年后人类再次获得的月球样品。鉴于月球样品的珍贵性和特殊性,利用先进技术开展其全元素含量的非破坏精准分析对于认识月球演化和月球资源就地开发利用具有重要的意义。依托大型核反应研究堆和加速器中子注量率优势,利用中子活化分析技术可实现月球样品中的全元素非破坏分析:1)仪器中子活化分析技术(INAA)可测量Na—U元素之间的60余种元素;2)瞬发γ中子活化分析技术(PGNAA)可补充测量INAA不适合测量的元素如H、B、C、N等;3)中子深度剖面分析技术(NDP)可测量样品近表面(微米级)聚变能源3He的浓度深度分布;4)缓发中子测量技术(DNC)可定量样品中痕量裂变核素如^(235)U和^(239)Pu,并结合INAA可测量238U/235U同位素比值;5)14 MeV快中子活化分析技术(FNAA)可测量INAA和PGNAA不灵敏或不适合测量的元素如O、Si、P等。因此,中子活化分析技术(NAA)可有效解决月球样品中全元素、非破坏和精准测量问题,为我国深空探测珍贵样品研究提供核分析技术支撑。

一种基于硅传感器的空间中子探测器设计

针对空间站轨道复杂的中子辐射环境,设计一种中子探测器,采用硅层叠结构,利用核反冲法及核反应法进行中子的间接探测,获取空间站轨道中子辐射的能谱信息。该中子探测器的探测范围指标为0.025 eV~10MeV,搭载于天宫空间站梦天实验舱的空间辐射生物学暴露实验装置上,用于监测空间站低地球轨道的中子辐射环境,获取在轨探测数据,可为研究空间中子对生物体造成辐射效应的作用机理提供重要依据,也可为研究次级粒子对航天器电子元件造成的单粒子效应提供必要的空间环境参数。

百千瓦级空间核反应堆屏蔽优化研究

屏蔽体尺寸和重量对空间核反应堆和核动力航天器性能有着重要影响,因而屏蔽设计优化是空间核动力系统设计的关键。本文以JIMO项目反应堆为对象,在铍-碳化硼-钨-氢化锂分层组合屏蔽方案的基础上,考虑到辐照剂量的径向分布,采用蒙特卡罗方法计算了负载处辐照剂量和氢化锂中子剂量,分析了屏蔽设计原理,并提出了分步优化方法以实现屏蔽优化。根据结果分析,调整了铍和碳化硼的厚度比例、钨半径及布置位置,获得了优化的屏蔽方案,在满足屏蔽要求的基础上质量减少了98.41 kg。提出的屏蔽方案及设计流程可为空间核电源屏蔽设计优化提供参考。

月壤中子辐射环境原位探测任务与载荷设计

由于月球没有大气层和全球性的磁场保护,使得高能宇宙线直接与月壤物质的原子核发生散裂反应产生大量中子。月球中子既是载人登月和国际月球科研站辐射防护的主要对象之一,也可用于月球水资源勘查及月球起源、演化历史研究。迄今只有阿波罗17任务测量了月壤2米深度内的中子数密度,文章提出将中子探测载荷部署在月壤钻取后形成的钻井中的任务设想,相比阿波罗任务,月壤钻井中子探测在原位、近实时、多能区等方面具有创新性。基于氦-3正比计数管技术的月壤中子探测载荷重量0.9 kg、功率9 W,对月壤内部水的灵敏度可达500微克每克。月壤钻井中子载荷将极大的丰富月球探测任务的科学与工程产出。文章中的相关方案和技术还可应用于后续其他地外天体的深空探测任务。

基于空间核反应堆事故工况下的仿真研究

随着我国航天事业的发展,空间核反应堆电源因其功率密度大、寿命长、环境适应性强、工作性能稳定等特点,已成为未来空间探索的理想动力能源。为了研究空间核反应堆在正常运行工况和掉落事故工况下的安全性,基于中子输运计算程序Open MC对空间核反应堆开展临界仿真研究,得到正常工况下堆芯反应性、控制鼓价值以及燃耗计算等一系列重要参数。同时模拟分析了空间核反应堆在水淹和沙埋2种事故工况下的堆芯反应性和中子能谱。结果表明,空间核反应堆在保持控制鼓功能正常的掉落事故工况下仍然有3000pcm左右的负反应性以防止反应堆达到临界状态,保证了空间核反应堆在此事故工况下的安全性,表明此堆芯的设计是安全可靠的。空间核反应堆仿真研究对我国未来空间核反应堆实际应用具有一定的指导意义。计算结果为空间核反应堆的安全分析和事故分析提供了重要的参考数据。

