基于10B靶的金属钚质量属性研究

摘要

金属钚是制造核弹头的重要核材料，军控核查中对于金属钚的核查技术研究已经趋于成熟。目前对于金属钚质量属性的核查主要是利用BF3、3He探测器或者裂变室测量中子计数，并通过迭代修正得到。本论文目的在于探讨一种新的测量中子的方法，即通过10B靶把裂变中子转化为γ光子，间接获取中子信息。
　　本论文拟利用金属钚自发裂变发射的中子，轰击10B靶发生10B(n，α)7Li反应，探测所生成的处于激发态的核素7Li*退激时发出的478keVγ射线，由探测的能谱和计数等信息来推测被核查对象金属钚的质量信息。
　　本论文调研国内外相关文献，未发现核查技术资料中有关于硼靶转换法测量金属钚质量属性的相关报道。
　　本论文通过建模，利用蒙特卡罗程序MCNP模拟中子-光子转化输运过程，选择含硼材料，调整靶体参数，包括厚度、成分、形状、尺寸以及空间位置等，研究影响478keVγ射线产额的各项因素，选取各项参数优化组合以获得尽可能高的转换效率。同时采用了反射层、组合靶等手段进一步优化系统。在模拟计算的同时，分析了源中子在系统中的能量、流向变化情况，使靶参数的设计朝着提高源中子利用率，降低478keVγ射线衰减率的方向进行。进一步地，对模拟系统进行了热中子的S(α，β)处理修正、体源修正及裂变谱修正，提高计算结果的可信度。对优化模型的模拟计算结果使得478keVγ射线产额在设计条件下超过10-5，满足公斤级金属钚的探测要求。
　　本论文还展开了硼靶转换法测量金属钚质量属性的实验。实验分为三部分:第一部分是实验系统的搭建，包括钚元件、硼靶及谱仪等;第二部分是分别测量各硼靶参数、各测量条件下478keVγ射线计数率，确定合理的硼靶参数和测量条件，完成对前期模拟计算工作的实验验证。第三部分是系统标定法推算待测钚元件质量。
　　系统标定法确定钚元件质量在本套实验系统探测条件下，对于测量时间10～20min，钚元件质量千克量级的一般核查场景，使用该方法给出的金属钚元件质量总不确定度大约在10％左右。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 军控核查的背景和发展现状

1．2 密封容器中钚的属性及其探测原理

1．3 本论文的意义和主要工作

第二章 基本原理

2．1 钚的核性质

2．1．1 核武器模型中的金属钚

2．1．2 金属钚的自发裂变和衰变

2．1．3 裂变中子谱

2．2 核反应法测量中子

2．2．1 10B(n，α)7Li反应

2．2．2 10B的中子截面

2．2．3 常用含硼材料

2．3 10B靶转化法测量金属钚质量

2．4 蒙特卡罗程序MCNP简介

2．5 MS-DOS批处理执行

2．6 系统标定法

第三章 理论模拟计算

3．1 实验建模

3．2 模拟计算过程

3．3 含硼材料选择

3．4 靶厚度因素的研究

3．5 靶成分因素的研究

3．6 靶厚度成分因素的耦合

3．7 靶形状因素的研究

3．8 靶径向尺寸因素的研究

3．9 空间位置的确定

3．10 组合靶的选取

3．11 反射层的使用

3．12 中子流的分析

3．13 模拟计算系统修正

3．13．1 热中子的S(α，β)处理修正

3．13．2 体源修正

3．13．3 裂变谱修正

3．14 小结

第四章 10B靶转换法测量金属钚质量实验

4．1 实验准备

4．2 实验步骤

4．2．1 谱仪搭建

4．2．2 验证计算结果

4．2．3 标定法确定钚质量

4．3 小结

第五章 标定法确定金属钚质量及其评价

5．1 478keVγ射线的解谱

5．2 标定曲线

5．3 拟合结果讨论

5．3．1 结果总不确定度

5．3．2 不确定度与测量时间的关系

5．3．3 系统缺陷及改进意见

5．4 小结

第六章 结论

6．1 本论文的主要成果

6．2 问题和展望

致谢

参考文献

附录：发表学术论文与参加学术交流情况