最新刊期
      2022 年 第 45 卷 第 10 期

        加速器技术、射线技术及应用

      • “在无损测量领域，研究人员提出了一种基于多编码版准直器的PGAI成像方法，利用MLEM算法对氯元素空间分布进行测量分析，为现场应用提供解决方案。”
        贾文宝,陈奕泽,黑大千,赵冬,程璨
        2022, 45(10): 100201. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100201
        摘要：瞬发γ射线活化成像（Prompt Gamma-ray Activation Image，PGAI）技术可对大体积样品内部元素分布进行无损测量，具有广阔的应用前景。目前，PGAI测量平台主要集中在能够提供高中子通量的反应堆中子源上，限制了该技术的现场应用，基于中子发生器和同位素中子源的PGAI技术可用于现场测量，但其较低的中子通量使得测量图像分辨率差。针对此问题，提出一种基于多编码版准直器的PGAI成像方法，采用36块编码准直板和最大似然期望最大化（Maximum Likelihood Expectation Maximization，MLEM）算法对板状样品中的氯（Cl）元素空间分布进行测量分析，编码板的开孔大小为1 cm×1 cm。利用蒙特卡罗程序MCNP对6 cm×6 cm×1 cm（长×宽×厚）样品进行了模拟实验，结果显示：重建图像与原图像的相对偏差为0.065 8，结构相似性（Structural Similarity，SSIM）为0.952 1；表明利用该方法可以对Cl元素的分布进行测量，重建图像与设置的样品图像吻合。  
        关键词：元素成像;瞬发γ射线活化成像;编码板准直器;蒙特卡罗模拟   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核燃料领域，多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金展现出优异的抗高温氧化性能，为提高核燃料安全性提供新思路。”
        雷明,肖魏魏,黄景昊
        2022, 45(10): 100202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100202
        摘要：2011年的福岛核事故暴露出锆合金包壳抗高温氧化性能的不足。为此，国际核燃料领域提出了耐事故燃料这一概念。Cr涂层锆合金包壳作为耐事故燃料包壳近期可商用的技术途径得到了广泛关注。本文旨在研究Cr涂层Zr-4合金在不同温度下的高温氧化行为，采用多弧离子镀技术制备Cr涂层Zr-4合金样品，并在800⁓1 200 ℃空气气氛中氧化4 h，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、能量色散谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）、电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）和掠射角X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）表征Cr涂层Zr-4合金样品在高温氧化前后的微观结构、物相等。氧化温度对Cr涂层Zr-4合金的微观组织结构、物相、Cr-Zr扩散层厚度以及氧化增重的影响分析结果显示：多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面存在大量尺寸不等的滴液，Cr涂层呈柱状晶形态生长，且沿着（110）晶面择优生长。在800⁓1 100 ℃高温氧化4 h后，样品表面出现不同程度的氧化，但涂层内部依然残留有未被氧化的Cr涂层，样品表面和截面没有出现微观裂纹，Cr-Zr扩散层的厚度随着氧化温度的增加呈线性规律增长，氧化增重增加缓慢。而1 200 ℃高温氧化4 h后，样品表面Cr涂层全部被氧化，表面和截面出现大量宏观裂纹，且Cr-Zr扩散层的厚度和氧化增重急剧增大。因此，采用多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金在800⁓1 100 ℃下表现出良好的抗高温性能，而在1 200 ℃发生了加速氧化现象。  
        关键词：Cr涂层Zr-4合金;多弧离子镀;高温氧化;Cr-Zr扩散;氧化增重   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在加速器领域，专家设计了故障分析系统，实现了高精度时间数据获取，为故障诊断提供解决方案。”
        程司农,张昭,朱鹏,刘智,王林,徐广磊,张玉亮,雷革
