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      2020 年 第 43 卷 第 8 期

        前言

      • 铅冷小堆堆芯初步设计 封面论文 AI导读

        “西安交通大学研发的SARAX软件包，为铅冷小堆堆芯设计提供中子学计算分析，满足安全要求。”
        肖会文,李想,刘国明,郑友琦
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080001
        摘要：铅及铅基材料作为反应堆冷却剂，有着优良的中子学性能和热工性能。欧盟、俄罗斯、美国、韩国、日本、中国等国家均投入了大量的人力和物力研发铅冷快堆。本文旨在提出一种铅冷小堆堆芯初步设计方案。本文使用西安交通大学研发的快中子反应堆中子学计算分析软件包SARAX进行堆芯中子输运、燃耗、反应性系数和动力学参数等中子学计算分析。为了满足紧凑型、轻量化的特点，选择了高富集度的燃料；为了展平功率，选用了两种富集度的燃料组件。采用一组控制棒组件和一组停堆棒组件控制反应性，控制棒选用对快区和热区中子具有良好吸收能力的B4C作为中子吸收体，在紧急停堆棒中增加了高密度中子吸收体材料钨，以实现堆芯的反应性控制以及紧急停堆需求。对堆芯中子学参数的计算结果分析表明：堆芯能满足6EFPY的寿期长度的要求，在整个寿期内keff下降0.014 4，波动较小；在寿期内实现了锕系元素的减少和239Pu的明显增加。在整个循环内，冷却剂密度系数、冷却剂空泡价值和膨胀系数等重要反应性反馈系数均为负；设计的控制棒以及安全棒组件能够提供足够的控制价值；在整个寿期内，堆芯满功率运行时，最高包壳表面温度、最高燃料中心温度、线功率密度等参数没有超过限值，并留有充足的设计裕量。表明本初步设计在整个寿期内的主要中子学参数满足安全要求。  
        关键词：铅冷;小堆;堆芯初步设计   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核反应堆领域，专家结合水辐照分解和材料腐蚀速率计算，评估了水辐解对反应堆材料腐蚀速率的影响。”
        王晓东,张竞宇,陈义学,郭庆洋,樊雨轩,梁秋莹,熊雯雯
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080002
        摘要：水作为反应堆的主要冷却剂之一，在经过堆芯的辐照区时会产生辐解，生成具有强氧化性的O2、H2O2等产物，这些产物会对材料的腐蚀速率造成影响，进而影响反应堆的活化腐蚀产物源项。在已有理论和模型的基础上，将水辐照分解计算和材料腐蚀速率计算结合起来，以评估水辐照分解对反应堆材料腐蚀速率的影响。根据反应堆的运行工况，计算出冷却回路中水辐解的主要产物O2和H2O2的产额在0.1~10 μmol·L-1之间，结合电化学中的混合电位理论，进一步计算得出SS316材料的电化学腐蚀速率在0.012~0.026 g·m-2·h-1 范围内。  
        关键词：水辐解;SS316;腐蚀速率;反应堆   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在熔盐快堆增殖领域，研究者基于双流体方案，利用熔盐中铀钚重金属盐的高溶解度特性，获得高增殖能力。通过计算分析，氯盐方案具有更大的增殖优势，为熔盐快堆设计提供参考。”
        李冬国,周雪梅,刘桂民
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080003
        摘要：熔盐快堆增殖是当前国际上关注的热点，本文基于堆芯结构双流体方案，利用氟化或氯化熔盐中铀钚重金属盐高温下的高溶解度特性，获得熔盐快堆的高增殖。对铀钚燃料循环熔盐快堆的三种可行性熔盐燃料方案（LiF+PuF4+UF4、NaF+PuF4+UF4和NaCl+PuCl3+UCl3），采用基于反应堆安全分析和设计的综合性模拟程序SCALE（Standardized Computer Analyses for Licensing Evaluation），计算了中子能谱、反应性温度系数。分析了增殖比BR（Breeding Ratio）受反应堆裂变区、增殖区和中子反射层的尺寸影响，熔盐中6Li和35Cl同位素丰度对BR的影响，以及BR随运行时间动态变化。计算结果表明：氯盐方案（BR=1.46）与两种氟盐方案（BR≈1.06）相比较，具有更大的增殖能力优势。结合熔盐相图、BR随重金属摩尔浓度变化和BR最大值随熔盐平均工作温度变化曲线，可以在熔盐快堆设计中快速确定熔盐的工作温度、重金属摩尔浓度和反应堆增殖比。  
        关键词：熔盐堆;快中子反应堆;增殖堆;中子物理;铀钚循环   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核反应堆领域，研究人员对新型反应性等效物理变换方法进行了初步探索，使其适用于硼等吸收截面随燃耗变化剧烈的可燃毒物，为RPT方法的扩展和应用提供思路和借鉴。”
        娄磊,姚栋,柴晓明,于颖锐,王连杰,彭星杰,王晨琳,谢运利,刘勇,肖鹏
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080004
        摘要：采用体积均匀化方法计算含有弥散燃料或弥散可燃毒物的双重非均匀性的系统会带来一定的计算偏差。传统反应性等效物理变换方法（Reactivity-equivalent Physical Transformation，RPT）可以用来处理弥散燃料以及吸收截面随燃耗变化不剧烈的可燃毒物，但对于硼等吸收截面随燃耗变化剧烈的可燃毒物，传统RPT方法也会带来较大的计算偏差。本文对新型RPT方法进行了初步探索，使其不仅适用于传统RPT方法适用的弥散燃料和弥散可燃毒物类型，也适用于硼等吸收截面随燃耗变化相对剧烈的可燃毒物，为RPT方法的扩展和应用提供思路和借鉴。  
