微型核反应堆冷却剂/慢化剂材料物理特性对比分析

通过数值分析手段,从中子物理角度对微型核反应堆(微维)常用的冷却剂/慢化剂材料进行了比较。以六边形结构设计堆芯、金属铍为反射层,采用MCNP软件建模计算了不同冷却剂/慢化剂下堆芯的临界特性、栅元轴向功率分布、堆芯径向功率分布、中子能谱、反应性控制等,比较了其中子物理特性。结果表明:在慢化剂与燃料的比值较小时,水慢化性能最佳,三联苯的过慢化特性不明显,氢化锆的慢化能力为三者最低。三种工质满足最基本的安全性要求,但是水作为高富集度微堆燃料的冷却剂不适合。

基于临界慢化模型和长时间序列叶面积指数的植被及其恢复力遥感监测研究——以三峡库区为例

基于临界慢化模型,利用长时间序列叶面积指数(GLASS LAI)数据,进行时间序列分解后,计算了LAI及其时间自相关指数作为指标,对三峡库区植被及其恢复力进行监测,通过案例模型对临界慢化模型精度进行了验证,分析了三峡库区植被及其植被恢复力的时空分布特征,探索基于临界慢化模型的植被恢复力遥感定量估算方法的适用性。结果表明:(1)2000—2018年三峡库区LAI平均值为3.4,重庆段LAI较低,湖北段LAI较高;三峡库区LAI整体呈上升趋势,重庆段LAI呈现降低趋势,显著下降区域占重庆段面积的21.75%,湖北段LAI呈现升高趋势,显著上升区域占湖北段面积的21.22%;(2)2000—2018年三峡库区重庆市北碚区、大渡口区、渝北区植被恢复力较低,宜昌市兴山县、夷陵区、点军区植被恢复力较高;(3)模型精度方面,在两个地质灾害扰动事件中案例模型结果与临界慢化模型结果呈现较高的一致性。本文对三峡库区2000—2018年的植被恢复力进行了定量估算,同时通过案例模型对临界慢化模型在恢复力监测上的有效性进行了验证,为三峡库区制定相应生态环境管理决策提供理论基础,为保障西南地区生态安全提供决策依据。

TOPAZ-Ⅱ反应堆慢化剂正温度效应研究

TOPAZ-Ⅱ空间核反应堆电源采用热离子静态热电转换方式,系统输出电功率为5 kW,寿命可达3 a,是当前可迅速工程化的最先进的空间核电源系统之一。然而TOPAZ-Ⅱ反应堆的慢化剂温度系数是一个较大的正值,并导致了全堆的温度系数也是正值,这对反应性控制系统的可靠性提出了很高要求,因而有必要对其产生的机理进行详细的研究。采用MCNP程序构建了TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯三维精确几何模型,从中子能谱的变化、中子平衡关系的变化以及中子循环因子的变化3个方面详细分析了TOPAZ-Ⅱ反应堆慢化剂正温度效应产生的原因。通过设计验证算例验证了分析的正确性,并找到了可减小慢化剂正温度效应的方法,为未来热离子反应堆的优化设计提供了一个指导方向。

CFETR参数下α粒子慢化过程的数值模拟

氘氚聚变产生的高能量α粒子是维持未来托卡马克反应堆等离子体高温的主要加热源,良好的α粒子约束对于维持稳态燃烧等离子体至关重要.在持续发生聚变反应的系统中,α粒子远离热平衡,呈现非麦克斯韦分布.如果忽略轨道效应,基于局域库仑碰撞的假设可以得到α粒子的经典慢化分布,然而由于α粒子存在较大的漂移轨道宽度,空间输运不容忽视,为得到更为准确的α粒子分布函数,需要开展相关的数值计算.本文使用模拟程序PTC(particle tracer code)在中国聚变工程试验堆(CFETR)不同的放电模式下,采用粒子轨道跟踪和蒙特卡罗碰撞方法,对α粒子慢化过程进行了数值模拟,获得了更为真实的α粒子分布函数,并将其与经典慢化分布进行了对比.结果显示分布函数在中等能量附近和经典慢化分布存在较大差异.进一步的分析表明,这是由于中等能量下α粒子的较强的径向输运引起的.本文的研究结果对准确评估α粒子加热背景等离子体的能力具有重要参考价值.

