15MeV电子束驱动中子源靶站模拟分析

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1、第４６卷增刊原子能科学技术Ｖｏｌ．４６，Ｓｕｐｐｌ．２０１２年９月ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｅｐ．２０１２１５ＭｅＶ电子束驱动中子源靶站模拟分析林作康１，２，邹欣１，２，曹云１，戴志敏１（１．中国科学院上海应用物理研究所，上海２０１８００；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）摘要：电子轰击金属靶产生的中子源，可用于核素反应截面测量实验。为利用７．５ｋＷ、１５ＭｅＶ电子加速器作为驱动加速器，产生适用于核数据测量实验的中子源，相应开展了该功率下的中子靶站设计。研究中，依据蒙特卡罗程序ＭＣＮＰＸ模拟计算的中子源数据，分析优

2、化靶站结构；计算得到靶体能量沉积，导入商用ＣＦＤ软件ＣＦＸ中作为热源，模拟分析靶体对流传热性质，优化冷却通道模型，安全实现中子靶站冷却。本研究模拟设计的靶站，能产生强度为１０１２－１量级的中子源。ｓ关键词：电子；中子源；中子靶站；中子能谱；能量沉积；冷却系统中图分类号：ＴＬ９２９文献标志码：Ａ文章编号：１０００－６９３１（２０１２）Ｓ０－０５０５－０５ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＮｅｕｔｒｏｎＴａｒｇｅｔＤｒｉｖｅｎｂｙ１５ＭｅＶＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ１，２，ＺＯＵＸｉｎ１，２，ＣＡＯＹｕｎ１，ＤＡＩＺｈｉ－ｍｉｎ１ＬＩＮＺｕｏ－ｋａｎｇ（１

3、．ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ；２．ＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｈｏｔｏｎｅｕｔｒｏｎｓｏｕｒｃｅｄｒｉｖｅｎｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｉｓｆｉｔｆｏｒｎｕｃｌｅａｒｄａｔａｍｅａｓ－ｕｒｅｍｅｎｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｎｅｕｔｒｏｎｔａｒｇｅｔ，ｄｒｉｖｅｎｂｙａ１５ＭｅＶｅｌｅｃｔｒｏｎａｃｃｅｌ

4、ｅｒａｔｏｒａｔｐｏｗｅｒｏｆ７．５ｋＷ，ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．ＴｈｅＭＣＮＰＸｃｏｄｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｎｅｕｔｒｏｎｓｏｕｒｃｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄａｔａ，ｔｈｅｔａｒｇｅｔｇｅｏｍｅｔｒｙａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．ＡｎｄｔｈｅＣＦＸ，ａｃｏｍｍｅｒｃｉａｌＣＦＤｃｏｄｅ，ｗａｓｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｔａｒｇｅｔｃｏｏｌｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｉｎｓｕｒｅｉｔｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｌｙ．Ａｎｅｕｔｒｏｎｓｏｕｒｃｅｗｉｔｈａｎｉｎｔｅｎ－１

5、２－１ｓｉｔｙｏｆ１０ｓｉｓａｖａｉｌａｂｌｅｉｎｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｏｒｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ；ｎｅｕｔｒｏｎｓｏｕｒｃｅ；ｎｅｕｔｒｏｎｔａｒｇｅｔ；ｎｅｕｔｒｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉ－ｔｉｏｎ；ｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ中子源有放射性同位素中子源、反应堆及源中子产生效率高，造价昂贵。电子加速器驱动加速器驱动的中子源，其中能提供高通量中子的中子源造价相对较低，同时也能提供较强的脉［１］源的主要是反应堆及加速器驱动的中子源。加冲中子，用于核数据测量等多种物理实验。速器驱动的中子源还分为质子加速器驱动的散本研究中，目前

6、可用的电子能量为１５ＭｅＶ，裂源中子源及电子加速器驱动的中子源。散裂产生中子效率较低，电子在靶上的穿行能力较收稿日期：２０１２－０５－３０；修回日期：２０１２－０８－２０作者简介：林作康（１９８４—），男，福建霞浦人，博士研究生，核技术及应用专业５０６原子能科学技术第４６卷差。电子入射到金属靶，在靶前端５ｍｍ内能量上产生的中子效率就会更低。本研究装置采沉积８０％以上，导致靶体入射端功率密度很用新型焊接组合靶（图１），去除束窗及入射端［２］高，若采用国际上常用的盘片靶水冷结构，难的水流通道，电子直接轰击到重金属靶上，其以达到冷却剂最高温度低于沸点５０℃的标能量没有

7、无益损耗。［３］准。针对这些难点，研究设计了焊接组合靶结构；去除束窗，将入射端置入真空，另一端焊接上导热性能良好的打孔铜座，通冷却水带走热量。这样可避免无益于产生中子的电子能量损耗，并使冷却水与靶体接触表面最高温度降［４］低。研究中通过蒙特卡罗程序ＭＣＮＰＸ模拟靶站，得出１５ＭｅＶ电子打靶产生的中子产额、能谱、溢出角分布等物理参数，模拟确定慢化剂层，计算电子在靶体上的能量沉积分布，为热工图１焊接组合靶示意图分析提供靶体热源参数。利用有限元分析软件Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｊｏｉｎｔｉｎｇｍｅｔａｌｔａｒｇｅｔ［５］ＡＮＳＹＳ中ＣＦＤ模块ＣＦＸ，对多组靶站模型分析

8、对比，得到合理的靶站冷却