        关键词：耐事故燃料;双重非均匀性;传统RPT方法;新型RPT方法   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核能领域，专家基于LADRC理论设计了熔盐堆功率控制器，具有快速调节速度和精度，对测量噪声不敏感，有良好的抗扰效果。”
        刘枭,罗志鹏,王培琳,周世梁,赵鹏飞,姜泽雨
        2020, 43(8): 080005. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080005
        摘要：功率控制系统是反应堆的关键控制系统之一，对保证反应堆安全和稳定运行起着极其重要的作用。设计良好的熔盐堆功率控制器应具有及时的瞬态响应特性，需要简单可靠的控制方法以保证控制器的响应速度和安全性。本文基于线性自抗扰控制（Linear Active Disturbance Rejection Control，LADRC）理论设计了应用于熔盐堆（Molten Salt Reactor，MSR）的反应堆功率控制器，导出了用于自抗扰控制器设计的相对功率的二阶线性微分方程和对应的线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer，LESO)。最终，通过仿真得到的结果表明：该控制器模型适用于熔盐堆功率的控制，具有较快的调节速度和精度，且对测量噪声不敏感，有良好的抗扰效果。  
        关键词：线性自抗扰控制;功率控制;熔盐堆;总扰动估计   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在深空探索领域，空间核反应堆电源研究取得新进展。专家基于熔盐冷却方案，利用蒙特卡罗程序和数据库，研究了燃料棒材料、棒间距等因素对堆芯性能的影响，为空间核反应堆设计提供参考。”
        李婷,庄坤,尚文,汤晓斌
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080006
        摘要：空间核反应堆（Space Nuclear Reactor， SNR）电源在深空探索中具有重要优势而受到国内外的广泛关注。与传统液态金属、气体和热管冷却方式不同，熔盐冷却剂可溶解裂变材料并具有良好的传热性质，因此可作为SNR方案中的冷却剂。基于国内外SNR设计方案，利用SERPENT蒙特卡罗程序和ENDF/B-Ⅶ.1数据库进行了基于熔盐冷却的空间堆方案的初步中子学设计，研究了不同燃料、包壳材料以及棒间距对燃料棒kinf的影响，以及不同熔盐冷却剂组成、反射层材料对SNR堆芯keff的影响，最终给出一种基于氟化盐7LiF-BeF2-UF4 （66.4-32.7-0.9 mol%）冷却UC燃料（质量分数为80%的235U）的SNR初步堆芯方案。结果表明：燃料棒kinf与燃料棒材料密切相关，且随燃料中235U富集度的增大、棒间距的减小而增大，不同的熔盐冷却剂、反射层材料对堆芯keff有较大影响，但冷却剂中UF4的235U富集度对堆芯keff不敏感。  
        关键词：空间核反应堆电源;熔盐冷却;中子学;反应性系数   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核能领域，全陶瓷微封装燃料研究取得进展，13×13栅格形式的FCM燃料组件可满足欠慢化要求，为商业压水堆堆芯安全性和经济性提供解决方案。”
        秦雪,李满仓,廖鸿宽,于颖锐,秦冬,蒋朱敏,王帅,蔡云,郭锐
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080007
        摘要：全陶瓷微封装（Fully Ceramic Microencapsulated，FCM）燃料是一种将三结构同向性型（Tri-structural iso-tropic，TRISO）燃料颗粒弥散于SiC基质的先进燃料，具有良好的包容裂变产物的能力，能有效地改善核燃料在严重事故下保持结构完整性的能力，有利于降低核电站发生大量放射性物质泄漏的风险，是耐事故燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）的主要研究方向之一。与传统UO2陶瓷芯块燃料相比，FCM燃料的U装量较少，且燃料基体采用SiC，慢化能力较好，可能导致FCM燃料应用于商业压水堆时寿期初慢化剂温度系数为正，不能满足堆芯的固有安全性。本文以标准AFA3G 17×17栅格形式的UO2-Zr合金燃料组件为参照对象，采用中核集团自主研发的NESTOR软件，分析了17×17和13×13两种栅格形式的FCM燃料（UN核芯）组件的中子学特性，评价了由13×13栅格形式的FCM燃料（UN核芯）组成反应堆堆芯的总体物理特性。研究表明：含钆可燃毒物的13×13栅格形式的FCM燃料（UN核芯）组件可满足欠慢化要求，13×13栅格形式的FCM燃料（UN核芯）用于大型商业压水堆堆芯的慢化剂温度系数可以为负，首循环堆芯可达到与参照堆芯接近的燃耗深度与循环长度，能初步满足商业压水堆堆芯的固有安全性和经济性的要求。  
        关键词：全陶瓷微封装燃料;压水反应堆;中子学分析   
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        发布时间：2024-10-25