        2022, 45(10): 100203. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100203
        摘要：高性能的加速器对运行的可靠性和稳定性提出了更高的要求，而加速器庞大的设备数量、极高的设备精度及性能导致对外部干扰非常敏感。为实现加速器长期、高效、可靠的运行，故障快速定位、诊断和恢复对现代加速器控制系统至关重要。目前，在加速器运行过程中，常规保存的历史数据可以判断和处理大部分一般故障。但对于类似高频、束测元件等快电子学引发的瞬态故障，由于常规方式保存的历史数据时间粒度不够，导致无法对这类快速故障过程进行有效分析。因此，有必要通过技术手段完整地记录故障发生时刻前后一段时间设备的状态及参数，保存高真实的现场“快照”。本文设计了一种基于高时间相关性和高时间分辨率的加速器故障分析系统，并进行了样机实现。该样机基于事件定时系统实现了同步精度好于16 ns的全局时间戳，采用同步触发的方式进行数据获取，并利用EPICS 7的规范类型进行数据组装和发布。样机实验结果表明，利用获取到的高精度时间数据，可区分不同设备发生故障的先后顺序，验证了故障分析系统的可行性。  
        关键词：故障分析;高精度时间戳;数据获取;EPICS 7;事件定时   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核燃料元件基体石墨辐照研究中，通过慢正电子束和纳米压痕技术，揭示了Xe离子辐照对石墨微观缺陷和宏观力学性能的影响，为核燃料元件性能优化提供重要参考。”
        许红霞,林俊,朱智勇,刘建党,谷冰川,叶邦角
        2022, 45(10): 100204. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100204
        摘要：室温下采用能量为1 MeV、剂量分别为5.8×1014 ions·cm-2和2.9×1015 ions·cm-2的Xe离子对核燃料元件基体石墨进行了辐照试验，用慢正电子束和纳米压痕研究了离子辐照对基体石墨微观缺陷和宏观力学性能产生的影响，根据正电子湮没S参数随正电子入射能量E的变化曲线，获得了辐照缺陷随深度和剂量的变化规律，并与SRIM（Stopping and Range of Ions in Matter）软件模拟的辐照损伤和注入离子随深度的分布进行了对比。慢正电子束测试结果表明：Xe离子辐照在燃料元件基体内引入一个深度约为600 nm的损伤层，且缺陷浓度峰值出现在离表面250~350 nm的深度范围内。S参数在辐照样品损伤层的显著增加表明，辐照引入了高浓度的空位型缺陷，且随着辐照剂量的增加，损伤层内空位型缺陷的浓度或尺寸明显增大。纳米压痕结果表明：在辐照后的样品内出现了明显的硬化现象，原因是辐照引起的高浓度空位型缺陷所致，与慢正电子束的分析结果一致。  
        关键词：慢正电子束;缺陷;辐照;燃料元件;石墨   
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        发布时间：2024-10-25

        核电子学与仪器

      • “在数字测量系统领域，德州仪器专家采用双锁相环技术，成功滤除时钟抖动，显著提升采样数据信噪比。”
        刘智,高国栋,岳军会,曹建社,杜垚垚,麻惠洲,何俊,叶强,唐旭辉,李宇鲲,杨静,魏书军
        2022, 45(10): 100401. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100401
        摘要：基于模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）的数字测量系统，对采样数据的信噪比具有较高要求；在各项因素中，采样时钟的抖动对信噪比的影响最为突出。为滤除输入时钟的抖动，采用德州仪器双环路PLL架构的LMK04610芯片，设计了基于双锁相环的时钟电路；经测试，可以把频率为62.475 MHz源时钟大于7 ps的抖动降低到2 ps以下输出频率为499.8 MHz的时钟信号；提供给ADC芯片采样，其采样数据信噪比接近理论值。双锁相环滤除抖动方案，效果良好，可以为数字测量系统设计人员提供借鉴。  
        关键词：数据采集;双锁相环;抖动滤除;ADC信噪比   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在环保和安全需求提升的背景下，研发新型X射线密度测井仪器成为行业新趋势。专家基于现有γ密度测井仪器架构，通过Geant4模拟，成功设计了一款三探头X射线密度测井仪器，为X射线可控源在井下密度测量中的应用提供了参考。”
        武蕙琳,李雨莲,金亚,张琼
