D-T中子与宏观贫化铀样品作用的瞬发伽玛谱实验研究

Spectra of prompt gamma rays from uranium under neutron irradiation are significantly important in checking nuclear data, physical design of fusion-fission hybrid reactor, and diagnosis of nuclear explosion and so on. Results from integral experiment could be used to check the reliability of nuclear data, but the data of prompt gamma ray of macro fissile materials is lacking at present. This proposal is mainly focused on the energy spectrum andtime spectrum of prompt gamma ray ,neutron spectrum from the depleted uranium spherical shell bombarded by pulsed D-T neutrons based on the digital “double-coincidence and time of flight (TOF)” method, and the evaluation and analysis. Meanwhile, exploratory research on the correlation between prompt gamma ray spectrum and fission energy, and the correlation between prompt gamma ray spectrum and the mass thickness of the sample are included also. The key technologies are on-line data acquisition, background shielding, subtracting of the delayed gamma ray and prompt gamma ray from target and support structure material, measurement of the leakage neutron spectrum, and also the accurate off-line measurement of the fission reaction rate. It will provide benchmark experimental data for reevaluating the relative nuclear data, checking the accuracy of calculation method, and provide basic technical support for nuclear explosion diagnosis and physical design of fusion fission hybrid reactor.

铀材料的中子诱发瞬发γ射线在核参数检验、聚变-裂变混合能源堆设计、核爆诊断等方面有着重要的应用，其核数据的可靠性需要通过宏观实验进行检验。但目前针对裂变材料瞬发γ射线的宏观检验数据比较缺乏。本申请拟基于数字技术的"双符合+TOF"方法，以贫化铀球壳作为宏观样品检验装置，通过瞬发γ射线谱在线获取分析技术、瞬发γ本底和衰变γ射线的屏蔽与扣除技术、低能段中子能谱测量技术以及裂变反应率的离线精确测量技术等关键技术研究，获得D-T脉冲中子与贫化铀材料作用的瞬发γ射线能量谱、时间谱及中子能谱实验数据，给出相关核数据的评价分析结果，并探索发展瞬发γ谱与裂变放能及裂变样品质量厚度的关联技术，为核数据再评价和计算方法研究提供基准实验数据，并为核爆诊断及混合堆物理设计提供基础技术支持。

针对裂变材料的瞬发γ射线数据比较缺乏的现状，本项目基于现有的中子发生器设备平台和贫化铀基准装置等条件，先后完成了瞬发伽玛能谱、时间谱、泄漏中子谱、装置内裂变反应率分布实验研究、瞬发伽玛谱与样品厚度探索研究、瞬发伽玛谱评价分析。构建了内径为13.1cm、外径为18.10~28.45cm 的五种厚度的贫化铀球壳装置；搭建了基于数字化仪和无机闪烁体的瞬发伽玛测量系统、基于NIM电子学和有机闪烁体的泄漏中子谱测量系统；制作了与贫化铀装置材料相同的活化样品。发展了基于数字技术的瞬发伽玛在线测量和分析技术，完成了瞬发γ射线测量用的BC501A/BC537、CLYC、CLLB、NaIL探测器的相关特性及对快中子响应的研究，建立了50keV~15MeV的泄漏中子能谱测量技术，掌握了基于核活化法的裂变率测量技术。获取了14.8MeV D-T中子诱发系列宏观贫化铀装置的瞬发伽玛射线能谱和时间谱数据，表明贫化铀球壳越厚，慢化后的中子产生的瞬发伽玛份额越高；分别使用含氢正比计数管和液闪探测器基于反冲质子法获得了贫化铀装置上50keV～2MeV能区和1MeV～15MeV能区的泄漏中子能谱，五种装置上泄漏中子能谱的分布规律一致；基于核活化法获得了装置内238U裂变反应率数据及其径向分布规律，实验结果与基于蒙特卡罗程序和ENDF/BVI.8 数据库的模拟结果在不确定度范围内一致；获得了裂变瞬发伽玛谱与装置厚度的关系，测量泄漏中子总数和γ总数两种方式可以形成互补。基于裂变瞬发伽玛射线理论分析总结了ENDF/B-VI、JENDL3、BROND2、JEF2等数据库中的裂变产光数据。研究期间共发表SCI学术论文7篇、EI论文2篇；协助培养硕士研究生3人和博士研究生2人。本项目掌握的实验技术和获得的实验数据，为核数据评价和计算方法研究提供了基准实验数据，并为混合堆物理设计提供了技术支持。后续研究应瞄准深入理解裂变反应机制和支撑新型核能应用，建议开展裂变瞬发伽玛射线谱及伽玛多重性实验研究。