        同步辐射技术及应用

      • “在高压X射线衍射实验领域，专家建立了脉冲激光加热方法，有效阻止金刚石样品腔内化学反应，为原位脉冲激光加热研究提供条件。”
        崔巍然,李晓东,宫宇,李延春,杨栋亮,张俊然,徐逸轩
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080101
        摘要：相对于传统的连续激光加热方法，脉冲激光加热能够显著缩短加热时间，从而有效阻止金刚石样品腔内各组分的化学反应。基于北京同步辐射装置（Beijing synchrotron radiation facility，BSRF）高压实验站原有的连续激光加热系统，建立了可应用于高压X射线衍射实验的脉冲激光加热方法。该方法利用信号发生器对脉冲激光器、测温电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）光谱仪以及X射线探测器进行同步控制，实现了脉冲激光对样品加热，并在加热周期内完成温度谱及高压衍射数据的同步采集。利用高压条件下的Pt样品，对脉冲激光加热过程中样品的温度稳定性、重复性以及温度梯度进行了测试，并完成了原位X射线衍射实验。该脉冲激光加热系统的搭建，为在BSRF高压实验站开展原位脉冲激光加热方法研究提供了条件，也为将来在北京高能同步辐射光源上实施相关方法奠定了基础。  
        关键词：同步辐射;高压;脉冲激光加热;X射线衍射   
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        发布时间：2024-10-25