        2022, 45(10): 100402. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100402
        摘要：随着环保及安全需求的提高，使用X射线源等可控源代替137Cs等化学源的密度测井仪器研发成为新的发展趋势，但大部分适用于井下密度测量的X射线源强度相对γ源较弱。为克服上述挑战，基于现有的γ密度测井仪器基本架构研究了X射线密度测井仪器的探测器源距设计，通过蒙特卡罗软件Geant4模拟了偏心放置于井径为215.9 mm的淡水钻孔中的仪器模型，其地层密度变化范围为1.7~3.0 g∙cm-3。根据密度测量灵敏度、探测效率和探测深度综合分析了探测器响应。最终成功设计了一款三探头X射线密度测井仪器，其中源距稍远的两个探测器主要收集地层信息，源距最短的探测器主要用于探测井壁以内环境。以上研究为X射线可控源在井下密度测量中的应用及相关仪器的设计提供了参考。  
        关键词：X射线密度测井;蒙特卡罗;仪器设计   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核电监测领域，专家设计了一款传送带式小物品放射性污染监测仪，性能优于标准，满足设计需求。”
        乔敏娟,任熠,王建飞,王迪,张菁,荆玥泓,刘芸
        2022, 45(10): 100403. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100403
        摘要：结合核电现场使用需求及对国外设备使用的反馈意见，设计一款基于传送带式的小物品放射性污染γ监测仪。采用半自动化的两路控制设计方案，一路通过电机驱动器控制传送带电机运行模式；另一路通过主控板对探测器数字电路以及相应电气件进行控制；污染监测与物品传送的联动则通过主控板与电机驱动控制器的关联来实现。使用原型样机对本底环境中仪器本底计数率、放射源位于测量腔体中心静止状态下的计数率以及放射源随传送带移动时腔的动态计数率进行测试及分析，结果表明：静止状态下，探测器最小净计数值为平均计数的81.6%；运动状态下，探测器最小峰值净计数值为峰值平均计数的89.3%，最低可探测限可以达到111 Bq，测试性能优于参考标准，满足设计要求。  
        关键词：传送带;γ监测;探测器;探测限   
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        发布时间：2024-10-25

        核物理、交叉学科研究

      • “在高温电解水蒸气制氢领域，研究人员开发了环保的水系流延浆料，制备出大尺寸全电池，为SOC工业批量生产提供新方案。”
        叶臣城,耿佳辉,谢俊俊,林逍,李振亚,边文杰,张林娟,王雅静,王建强
        2022, 45(10): 100501. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100501
        摘要：固体氧化物电池（Solid Oxide Cell，SOC）是高温电解水蒸气制氢和氢燃料利用的核心器件。为了避免SOC批量制备过程中大量有机溶剂的使用，本文开发了两种不同组分的水系流延浆料，并进行了浆料的分散状态与稳定性的定量分析。利用一次流延450 μm左右的NiO-YSZ支撑体薄膜，丝网印刷氢电极功能层和电解质层、阻隔层和氧电极层制备10 cm×10 cm大尺寸全电池。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）分析浆料状态对薄膜成型的微观结构的影响，并利用伏安特性（I-V）和电化学阻抗（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)研究了全电池的电化学性能。以氢为燃料的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)模式下，最大发电功率为0.36 W·cm-2 （750 ℃ @ 0.7 V），在固体氧化物电解水蒸气（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC）模式中，电解电流密度可以达到-0.68 A·cm-2（750 ℃ @ 1.3 V）。因此，该水系流延浆料的开发与应用，使得SOC的工业批量生产过程更环保。  
        关键词：可逆固体氧化物电池;流延技术;水系浆料;分散状态   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核设施退役领域，专家采用ISOCS系统直接测量钢箱废物，初步确定测量误差约为30%，为确定箱装废物核素组成和活度浓度提供数据支撑。”
