有源符合中子法测量贫化轴部件质量的方法研究

论文摘要

在核裁军过程中,核弹头的探测是对核裁军条约执行情况进行核查的重要内容。因为弹芯的结构涉及到核武器的设计机密,在对核武器的类型或拆卸的核材料进行核查时,不允许将其取出进行直接测量,因此如何确定密封容器中核材料的属性就成了军控核查中的重要环节,无损测量技术也就由此发展而来。铀是核武器重要的核材料,但由于其放射性比较弱,自发裂变中子发射率较低,通常来说,被动法难以测量,只能采用主动方法进行探测才更为有效。因此,铀部件及其属性的测量一直是军控核查技术中的一个难点。铀部件的属性虽然目前仍没有明确的定义,但是质量与浓缩度毫无疑问是铀部件最为重要的两个属性,铀部件质量的无损测量技术的研究,在军控核查中有着重要的意义。目前,对铀材料质量的探测方法主要有四种：时间关联符合法、主动缓发中子法、中子多重性测量分析法以及本论文所研究的有源符合中子法。有源符合中子法是通过外源中子诱发可裂变核素发生裂变,测量裂变中子的符合计数,从而确定核材料的含量。本论文的研究是通过有源符合中子法对贫化铀部件进行测量,寻求符合中子计数率与贫化铀部件的质量之间的关系。采用由62根3He计数管构成的井型符合中子探测器,选取Am-Be源作为诱发裂变的外中子源,通过屏蔽体的设计与优化减小了偶然符合计数对真符合计数的影响。实验测得的符合中子计数率与贫化铀部件质量存在着一定的线性关系,在中子源距离贫化铀部件132cm的距离条件下,线性拟合质量与标称质量的最大偏差为7.34%,主要形状影响因素为部件的外径。此外,依靠本实验的探测设备,还成功的进行了被动法测量,且由于消除了外径因素的影响,与主动测量结果相比线性更好,拟合质量最大偏差仅为4.05%,证明了对于贫化铀部件被动法测量同样可行。本论文之后也在同样的条件下进行了高浓铀部件的主动法测量,证明了本论文中搭建的实验系统也兼具了对高浓铀部件质量的测量能力。而对于高浓铀,符合中子计数率与其质量近似成指数关系,拟合质量最大偏差为12.16%,且部件的厚度成为了更大的影响因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 军控核查的背景及发展现状
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本论文的意义及主要工作
• 第二章 铀的基本性质及铀部件的属性
• 2.1 铀的基本性质
• 2.2 核材料的基本探测方法
• 2.3 铀部件的属性及其测量方法
• 2.3.1 浓缩铀的存在
• 2.3.2 铀材料的浓缩度
• 2.3.3 铀部件的年龄
• 2.3.4 铀部件的金属性
• 2.3.5 铀部件的形状
• 2.3.6 铀部件的质量
• 2.3.6.1 时间关联符合法测量铀部件的质量
• 2.3.6.2 有源缓发中子法测量铀部件的质量
• 2.3.6.3 中子多重性测量分析法测量铀部件的质量
• 2.3.6.4 有源符合中子法测量铀部件的质量
• 第三章 有源符合中子法的基本原理
• 3.1 铀的裂变反应
• 3.2 符合测量的基本原理
• 3.3 符合计数率的理论公式
• 3.4 中子的探测
• 3He正比计数管'>3.5³He正比计数管
• 3.6 蒙特卡罗程序MCNP简介
• 第四章 实验条件及其模拟与优化
• 4.1 实验设备及元件
• 4.1.1 中子探测器
• 4.1.2 Am-Be中子源
• 4.1.3 贫化铀部件
• 4.2 实验系统计算模型的建立
• 4.2.1 中子探测器的模拟
• 4.2.2 预想实验条件的模拟
• 4.2.3 实验布局的初步改进
• 4.3 屏蔽体的设计与优化
• 4.3.1 屏蔽体结构的设计
• 4.3.1.1 单圆柱固定屏蔽体
• 4.3.1.2 双圆柱固定屏蔽体
• 4.3.1.3 固定型屏蔽体的局限性
• 4.3.1.4 圆柱形可移动屏蔽体
• 4.3.1.5 圆锥形可移动屏蔽体
• 4.3.2 屏蔽体材料的改进
• 4.3.2.1 含硼聚乙烯材料
• 4.3.2.2 复合材料
• 4.3.3 实际屏蔽体的最终选定
• 4.4 实验内容的模拟计算
• 4.5 测量时间的初步确定
• 4.6 各部件相对中子源等立体角条件的实现
• 4.7 小结
• 第五章 实验测量及结果分析
• 5.1 实验布局
• 5.2 贫化铀部件的主动法测量
• 5.2.1 等距实验
• 5.2.2 等立体角比对实验
• 5.3 贫化铀部件的被动法测量
• 5.4 高浓铀部件的主动法测量
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 6.1 本论文的主要成果
• 6.2 讨论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:发表学术论文与参加学术交流情况