基于武器级铀的核弹头内部炸药的放射性核素分析

在军备控制核查技术领域,核弹头拆卸认证是重要的研究对象。本文分析了基于武器级铀的核弹头(即铀弹头)内部炸药的放射性核素的产生、种类和数目,旨在研究炸药中放射性核素的被动式探测法是否可用于铀弹头中拆卸出的炸药的来源鉴别。结果表明,在铀弹头内部炸药中,短寿命放射性核素(~(16)N、~(15)O、~(13)N和~(11)C)的数目太少(少于1个),因此在铀弹头拆卸后,无法通过探测这些短寿命放射性核素来实现炸药的来源鉴别。而对于存放时间超过30a、内部结构遵从模型1(由Steve Fetter提出)的铀弹头,拆卸后炸药中的长寿命放射性核素(~(14)C)可被检测出来,进而能为炸药的来源鉴别提供重要依据。     

中子辐照法在炸药来源认证中的应用

核弹头的拆卸认证是核裁军和军控核查中的一项重要研究内容。核弹头拆卸后,核查方将对拆卸出的特殊核材料和高爆炸药进行探测和认证,确保两者来源于核弹头。本文着重研究铀弹头（基于武器级铀的核弹头）内部拆卸出的炸药的认证方法,提出基于中子辐照法的炸药认证方案,并建立基于Geant4软件的数值模拟计算平台,利用该平台对该方案的可行性和效果进行模拟计算研究。研究结果表明,核查方应单方面设定辐照时间,设置适当的核弹头拆卸时间,并探测拆卸出的炸药中¹³N和¹¹C核素的β⁺衰变,即可区分真实铀弹头中拆卸出的炸药和炸药赝品,进而为判断炸药是否来源于铀弹头提供重要依据。     

活化法区分浓缩铀与贫化铀数值模拟研究

铀材料的辐射探测方法是核查技术研究的重要内容,主动法是铀材料探测的有效方法之一.论文利用MCNP程序计算分析了活化法区分浓缩铀和贫化铀的可行性,研究表明通过铀材料的裂变率-慢化体厚度的关系曲线能够判断是贫化铀还是浓缩铀.计算分析了~(252)Cf和14MeV中子源在铀材料探测中的优缺点,结果表明~(252)Cf中子源优于14Mev中子源.最后从测量的角度,重点分析了探测对象--缓发γ射线和缓发中子,分析表明探测缓发中子优于缓发γ射线.     

基于热中子分析技术的铀弹头内部炸药元素分析法

在军控核查技术领域，核弹头拆卸认证技术主要研究核弹头拆卸前后其内部特殊核材料和高爆炸药的探测及认证方法。本文提出了基于热中子分析技术的铀弹头（基于武器级铀的核弹头）内部炸药元素分析法。对炸药元素数目比的计算方法进行了深入分析，在JMCT软件的基础上构建了该方法的数值模拟平台，并利用该平台对铀弹头内部炸药元素分析法的可行性和效果进行了模拟研究。结果表明，铀弹头内部炸药元素分析法对炸药元素数目比具有很高的重建精度，能用于准确判断铀弹头内部是否含有炸药。     

主动法探测炸药成分的实验研究

阐述了采用主动法探测炸药的原理,分析了屏蔽体、自然界本底和反应截面对炸药中1H,12C,16O和14N核素的测量影响。并利用252Cf中子源辐照模拟炸药半球,采用高纯锗γ探测器探测由中子与1H,12C,16O和14N核素发生(n,γ)俘获反应产生的射线。利用MC-NP对炸药中产生γ射线的概率进行了计算,并采用相对效率法进行了实验结果的分析。实验结果表明:主动法探测炸药成分(1H和14N)是可行的。     

主动法探测炸药的实验研究

阐述了采用主动法探测炸药的原理,综合分析屏蔽体、自然界本底和反应截面对炸药中^1H、^12C、^16O和^14N核素的测量影响.并利用^252Cf中子源辐照模拟炸药半球,采用高纯锗γ探测器探测了由中子与^1H、^12C、^16O和14N核素发生（n,γ）俘获反应产生的γ射线.通过实验研究了主动法探测炸药的可行性,分析了探测^1H、^12C、^16O和^14N四种核素的瞬发γ射线的优缺点.     