        聂鹏,鲁谨,郭亚平,任韧,张立军
        2022, 45(10): 100502. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100502
        摘要：核设施退役过程产生大量放射性废物，根据废物装载要求，不可压废物直接装入钢箱，目前使用比较多的是FA-Ⅳ型钢箱，外部尺寸为1 567 mm×1 573 mm×1 331 mm。由于钢箱的体积大，测量过程需要进行复杂的自吸收和几何体积校正，给废物测量带来了新的要求。本项目采用现场物体计数系统（In Situ Objects Counting System，ISOCS）对钢箱废物进行直接测量，应用无源效率刻度软件对测量结果进行了自吸收及几何体积的校正；并用标准放射源模拟测量，对ISOCS系统的测量误差进行了判断，初步确定了ISOCS系统直接测钢箱的误差约为30%，该结论为ISOCS系统是否可以正确合理地确定箱装废物的核素组成和活度浓度提供了基础数据支撑。  
        关键词：钢箱;废物测量;就地测量系统;方法   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在临近空间核爆炸碎片云运动研究领域，专家建立了计算模型，系统性计算了不同当量和爆高的碎片云运动特征，为地球物理效应研究提供缓发辐射源信息。”
        刘利,牛胜利,朱金辉,左应红,谢红刚
        2022, 45(10): 100503. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100503
        摘要：为了解临近空间核爆炸碎片云运动特征与规律，利用建立的临近空间核爆炸碎片云运动计算模型，对当量1 kt~10 Mt爆高30~80 km核爆炸碎片云运动进行了系统性计算研究。结果表明：碎片云最大上升高度、水平半径和上升速度随爆高和当量增加。爆高30 km千吨级核爆炸碎片云最大上升高度为13~16 km，爆后5 min最大水平半径为4~5 km，兆吨级核爆炸碎片云最大上升高度为20~40 km，爆后5 min最大水平半径为15~30 km；爆高80 km千吨级核爆炸碎片云最大上升高度为30~50 km，爆后5 min最大水平半径为20~40 km，兆吨级核爆炸碎片云最大上升高度为200~400 km，爆后5 min最大水平半径为110~220 km。当量较小、爆高较低时，碎片云形状演化为扁椭球形；当量较大、爆高较高时，碎片云形状演化为倒梨形。研究得到的碎片云运动参数可为临近空间核爆炸电离层和人工辐射带等地球物理效应研究提供缓发辐射源信息。  
        关键词：临近空间核爆炸;碎片云;计算模型;运动规律   
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        发布时间：2024-10-25

        核能科学与工程

      • “在核能可持续发展领域，西安交通大学专家利用先进反应堆物理计算系统，对加速器驱动先进核能系统展开堆芯中子学特性分析，为国家能源安全战略提供技术支持。”
        杜夏楠,王永平,郑友琦,曹良志,张延师,闫雪松,杨磊
        2022, 45(10): 100601. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100601
        摘要：目前，国家重大科技基础设施“加速器驱动嬗变研究装置”（China Initiative Accelerator Driven System，CiADS）正在建设的关键阶段，对其方案展开详细计算分析可以为核能的可持续发展和国家能源安全战略提供强有力的技术支持。利用先进反应堆物理计算系统（Nuclear Engineering Computational Physics Laboratory，System for Advanced Reactor Analysis at Xi'an Jiaotong University，NECP-SARAX），通过比较不同燃料/冷却剂选型、结构尺寸下的堆芯寿期、能谱特性以及反应性反馈系数等参数，对加速器驱动先进核能系统（Accelerators Drive Advanced Nuclear Energy Systems，ADANES）展开了堆芯中子学特性分析，并对堆芯的瞬态特性进行了初步分析，瞬态事故包括无保护反应性引入事故以及无保护失流事故。数值计算结果表明：ADANES堆芯在满功率运行条件下可以实现大于10 a的运行寿期，同时具备负的反馈反应性系数，通过瞬态分析表明该堆芯具备了在典型事故下的固有安全特性。  