Geant4用于模拟现场中子谱慢化材料选型适用性研究

针对基于DT中子源的模拟工作现场中子谱慢化设计需求,通过分析中子反应截面,选择14种备选材料,从中子倍增、降能和瞬发γ三个方面分析,开展14 MeV中子慢化材料选型研究。利用Geant4与MCNP计算结果进行对比及Am-Be中子源进行慢化实验验证,分析Geant4用于模拟现场中子谱慢化材料选型的可靠性。通过模拟对比与实验分析表明,Geant4用于模拟谱装置慢化材料选型及中子能谱及剂量计算结果适用,为进一步模拟谱装置结构设计奠定基础。

中子测量用慢化体及热中子转换层厚度优化

通常利用慢化体及热中子转换材料来实现中子的间接探测。为了最大程度提高探测器对中子的探测效率,建立并仿真计算了包含^(252)Cf中子源、聚乙烯慢化体和碳化硼(B_(4)C)/氟化锂(LiF)热中子转换层的蒙特卡洛粒子输运模型,并通过理论分析验证该模型的准确性。研究结果表明:在所建立模型中聚乙烯慢化体厚度为5.5 cm时热中子份额最大;在此条件下,B_(4)C和LiF热中子转换层厚度分别在2.8μm~3.3μm时和33μm~35μm时探测效率最高;对于单面转换层型热中子探测器,在测量中子时使转换层面朝向中子入射方向可以有效提高探测效率。理论分析得到的结果与粒子输运计算结果基本一致,B_(4)C和LiF厚度分别在2.9μm~3.1μm时和26μm~32μm时探测效率最高,约为4.8%和5.0%。

非线性动力系统在分岔点处的临界慢化行为

Lyapunov指数是定量描述非线性动力系统轨道稳定性的主要方法之一,同时也是分析系统分岔行为的常用手段.实际应用中,人们通常只关心Lyapunov指数的正负,并以此来判断系统轨道是否稳定,而对于Lyapunov指数为零,即动力学分岔点处系统的行为特征讨论甚少.本文以几类经典的非线性动力系统为例,针对系统在分岔点处的轨道稳定性进行理论和数值分析.研究发现,不同系统在分岔点处其微扰后的轨道均以幂律,而非指数的形式收敛,呈现出经典物理系统在相变临界点处的慢化行为.通过理论分析,我们解析得到分岔点处计算临界指数的一般公式,并通过数值模拟对理论公式的准确性进行了验证.临界慢化是物理系统在相变点处的普遍现象,文中关于非线性系统在分岔点处临界慢化行为的发现将加深人们对于动力学分岔本质的认识,同时也是对现有教材中关于Lyapunov指数相关知识的有益补充.

小型中子源14MeV中子慢化体结构的研究（Ⅱ）

对天然铀和聚乙烯的各种组合进行了计算，结果可见：用２—２．５ｃｍ厚的天然铀紧包１４ＭｅＶ中子源，在离源面２—３ｃｍ范围内使用热中子为最佳，用浓缩铀作增强物，只有当离源一定距离放置时，才能比天然铀有较好的效果。讨论了在由高浓缩铀和聚乙烯组成的、几何尺寸与上面计算相同的次临界系统中使用天然铀或铅增强物对１４ＭｅＶ中子源的倍增情况，得出天然铀和铅在该次临界系统中仍有明显的增强作用；在合适的结构中，设ｋ为该次临界系统中的有效增殖因数，则可使增强因子Ｍ接近甚至大于（１－ｋ）－１。

光学双稳系统中的慢化现象

本文中我们对光学双稳系统的慢化现象进行了研究，指出了两类临界点附近的慢化现象（即所谓的临界慢化），并且计算出了它们随时间的慢化指数，进一步我们讨论了另一种远离临界点的慢化现象，这是一种与不稳工作点有关的慢化现象。本文的讨论具有普适性，有些结论与已经在理论和实验讨论过的全光学型的或混合型的双稳系统的慢化现象相一致。

光学双稳系统中远离临界点的慢化现象

对光学双稳系统的远离临界点的慢化现象及其异常开关现象进行了研究和讨论。

汶川8.0级地震前水氡浓度的临界慢化现象研究

近年来,临界慢化(Critical slowing down)现象在揭示复杂动力系统是否趋于临界性灾变方面展示了重要潜力.本文基于临界慢化的概念,将其用于水氡浓度观测资料的处理.以2008年5月12日汶川8.0级地震前龙门山断裂带破裂段及附近地区水氡浓度观测点资料为例,分别计算了表征临界慢化现象的自相关系数和方差.结果表明,汶川8.0级地震前,不同台站的水氡浓度震前都存在明显的临界慢化现象,这表明临界慢化现象可能是强地震发生前的一个早期信号.将临界慢化理论引入地震前兆资料的研究,对深入认识地震前兆机理、判定前兆异常所处阶段以及提高地震预测水平都具有重要的现实意义和科学价值.