        加速器技术、射线技术及应用

      • “中国散裂中子源二期工程设计了低β超导椭球腔，优化后腔型在峰值场0~80 MV∙m-1区间，二次电子发射系数小于1，表明整个腔体不会发生Multipacting效应。”
        瞿培华,刘华昌,李波,王云,李阿红,陈强,吴小磊,樊梦旭,彭军,罗喜保
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080201
        摘要：为中国散裂中子源二期工程（Chinese Spallation Neutron Source-II， CSNS-II）设计了一种低β超导椭球腔，利用2D程序SUPERFISH对该腔体的单元尺寸和高频等设计参数进行优化，获得的工作频率为648 MHz，几何β（βg）为0.47，单元个数为5，峰值电场比Epk/Eacc、峰值磁场比Bpk/Eacc和轴向电场平整度分别为3.35、6.1 mT∙（MV/m）-1和98.42%。通过2D软件MultiPac和3D软件CST粒子工作室（Computer Simulation Technology Particle Studio， CST PS）分析了优化后腔型的二次电子倍增情况，2D结果显示在峰值场0~80 MV∙m-1区间，二次电子发射系数小于1，表明整个腔体不会发生Multipacting（MP）效应。与2D结果不同，3D结果表明在椭球赤道位置存在MP效应，但在赤道处引入一个小凸起，并进行适当的后处理和高功率老练，则可以显著抑制MP效应。与国际上同类型椭球腔进行对比，主要高频性能参数基本相当。  
        关键词：低β超导椭球腔， SUPERFISH， 腔型设计， MultiPac， CST;PS， 二次电子倍增   
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        发布时间：2024-10-25

        核化学、放射化学、放射性药物和核医学

      • “在神经炎症PET显像研究领域，专家开发了18F-PBR06自动化合成流程，制备出满足科研和临床应用要求的制剂，为神经炎症PET显像研究奠定了基础。”
        乔洪文,李则,陈树安,梁志刚,卢洁
        2020, 43(8): 080301. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080301
        摘要：18F-PBR06是一种二代18 kDa转位蛋白（18 kDa Translocator Protein，TSPO）靶向显像剂，主要用于神经炎症正电子发射断层成像（Positron Emission computed Tomography，PET）显像研究。为了推动该显像剂的应用，本研究基于Neptis Perform型放射性药物合成仪，开发了18F-PBR06自动化合成流程和一次性卡套；参考中国药典2015年版制定了产品质量标准，并进行了异常毒性检查；通过正常小鼠实验考察产品生物分布情况。基于以上内容，本研究开展了正常志愿者和多发性硬化患者18F-PBR06 PET显像预实验。结果表明：18F-PBR06制备放射化学产率为(32±5)%（经衰减校正，n=20），放化纯度大于99%，比活度大于111 GBq∙μmol-1，合成时间(54±2) min（n=20）；产品质控和异常毒性检查均符合中国药典相关要求。18F-PBR06在小鼠肾、肺、脾和心脏等TSPO高表达器官摄取较高。预试验结果表明：多发硬化患者丘脑和脑桥的放射性摄取较正常人明显升高，这与该患者磁共振成像发现的病灶区域一致。以上结果证明本研究开发的工艺可以制备得到满足科研和临床应用要求的18F-PBR06制剂，为进一步神经炎症PET显像研究奠定了基础。  
        关键词：神经炎症;PET显像剂;18F-PBR06;自动化制备;多发性硬化   
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        发布时间：2024-10-25

