球床模块式高温气冷堆在线燃耗测量系统准直器性能的Monte-Carlo分析

　　作为球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)燃料装卸系统的重要组成部分,在线燃耗测量 系统要在燃料球每次从堆芯排出后,对其进行在线燃耗测量。根据测量结果,将已达到预定燃耗值的燃料球排到乏燃料贮存罐中,而将未达到限值的燃料球返回堆 芯。图1示出了HTR-PM燃料循环的示意图[1]。HTR-PM的燃耗测量系统通过分析燃料球发出的γ能谱确定137Cs活度,进而通过理论计算确定燃 耗值[2-3]。卸出堆芯的燃料球的γ发射率均处于1012~1013s-1水平,为降低束流强度,需采用准直测量。与锥孔准直器相比,柱孔准直器的散射 较严重,但对体源,问题则较复杂。HTR-PM燃耗测量系统测量的是球形燃料元件,直径60 mm,燃料填充区直径50 mm,相对于准直器的位置和内径而言是较大的体源。根据HTR-PM燃耗测量系统的实际情况,利用MCNP程序,讨论和比较了两种不同形式准直器的性能 [4]。

　　1　MCNP计算模型

　　1·1　几何布局

　　图2所示为MCNP计算所采用的几何布局,准直器左侧为源,右侧为探测器。柱孔准直器左端面与双锥孔准直器的喉部平齐。如图2所示,球上各点对 准直器轴线垂直距离为d,柱准直器的准直孔半径为r,球中心与柱端面(锥孔准直器喉部)距离r0为3 600 mm。锥准直器喉部与柱孔直径均为2.2 mm,柱准直器长度为270 mm,为锥孔长度的一半,准直器外径为60 mm。准直器材料为WNiFe合金,密度取为

　　1·2　探头模型

　　HTR-PM燃耗测量系统选用高纯锗γ谱仪系统测量燃料球的γ谱。计算中所选用的单开端同轴高纯锗探头GEM30(ORTEC公司产品)的结构如图3所示。探头晶体密度为3.52 g/

　　1·3　源模型

　　HTR-PM所采用的燃料元件为直径60 mm的燃料球,其中心直径50 mm区域是由全陶瓷包覆颗粒填充的燃料区域[5]。在堆芯辐照后的燃料球所发出的γ谱复杂,强度较大的有数百条之多;在有准直器存在的条件下,MCNP的 计算效率和计算精度均受其影响。因此,在不改变问题讨论的本质的前提下,将源计算模型简化为直径为50 mm的含137Cs的均匀球形空间,且不考虑源的自吸收。这样,可单纯计算准直器等效立体角修正因子。等效立体角修正因子为准直器出口光子数与源发射的光 子数之比,即:

　　式中:Nc为准直孔出口的光子数;Na为源发射的光子总数。

　　2　计算参量

　　准直器的重要作用是准确限制粒子束流,控制系统死时间。计算分析了两种准直器引入的等效立体角修正因子Ω及其对源位置变化的敏感性(因燃料球在定位器内有一定的定位误差)。

　　准直器对射线的散射效应会提高本底,影响测量精度。以137Cs全能峰区计数与全谱计数的比值为指征,分析两种准直方案的散射效应。