砂岩单轴压缩破坏的临界慢化特征

为了从临界慢化的角度研究岩体破裂失稳产生的声发射信号特征,进行了砂岩单轴压缩实验。基于临界慢化原理,对砂岩单轴压缩破坏产生的声发射信号进行了处理分析,结果表明:在整个加载过程中,砂岩破坏产生的声发射信号呈现出明显的阶段性特征;不同的窗口长度、滞后步长对于表征砂岩破坏临界慢化临界点的自相关系数及方差的波动稳定性有影响;可以将砂岩加载破坏过程中产生的声发射计数自相关系数、方差的突然增大作为砂岩破坏的前兆特征,相对于自相关系数而言,方差更具明显性,且前兆点无论是在时间上还是应力上都达到了总时间及应力峰值的80%以上,具有较好的时效性。

TOPAZ-Ⅱ反应堆慢化剂温度效应分析

TOPAZ-Ⅱ反应堆是以高富集度铀为燃料,以氢化锆为慢化剂的空间发电用反应堆。与一般采用氢化锆作为慢化剂的反应堆不同,TOPAZ-Ⅱ反应堆呈现正的慢化剂温度效应,且其值较大。本工作采用MCNP程序对TOPAZ-Ⅱ反应堆的慢化剂温度效应进行计算,通过分析氢化锆升温前后主要区域中子能谱和中子产生率、中子吸收率及泄漏率的变化,得出产生正慢化剂温度效应的原因:氢化锆升温后,中子产生率增加较大,而泄漏率增加较小,且吸收率减少,从而产生正的慢化剂温度效应。

D-T中子发生器慢化体结构的蒙特卡罗方法研究

本文介绍了利用MCNP/4C程序对聚乙烯和重金属结合慢化14MeV中子的慢化体结构进行模拟计算和分析。计算结果显示:三种重金属中铅对增加慢化体热中子注量率最好,铋次之,铁最差。模拟确定了空心圆柱慢化体的壁厚为14 cm。模拟结果证实了在源附近加5cm厚度的铅层,慢化体中引出孔热中子注量率最大,与全聚乙烯结构相比,可以把热化比降低三分之一左右,为实验确定慢化体结构提供了可靠的科学依据。

小型中子源14MeV中子慢化体结构的研究（Ⅰ）

在ＩＢＭＩ／ＰＣＡＴ计算机上使用ＴＡＭＡＫＥＲ—ＡＮＩＳＮ程序和４６群（中子２５群、光子２１群）ＵＷ截面数据库，对１４ＭｅＶ能量的中子源的慢化体结构进行模拟计算．其中慢化材料为聚乙烯，增强材料为铅．在计算中把铅的（ｎ，２ｎ）反应的影响作为裂变源引进迁移方程的源项中．计算的结果与实验相互印证．进一步找出铅和聚乙烯的最佳组合．在原理上得出铅在聚乙烯慢化体中峰热中子注量率的增强因子可大于３．０．

2013年岷县—漳县M_S6.6地震前水氡浓度的临界慢化现象研究

基于临界慢化理论,以2013年7月22日甘肃岷县—漳县M_S6.6地震前南北构造带及邻区水氡浓度观测资料为例,逐一计算了表征临界慢化现象的自相关系数和方差。研究结果表明,2013年岷县—漳县M_S6.6地震前,10个台点水氡浓度资料表现出较明显的临界慢化现象,且出现慢化现象的观测点空间分布具有一定丛集性,慢化持续时间呈现出由南向北迁移的特征。综合分析认为,临界慢化方法可以有效识别水氡资料蕴含的慢化信息,这些早期异常信号对判定前兆异常所处阶段以及深入理解前兆资料变化的物理内涵具有重要的科学意义。

小型中子照相装置慢化体的研究

文章研究用混合D-T束密封中子发生器进行中子照相的14MeV中子慢化问题,提出了用高密度聚乙烯和铅相结合慢化14MeV中子的结构,实验证实,在源附近加一定厚度的铅层可以把热化比降低三分之一左右。这种结构的热化比是用水慢化14MeV中子的热化比的1/2—1/3。慢化体加铅后对中子束镉比的影响并不很大。

中子慢化材料特性研究

文章采用蒙特卡罗模拟计算方法分析铝、氧化铝和氟化铝3种慢化材料在清华大学试验核反应堆束流孔道内的慢化特性。研究给出了利用慢化材料实现超热中子辐射场的一般规律,并优选出适用于在该堆建立超热中子辐射场的最佳慢化材料是Al与AlF3质量百分数比为2∶3的Al-AlF3混合物。

砂岩破坏声发射临界慢化前兆特征试验研究

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验,测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数,建立时间-荷载-声发射参数关系曲线,分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况,对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩石变形破坏的临界慢化现象,探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明:(1)岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象,声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高,在岩石试样破坏时刻达到最高;(2)利用声发射RA(上升时间/峰值幅度)与AF(平均频率)特征分析,岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主,加载后期剪切破裂逐步增多;(3)通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析,发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性,即表明出明显的临界慢化现象,可作为岩石破坏灾变的前兆特征;(4)峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此,将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究,对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。

新疆2次中强地震前的临界慢化现象研究

以2011年尼勒克、巩留交界6.0级和新源、和静交界6.6级地震为例,研究了2次地震前周边的形变和流体资料临界慢化现象。首先,用小波变换方法对观测资料进行了预处理,然后计算了临界慢化现象的预警指标,方差和自相关系数,进而总结了2次6级地震发生前观测资料的临界慢化现象特征。结果表明,2次6级地震前出现了临界慢化现象。