        核电子学与仪器

      • “在核监测领域，基于6Li+CdTe的新型中子探测器方案被提出，模拟研究获得最佳工作参数，为特殊核材料监测提供指导。”
        马龙,田立朝,马燕云,吕中良,韩鹏,彭猛,杨晓虎,张国博,李宵宵,单飞
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080401
        摘要：面对3He气体资源严重短缺的国际形势，2018年基于6Li+CdTe新型中子探测器方案被提了出来，其具备热中子探测效率高、γ灵敏度低及可与3He气体中子探测器相比拟的特点，有很好的应用前景。本文分析6Li+CdTe中子探测器的结构和工作原理，采用MCNP6软件对6Li+CdTe中子探测器进行物理建模并且对其物理性能、结构参数、中子慢化体设计等进行模拟计算，并就该探测器在特殊核材料监测系统中的应用开展了探索研究。结果显示：CdTe吸收层的最佳厚度为10 μm；当6层6Li+CdTe的中子探测单元叠加时，6Li转化层的最佳厚度为60 μm，此时热中子探测效率超过50%；探测系统的尺寸达到4 m×32 cm时，可以满足特殊核物质监测的要求。整个模拟研究获得了探测器最佳工作参数以及辐射监测系统设计方案，对特殊核材料在线中子监测装置的实验研究具有指导意义。  
        关键词：中子探测;半导体探测器;6Li;MCNP模拟   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在探测器信号模拟领域，研究人员设计了一款硅漂移探测器信号模拟器，采用FPGA作为核心器件，利用其可编程逻辑资源产生振荡环，生成均匀分布的真随机数。通过伯努利试验转化为指数分布脉冲序列，经NIST随机性测试，输出脉冲时间间隔、计数率、电压和最小时间间隔均满足要求，可长时间稳定工作。”
        虞年,徐玉朋,霍嘉,陈勇,崔苇苇,李炜,张子良,韩大炜,王于仨,陈灿,祝宇轩,赵晓帆
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080402
        摘要：设计了一款硅漂移探测器（Silicon Drift Detector，SDD）信号模拟器用于测试SDD读出电子学的性能。该信号模拟器采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）作为核心器件，利用其丰富的可编程逻辑资源产生多组振荡环，将其输出相异或生成均匀分布的真随机数。首先通过伯努利试验将均匀分布的随机数转化为时间间隔服从指数分布的脉冲序列，然后对随机数进行了美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）随机性测试，最后测试了信号模拟器输出脉冲的时间间隔和计数率特性，结果表明：SDD信号模拟器的输出脉冲时间间隔服从指数分布、输出计数率范围为1.6~813.8 ks-1、输出脉冲的电压范围为2.5~50 mV、脉冲最小时间间隔为9.6 ns，并且可长时间稳定工作。  
        关键词：硅漂移探测器;信号模拟器;真随机数产生器;指数分布;现场可编程门阵列   
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        发布时间：2024-10-25

        核物理、交叉学科研究

      • “在中子俘获截面测量领域，中国散裂中子源利用脉冲高度权重技术，成功验证了金靶中子俘获截面的可靠性。”
        李鑫祥,刘龙祥,蒋伟,任杰,王宏伟,范功涛,曹喜光,胡新荣,张岳,王俊文,郝子锐,姜炳,王小鹤,胡继峰,王金成,王德鑫,张苏雅拉吐,刘应都,麻旭,马春旺,王玉廷,安振东,何健军,苏俊,张立勇
        2020, 43(8) DOI: 10.11889/j.0253-3219.2020.hjs.43.080501
        摘要：脉冲高度权重技术是利用C6D6探测器测量中子俘获截面的一种数据处理方法。在中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source， CSNS）的反角白光中子源（Back-n）靶站上，通过测量金靶（197Au）的中子俘获截面，验证了该方法的可靠性。首先利用Geant4蒙特卡罗程序模拟给出了不同靶条件下的探测器效率，脉冲高度权重函数等基本项，使得加权后的探测器效率与γ能量成正比。然后通过实验测量了197Au中子俘获截面。结果表明：测量获得的中子俘获截面数据和ENDF/B-VIII.0评价数据相符合，同时发现随着实验靶尺寸的不同和质子束功率的增加，会使得实验本底的扣除误差越来越大。  
        关键词：中子俘获截面;白光中子源;脉冲高度权重技术   
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