空间辐射位移效应西安脉冲堆中子试验平台及应用

空间辐射环境中的重离子、质子、电子等载能粒子辐照产生的位移效应是影响航天器在轨高可靠、长寿命运行的重要因素之一。基于中子辐照等效空间载能粒子产生的位移效应是评价航天器电子元器件抗辐射能力的重要手段。西安脉冲反应堆是空间辐射位移效应研究的重要平台,自建成以来,为国内多家器件生产、系统研制、型号应用等单位在抗辐射加固设计、考核评估、效应机理等工作中提供了重要支撑。本文综述了电子器件位移效应机理与敏感性、位移效应中子等效试验方法和西安脉冲反应堆中子试验平台及其典型应用。

KRUSTY-HEU热管空间堆体积优化及热力耦合特性研究

空间热管堆具有小型化、长寿期、环境适应性强等优点,在航天领域中有广阔的应用前景。本文针对由洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的高富集度热管空间堆高浓缩铀方案KRUSTY-HEU,在保持反应性不变的前提下,通过添加慢化剂材料的方法进行体积优化,减小控制棒的体积并降低反射层厚度,用以降低航天器的发射成本和发射载荷。在慢化剂布置方面,本文提出了芯块内层添加慢化剂、芯块内部中间层添加慢化剂和慢化剂与燃料弥散3种方案,并对反应性和安全性进行对比。结果表明,芯块内层添加慢化剂方案优于其他两种方案,最低的反射层厚度为8.69 cm,较之前降低了3.11 cm,体积降低了约30%。针对优化后的方案进行了中子学和热力学分析,结果表明温度对反应性影响较小且移动反射层能够很好地控制反应性,同时燃耗引起的反应性损失较小。在正常运行时,堆芯温度和热位移与之前相差不大,热应力最大处为慢化剂和芯块的交界面,超过了堆芯材料屈服极限。通过在慢化剂和芯块间添加间隙,在材料屈服极限内有效地降低了热应力。单管失效分析表明堆芯温度、位移和热应力发生变化,但未影响其安全性。综上所述,本文提出的芯块内层添加慢化剂方案可有效降低KRUSTY-HEU的体积,热力耦合特性表明优化后的堆芯仍具有较高的安全性和稳定性。

空间环境中子效应及测量技术

随着航天事业向长时间载人深空探测方向发展,空间辐射环境对航天器及其器件、对宇航员的损伤越来越受到重视。在空间辐射的诸多因素中,中子的辐射危害相当可观。介绍了空间中子探测研究的重要性,总结了空间中子的分布和来源、中子导致的辐射剂量贡献、中子对航天器危害和对航天员的损伤以及空间中子的探测方法。

临近空间中子辐射环境分析及其引起的单粒子效应预计研究

使用Space Radiation 7.0工具分析临近空间中子辐射环境,研究其与海拔高度、太阳活动和经纬度的关系及内在原因.在此基础上,提出了一种基于蒙特卡罗方法的大气中子实时错误率预计方法,并以航空电子系统关键集成电路FPGA为例,预计其单粒子翻转敏感模块包括配置存储器、块存储器和用户触发器,单粒子功能中断敏感模块包括上电复位电路、SelectMAP接口等的实时飞行错误率.结果表明,配置存储器中发生的单粒子翻转达到总单粒子翻转率的77%,而上电复位电路和SelectMAP接口中发生的单粒子功能中断各占总单粒子功能中断率的36%.根据RTCA DO-254对飞行系统失效等级的划分,该FPGA器件不可用于航空电子系统关键位置.

临近空间中子环境及其对电子设备的影响研究

临近空间飞行器运行在苛刻的辐射环境之中,大气中子作为临近空间最主要的辐射粒子严重地威胁着临近空间飞行器电子设备的安全与可靠。从临近空间大气中子环境探测、环境规律和模型以及大气中子对飞行器电子设备的影响3个方面介绍了临近空间大气中子的研究现状,并对中子环境的探测、中子环境的理论建模和电子设备遭受中子单粒子效应的评价技术等方面的研究提出了建议。

空间中子辐射及其测量技术

空间辐射环境包含大量高能带电粒子,其与航天器的结构材料相互作用会产生次级中子辐射,由于这些中子的平均品质因子是带电粒子的约4~5倍,因而对生物组织的剂量当量相对贡献更大。由于中子与物质的作用机制更为复杂,测量难度大,使得准确测量空间中子注量及其剂量当量贡献成为空间辐射剂量学中最具挑战性的工作之一。主要介绍了空间中子辐射的产生机制以及国外相关测量方法及其相关校准技术的研究状况。

RMT测井仪在某些油田的初步应用

脉冲中子测井是目前在套管井中评价储层含油饱和度的方法之一。RMT是国外同类仪器中晶体效率最高且尺寸最大的双源距脉冲中子综合测井仪 ,测井曲线统计性较好。RMT具有 3种测量模式 ,在C O模式下 ,仪器不但提供C O、Ca Si以及H、Si、Ca、K、Cl、Fe、S、Ti、Mg等元素伽马射线产额 ,同时还提供地层俘获截面、孔隙度指数和氧活化、硅活化计数。该仪器已经在松辽盆地、渤海湾地区和西部油田测井 3 0 0多口 ,在深井和较低孔隙度储层中也获得了较好的效果。简要介绍了RMT ,并展示了该仪器在判断岩性、指示产层出砂、识别含气层位、反映层内水淹差异、识别油水界面、确定堵水层位和再挖潜老井等方面的一些应用实例。

