伽玛全能量测量方法及其在反应堆衰变热计算中的应用

An accurate estimate of the decay heat is crucial for the design and safe operation of the reactor. The β decay intensity distributions of fission products are the key data in the calculation of decay heat. However, the pandemonium effect leads to systematic uncertainties of the β intensity distributions, which are believed to account for the discrepancies between summation calculations and integral measuremnts of decay heat. Total absorption gamma-ray spectroscopy (TAGS) provides an effective solution to the pandemonium effect. Therefore the Nuclear Energy Agency within Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD/NEA) and International Atomic Energy Agency (IAEA) suggested a series of fission products which are needed to be refined by TAGS measurements...The Beijing Radioactive Ion-beam Facility (BRIF) provides a great opportunity to perform measurements of β decay of fission products in China. We plan to develop a TAGS with super high detection efficiency, which will remove the dependency on nuclear theory in the analysis of γ spectrum. This device will be used to measure β intensity distributions of several key fission products, such as 136I et al., which will be produced by proton induced fission on 238U at BRIF.

精确的衰变热计算在反应堆设计和安全运行中起着至关重要的作用。裂变产物的β强度分布是衰变热计算中的关键数据，但长期以来受到“pandemonium效应”的干扰，实验给出的β强度分布有系统性的偏差，导致衰变热的求和计算无法和积分实验完全符合。伽玛全能量测量方法(TAGS)被认为是解决这一问题的有效途径，为此经合组织核能署(OECD-NEA)和国际原子能机构(IAEA)建议了一系列亟需进行TAGS测量的关键核素。. 北京放射性离子束装置(BRIF)的建成为在国内开展裂变产物β衰变测量提供了绝佳机遇。本项目计划：1、研制一台超高效率的TAGS装置，首次在国际上消除TAGS谱分析中的理论依赖性，给出更精确可靠的β强度分布。2、在BRIF上通过质子诱发238U裂变产生136I等关键裂变产物核束，并利用TAGS对其β强度分布进行精确测量，为反应堆衰变热计算提供可靠数据。

裂变产物的β强度分布是反应堆衰变热计算中的关键数据之一，对反应堆的设计、经济和安全运行有着重要的作用。目前认为对裂变产物衰变的β延迟伽玛射线进行全能量测量，是实验上得到准确的β强度分布的有效途径。本项目设计研发了大型模块化BGO探测阵列（Large Modular BGO Detection Array，LAMBDA），该阵列由50个完全一致的探测单元组成，每个探测单元包含一个60mm×60mm×120mm的BGO闪烁体。经过137Cs标准放射源测试，该阵列的能量分辨率达到了10%@662keV，全能峰探测效率达到了70%@662keV，达到国际同类型探测器的同等水平。将LAMBDA探测阵列和硅探测器、高纯锗探测器以及配套的电子学组合，组成了国内第一台用于探测β延迟伽玛射线的全能量γ探测装置。2022年，项目组成功将该装置安装在了北京放射性核素产生装置BRIF的ISOL束流线上，并完成了国内首个丰中子放射性核素的β衰变全能量γ测量实验。项目在BRIF-ISOL装置上，通过质子诱发重核裂变，产生了高纯度的88Rb、90Rb、140Cs、142Cs四个丰中子放射性核束。并将其注入到LAMBDA探测终端，对其β延迟γ衰变进行了测量，获取了这四个核素的β延迟γ全能量能谱。项目基于贝叶斯方法，发展了γ全能量谱的解析方法，成功对88Rb的β衰变γ全能量谱进行了解析，得到的88Rb的β衰变分支比和国际现有数据相符，验证了实验技术和解析方法的可靠性，证明我们掌握了丰中子放射性核素的βγ全能量测量以及解谱技术。项目发展的γ全能量测量技术同时也成功应用在深地核天体物理反应截面测量实验中，取得了多个重要学术成果。