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。     

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。     

利用光致裂变中子响应曲线确定铀材料丰度

用无损分析方法确定铀材料同位素丰度是深度核裁军核查技术中的一个具有挑战性的问题。本文通过分析和数值模拟研究了利用高能光子确定铀材料丰度的可能性。通过建立简化模型研究了反演铀材料丰度问题的方法、物理基础和测量条件。通过利用Monte-Carlo粒子输运程序对光子和中子的输运过程进行模拟,得到不同测量条件下的中子强度与铀材料丰度的关系。中子强度和铀材料丰度之间的关系曲线表明:对于已知结构的铀部件,铀材料丰度可以通过对比中子注量率和已知的光子中子关系曲线确定;对于未知结构的铀部件,该部件中铀材料丰度可以通过测量中子对不同能量光子响应曲线的形状参数得到。     

缓发-瞬发中子比与铀部件增殖系数的关系研究

探索了通过分析铀部件被高能光子与外源中子激励后发射缓发中子和瞬发中子的强度关系推导其增殖系数的方法。铀材料被高能光子激励后发生(γ,n)、(γ,2n)反应,产生的中子可诱发铀材料发生裂变反应;而外源中子入射后则会发生散射、诱发裂变等反应。本文通过对输运过程的分析得到不同测量条件下缓发-瞬发中子强度比与增殖系数的近似公式,并通过数值模拟计算验证了公式的准确性。     

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。     

正——反双模编码对时序成像重建图像CNR影响分析

时序编码成像图像重建受噪声影响,导致技术应用受限。为解决这一问题,通过分析时序编码投影成像基本原理,构建源射线分布重建图像质量评价指标:对比度噪声比(CNR)和均方根误差(RMSE);设计M-P双正码与M-P正—反码两种编码板,采用MCNP模拟计算两种编码板对²⁵²Cf进行时序编码成像的投影像相对强度,由MLEM算法进行图像重建获得射线源分布;通过分析两种编码模式重建图像CNR和RMSE受不同强度白噪声的影响,表明M-P正—反码编码板比M-P双正码重建图像的CNR高、RMSE低;并对两种编码模式重建图像CNR和RMSE受FOV场外点源伪影的影响进行分析,表明M-P正—反码编码板比M-P双正码重建图像的CNR高、RMSE高,认为正—反码编码模式在抑制噪声、检测视场外射线源伪影、提高重建图像质量方面具备一定优势,时序编码成像的编码板设计时可优先选择正反码编码模式。     

铀部件自吸收对寿命估算的影响

在核弹头核查认证过程中,认证核材料寿命一致是确认某核部件为宣称部件时非常重要的标准之一,利用特征γ射线分析铀材料寿命是一种被广泛研究的方法。本文通过对利用数值模拟结果的分析,研究了部件自吸收效应对利用特征γ射线强度估算铀材料寿命的影响。研究结果表明,利用210 Tl特征γ射线对出射γ射线定标的方法可降低部件自吸收效应对寿命计算的影响。     

反中微子监测反应堆运行的数值模拟

利用反应堆出射反中微子计数监测反应堆运行,是国际上新兴的防扩散监测技术,已经过了实验检验。为研究该方法监测反应堆的能力,我们通过在现有MCNP5和MCORGS数值模拟软件中增加了蒙特卡罗方法模拟出射反中微子数目、能量和方向等信息的功能,开发出了用于模拟探测反应堆运行时出射反中微子的数值模拟软件。利用该软件我们研究了反应堆燃耗与出射反中微子计数关系、不同燃耗下铀和钚材料同位素比与出射反中微子计数关系、不同反应堆运行和换料条件下出射中子随反应堆运行时间的变化规律等问题。数值模拟结果表明,反应堆出射反中微子计数可以提供与反应堆运行情况相关的信息。     

主动法中子时间关联符合测量探测金属铀质量和丰度

主动法中子时间关联符合测量是金属铀核查认证技术的重要手段之一。本文通过数值模拟分析了窄束²⁵²Cf中子源诱发不同质量、不同丰度的金属铀材料的中子输运过程,并获得了其时间关联符合计数。通过分析时间关联符合计数特征参数,验证了时间关联符合计数的FWTH与增殖系数、FWTH内的总计数与增殖系数和²³⁵U质量的乘积及外中子源衰减与金属铀总质量的正比关系,由此建立了金属铀质量和丰度的主动中子时间关联符合测量探测方法。     

基于武器级铀的核弹头内部炸药探测的模拟研究

在军备控制核查技术领域,核弹头内部炸药的探测是一项重要的研究。本文利用GEANT4软件研究了基于武器级铀的核弹头(即铀弹头)内部炸药的被动探测法(利用铀弹头内部裂变中子作为中子源)的可行性,计算得到了从铀弹头中出射的γ射线能谱,能谱的形状与预期相符,但由于铀弹头内部裂变中子与炸药中~(14) N反应产生的特征γ光子的事例率太低,该方法可能不适用于铀弹头的现场测量。因此又利用GEANT4软件研究了铀弹头内部炸药的主动探测法(利用铀弹头外部的中子源对铀弹头进行辐照)的可行性。研究结果表明,主动探测法可在1h内实现对铀弹头内部炸药中~(14) N的探测和确认,进而能为判定铀弹头内部是否含有炸药提供重要依据。