        关键词：ADANES堆芯;NECP-SARAX;中子学分析;确定论   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在加速器驱动次临界系统领域，专家利用多物理耦合程序MPC-LBE模拟了XADS束流超功率事故，研究了反应堆瞬态安全特性，为解决安全问题提供解决方案。”
        张玲,辜峙钘,戴嘉宁,欧文澜,潘麒文,龚政宇,张牧昊
        2022, 45(10): 100602. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100602
        摘要：加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven sub-critical System，ADS）利用加速器产生的高能强流质子束轰击重金属靶核，产生散裂中子作为外源中子来驱动和维持反应堆自身运行。质子束流的不稳定性将对此类反应堆的功率水平产生影响，进而威胁ADS的安全。加速器束流超功率是ADS系统的一种典型事故瞬态，该事故导致ADS堆芯功率骤然上升，堆芯温度骤升，可能超过材料的安全限值，威胁反应堆完整性。本文利用多物理耦合程序MPC-LBE，对加速器驱动铅铋冷却次临界堆（eXperimental Accelerator Driven System，XADS）的束流超功率事故进行模拟，并研究了这种事故下反应堆的瞬态安全特性。  
        关键词：加速器驱动铅铋冷却次临界堆;束流超功率;MPC-LBE;多物理耦合;瞬态安全特性   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在磁约束核聚变领域，环流2号托卡马克装置利用SOLPS-ITER程序研究了抽气对偏滤器靶板热负载的影响，为控制等离子体密度和杂质密度提供解决方案。”
        王哲,黄千红,谭清懿,叶浩然,曹诚志
        2022, 45(10): 100603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100603
        摘要：磁约束核聚变托卡马克装置来自芯部的高强热流与偏滤器靶板相互作用，不但会直接影响偏滤器寿命，同时会产生大量杂质影响等离子体芯部性能，而抽气是控制等离子体密度和杂质密度的重要手段。本文基于环流2号托卡马克（HL-2A）装置利用SOLPS-ITER程序研究了不同上游电子密度条件下抽气对偏滤器靶板热负载的影响。通过密度扫描发现在脱靶阈值（TetOSP~5 eV）附近抽气对靶板热负载影响更大，在抽气速率分别为12 m3·s-1、36 m3·s-1和96 m3·s-1时，外靶板脱靶阈值和热负载峰值分别为无抽气条件下的1.11、1.24、1.39倍和1.37、1.96、2.54倍。进一步从原子分子碰撞过程分析了ne，sep=0.19×1019 m-3、0.6×1019 m-3、0.9×1019 m-3上游密度条件下抽气对偏滤器区等离子体和中性粒子参数分布的影响，发现在脱靶后密度条件下抽气会使氘分子密度明显降低，碰撞反应损耗的能量降低，从而导致靶板等离子体温度和能流增加。  
        关键词：托卡马克;偏滤器脱靶;抽气;边界等离子体   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在热流领域，窄矩形通道的临界热流密度预测方法得到完善，新模型预测结果良好，误差小于±30%。”
        闫美月,潘良明,马在勇,李想,万灵峰
        2022, 45(10): 100604. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.100604
        摘要：窄矩形通道因具有结构紧凑，换热面积大等优点而被广泛应用于各大热流领域。通过完善窄矩形通道中临界热流密度的预测方法，建立临界热流密度（Critical Heat Flux，CHF）机理模型，可以提高反应堆安全性和经济性。本文对窄矩形通道内竖直向上流动CHF进行了实验研究，并结合相关实验研究发现，对窄矩形通道中存在的两种典型的汽泡（滑移型汽泡和浮升型汽泡）进行分析验证。在此基础上，开发了一种基于窄矩形通道汽泡动力学特性的CHF机理模型，并提供一组本构关系用于封闭所开发的模型，同时使用实验数据对提出的模型进行评价，对比结果发现，新模型在窄矩形通道中预测结果良好，误差小于±30%。  
        关键词：临界热流密度;窄矩形通道;汽泡动力学;机理模型   
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        发布时间：2024-10-25
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