铀材料诱发裂变缓发γ能谱的数值计算

推导了裂变产物质量链上各个核素不同时刻数目的计算通式,计算了包装箱中铀材料在D-T中子源连续辐照后裂变产物的缓发γ能谱,得到了优化的辐照时间和测量时间,使用MC方法计算处于包装箱外的点探测器缓发γ计数和自发辐射γ计数。计算结果可用于铀材料的无损探测识别和核材料裂变数据测量等工作。     

γ全吸收型探测装置探测效率的实验与模拟

为精确测量keV能区中子俘获反应截面,中国原子能科学研究院核数据重点实验室基于中国散裂中子源反角白光中子源建成了国内首套γ全吸收型BaF₂探测装置。为获得重要的实验参数装置对γ射线的探测效率曲线,对单个BaF₂探测器模块能谱的测量数据与模拟结果进行比较。结果表明,测量¹³⁷Cs和⁶⁰Co源得到的实验结果与MCNP和GEANT4的模拟结果吻合较好,验证了模拟计算得到的探测效率曲线的可靠性,可用于中子俘获反应截面的在线测量。     

MC法模拟不同中子源激励铀材料中子和γ飞行时间谱

为探索中子源激励探测铀材料应用技术,基于Geant4平台建立了中子源激励铀材料模拟中子和γ飞行时间谱的数学模型,模拟计算了利用不同中子源激励铀材料、使用不同探测器计数的中子和γ飞行时间谱,结果与已有相应实验谱特征相符。模拟结果表明:D-D和~(252)Cf源激励得到的中子和γ飞行时间谱有明显差异;在相同激励源和测量几何条件下,使用液体闪烁体探测器和塑料闪烁体探测器记录到的中子和γ飞行时间谱基本相同。本文结果可为外中子源激励探测铀材料技术研究提供参考。     

压水堆一回路反冲质子反应源项GEANT4模拟

在核反应堆一回路系统中,裂变中子产生的反冲质子通过电离、多次散射以及韧致辐射后,与冷却剂中的~(16)O、~(18)O和~(11)B反应生成具有β~+放射性的~(13)N、~(18)F和~(11)C等核素,采用符合测量方法可以探测这些核素从而推断一回路水的泄漏情况。采用GEANT4程序对秦山二期压水堆全堆芯进行建模及源抽样描述,编制C++工具自动生成GEANT4计算所需的中子源分布,实现了G4-NONU功能以及GEANT4程序中中子固定源的输运计算。充分考虑反冲质子电离、多次散射以及韧致辐射等因素,计算了压水堆一回路水中由质子反应产生的~(13)N、~(18)F以及~(11)C等核素的产生率、浓度以及活度,拓展了反应堆源项计算工具。     

符合测量中子方法核查核弹头技术分析

用中子输运和与时间相关中子符合概率计算相结合的方法数值模拟低能外源中子照射下核弹头产生的裂变，以符合中子计数探测裂变事件发生率，以此核查核弹头的裂变特征。计算结果表明：在能量低于1MeV外源中子作用下进行符合中子测量，相应典型模型的核弹头的符合计数比用天然铀代替浓缩铀的相同结构的假核弹头的符合计数高1个量级，比其他散射中子的符合计数高几个量级。符合中子探测有可能用来认证核弹头的特性。     

