聚变中子诊断原位刻度实验研究

Fusion neutron is related to fusion energy production, output and tritium fuel self-sustaining and which is the key object of radioprotection. Fusion neutron yield accurate obtained is vitally important to fusion reactor safely operation and power control in future. In-situ calibration of the external neutron diagnostics by settings neutron source inter the fusion device vacuum vessel is a necessaries work for fusion neutron yield measurement. At present, four sets of neutron diagnostic system has been installed on the EAST tokamak device that measured neutron flux signals during the experiment of plasma discharge. This project plan to in-situ calibrate the existing neutron diagnostics use a 252Cf neutron source, which into EAST internal vacuum chamber is load by remote control handle. Exploring a timesaving and precise experimental calibration method that is combined simulation results of neutron transport. Obtaining an accurate conversion coefficient for EAST experiment measured neutron flux signals convert neutron yield, in order to carry out the research of the neutron emission behavior under the auxiliary heating condition and accumulate some technology and experience in neutron source assembly operation and radioprotection field.

聚变中子既关系到聚变能的产生、输出以及氚燃料自持，又是辐射防护的重点对象。准确获得聚变中子产额，对于未来磁约束聚变反应堆的运行安全与功率控制至关重要。在聚变装置真空室内安放中子源，对外围中子诊断系统进行原位刻度是准确获得中子产额的一项重要工作。目前，EAST托卡马克装置上已安装了四套中子诊断系统，并在等离子体放电实验中测得了中子注量信号。本项目将采用遥控机械臂装载锎-252中子源进入EAST内真空室，对已有中子诊断系统进行原位刻度，并结合中子输运模拟计算，探索耗时少、精度高的刻度实验方法。为EAST实验测得的中子注量信号换算中子产额提供准确的转换系数，以便开展辅助加热条件下的中子辐射行为研究，并积累聚变装置原位刻度的中子源装配操作及辐射防护相关的技术经验。

根据项目研究计划，在EAST托卡马克聚变实验装置上，完成了聚变中子诊断系统的原位刻度实验研究。主要工作包括：利用多关节遥操作机械臂搭载252Cf同位素中子源，在装置真空室内对EAST中子注量监测系统进行了原位刻度；使用Am-Be、252Cf中子源，对六道观测上半空间等离子体的中子相机诊断系统进行了相对探测效率原位刻度；等离子体放电实验期间，结合中子活化累积测量的聚变中子总产额，对中子注量监测系统进行了原位交叉刻度。并建立了EAST等离子体聚变中子源模型及装置的中子学输运简化模型，对中子的输运过程及传输系数进行模拟计算。此外，还开展了中子活化累积测量系统标定、金属材料中子活化以及核辐射防护的相关实验探索研究。通过开展上述研究，掌握在复杂的聚变装置中，使用强同位素放射源进行刻度实验的基本操作和安全防护要领。获得了EAST装置的中子输运系数，可用于3He、235U电离室测量的中子注量换算氘等离子体聚变中子总产额，其得到的中子产额误差约为±15% 。中子相机诊断分别在观测视线、视线焦点、准直孔前端位置进行快中子相对探测效率刻度，矫正了各测量通道由于视线角度、准直孔同心度、窗口法兰散射以及探测器安装位置偏差带来的测量误差，为聚变中子发射率剖面分布的准确测量提供了保障。放电实验期间通过与中子活化累积测量法的原位交叉刻度，可排除3He、235U中子注量探测器周围散射中子场改变带来的影响，并进一步提高中子产额测量的准确度。开展的EAST装置中子输运模拟计算，为原位刻度实验数据处理及中子诊断测量结果分析提供了有力的保障。中子活化测量、金属材料活化及辐射防护的相关实验研究，不仅对聚变中子诊断原位刻度实验研究起到了重要支撑，还可为后续磁约束聚变堆开展相关的基础研究提供支持。