中子场空间分布特性研究

采用Monte-Carlo方法,以高斯聚变中子谱和麦克斯韦裂变中子谱为源谱,进行了中子在大气中输运的理论模拟,给出了不同源高度,空间不同位置处的中子注量、能谱和吸收剂量,并总结了中子场的空间分布特性。

耦合的PWR三维物理与热工-水力堆芯瞬态分析程序系统NLSANMT/COBRA-Ⅳ

介绍了采用非线性迭代半解析节块展开法求解的三维节块时-空中子动力学计算程序NLSANMT,并将其与子通道热工-水力堆芯分析程序COBRA-Ⅳ耦合,形成PWR三维物理与热工-水力堆芯瞬态分析程序系统NLSANMT/COBRA-Ⅳ。对OECD NEACPR PWR弹棒基准问题的计算表明,即使每个组件使用一个节块、每个节块一个通道,NLSANMT/COBRA-Ⅳ的计算结果仍然和参考值符合得很好。

三维瞬态物理分析模型与RELAP5/mod3.2程序的耦合研究

在系统热工水力程序RELAP5/mod3.2的基础上,采用显式方法建立了堆芯三维时空中子动力学与一维热工水力计算的耦合模型,接入基于非线性迭代半解析节块法的三维瞬态物理分析模型(NLSANMT)后,形成了一个具有堆芯三维瞬态物理特性分析能力的系统计算程序NLSANMT/RELAP5(mod3.2)。通过核动力反应堆温度反馈系数、堆芯功率分布参数的校算及单束控制棒失控抽出事故的模拟分析,验证了接口的正确性。验证结果表明,与RELAP5/mod3.2相比,所开发的NLSANMT/RELAP5(mod3.2)程序具有更强的堆芯物理瞬态分析能力。

空间中子探测器能量响应仿真分析及验证

空间中子会对在轨航天器的电子系统造成损伤,并可能对执行任务宇航员的生命安全造成严重威胁。准确分析空间的中子环境特性,是保障航天器抗辐射加固设计合理和宇航员生命安全的前提。基于Fluka软件利用蒙特卡罗的方法模拟、分析、设计了基于塑料闪烁体的复合结构中子探测器,从探头尺寸、结构位置、探测效率、反符合结构等方面进行了仿真分析,确定了探测器的0.5 mm、3 mm梯度复合结构,并利用14~25 MeV的单能中子进行了试验验证。结果表明:设计的探测器可用于空间站舱内中子环境以及近地空间中子探测,能够为后续的工程载荷设计提供理论和技术支持。

高温气冷堆堆芯中子时空动力学模拟计算

研究开发三维圆柱几何堆芯多群中子时空动力学改进准静态方法模拟计算程序.对给定的模块式高温气冷堆模型进行模拟计算.初始状态下,计算结果与中子扩散程序CITATION吻合很好.动态情况下,模拟堆芯反应性、堆内各能群中子平均注量率和堆芯相对功率等物理量随时间变化,计算结果与理论分析一致.

临近空间中子环境及其探测

在临近空间辐射环境的诸多因素中,中子对飞行器的安全、可靠运行以及人员健康的威胁最为严重。文章介绍了临近空间中子的来源及其对飞行器和人体的危害,指出临近空间中子探测研究的重要意义,简要阐述了临近空间中子探测的原理与方法,最后探讨了临近空间中子探测领域所涉及的几个关键问题。

三维瞬态输运程序在中子点火中的应用

基于广义半马尔科夫过程模拟方法开发了一套三维中子输运瞬态蒙特卡罗程序GSMP3D,该程序使用ACE格式连续截面,适用于随机中子场瞬态和强中子场瞬态问题的求解。以美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)提供的中子点火对算模型为例,对比了GSMP3D与美国点火程序Mercury的计算结果,二者吻合很好,GSMP3D不仅给出了中子点火概率,还提供了定态点火实验的中子爆发等待时间的统计结果。表明该程序可用于处理中子点火问题。

蒙特卡罗方法在中子时空动力学问题中的应用

对现有用于解决核反应堆时空动力学问题的基于输运理论的各种方法与计算机程序系统进行了分析。综合考虑了确定论方法和蒙特卡罗方法求解输运问题的优缺点,提出一种以蒙特卡罗方法为基础的直接模拟方法。该方法通过直接模拟堆芯内中子和先驱核的动态行为来实现对瞬态问题的求解,取消了现有方法的各种近似,具有普适通用性。为了验证该方法的有效性,在一定近似处理的前提下,开发出了相应的程序,并计算了相关的问题。结果表明,该方法用于计算各种核反应堆动力学问题是可行的。