快中子活化分析检测爆炸物方法研究

叙述了快中子活化法检测隐蔽爆炸物的原理、方法及其优点。采用K-400高压倍加器产生的14MeV快中子对TNT、黑索金、硝胺及土制炸药等4种炸药、10余种常见物品和用土壤层覆盖的TNT样品进行快中子活化分析,测定各种样品的氮氧含量,建立被测物单位质量氮和氧计数率的二维分布,取得了爆炸物识别特征区,并用计算机模式识别方法进行判别。结果表明,此方法误判率和漏判率较低。Monte-Carlo模拟结果显示,在距中子源15m以外,基本无辐射剂量,被测物经检测1h后,总剂量小于环境本底剂量。本方法可用于远程控制快中子活化多探测器阵列检测爆炸物。     

用缓发中子探测核弹头的技术探索

根据缓发中子的时间特征行为分析了缓发中子的中子输运过程,讨论了缓发中子探测核弹头的技术与方法。研究表明,测量缓发中子可以有效地探测到核弹头。但在不知道核弹头的内部设计信息的情况下,需用其他方法加以配合才能甄别真假核弹头。     

Study of the neutron multiplication effect in an active neutron method

The neutron multiplication effect appears when an item contains large amounts of nuclear material. The neutron multiplication effect in this paper means the effect of subsequent fission reactions which are caused by fission neutrons produced by interrogation neutrons from a neutron generator. The previous active neutron method could not distinguish between first-fission and subsequent-fission neutrons and might overestimate the amount of nuclear material. However, the neutron multiplication effect in the active neutron method has not been adequately investigated. We discuss the evaluation method of the multiplication effect in the fast neutron direct interrogation method, one of the active neutron methods, using simulations with the Monte Carlo code MVP and experiments involving uranium waste drums. The first-generation neutrons from an external neutron source generate fission neutrons called second-generation neutrons, the second-generation neutrons generate third-generation neutrons, and so on. This study supposes that the neutron multiplication effect is mainly caused by the third-generation neutrons under the condition that the fourth-generation neutrons are much fewer. This paper proposes a correction method for the neutron multiplication effect in the measured data.     

核电厂无源启动中子探测器选型与试验研究

为监测核电厂首循环装料、停堆以及启动过程中的堆芯状态,国内外核电厂一般在堆芯引入2个一次中子源组件,但一次中子源均为国外进口,存在进口受限的问题。为解决此问题,研究首循环取消一次中子源组件,采用燃料组件自发裂变产生的中子作为启动用中子源。燃料组件自发裂变产生的中子强度远低于一次中子源。针对以上情况,需在堆外采用更高灵敏度的探测器进行中子注量率的监测。本文在分析各种高灵敏度探测器基本原理的基础上,给出高灵敏度中子探测器的选型建议,并对其性能进行了试验验证,试验结果表明:3He正比计数管即使在γ剂量率大于0.1 Gy/h时,设置合适的甄别电压,也可以有效甄别γ噪声,试验验证的最大γ剂量率为1.0 Gy/h。      

某压水堆首次装料次临界监督结果分析

某压水堆使用已活化的二次中子源（ASNS）完成首次装料。在首次装料期间,堆内临时中子探测器（TND）发生响应试验结果远高于仿真结果问题和计数率大幅度下降问题。为了查明上述问题的原因,监督工作组对二次中子源特性和由ASNS建立的辐射场进行了分析,对核燃料次临界增殖中子对TND计数率的影响进行了分析和验证,对使用ASNS进行反应堆首次装料的次临界监督数据进行了分析。结果表明：TND周围的辐射场为γ射线和中子形成的混合辐射场;在中子源组件与TND之间安装核燃料组件后,核燃料次临界增殖中子对TND计数率的影响是使其升高;ASNS衰变产生了大量γ射线,TND输出的γ脉冲在主放大器内发生峰堆积导致脉冲幅度畸变,TND响应试验结果远高于仿真结果的原因是脉冲幅度甄别器无法有效甄别畸变后的γ脉冲和中子脉冲;TND计数率大幅度下降的原因为核燃料中的铀屏蔽掉了由ASNS射向TND的大部分γ射线。源量程通道和TND的运行状态满足首次装料程序对次临界监督设备的要求。