一種中子能譜精準調控技術及裝置

《一種中子能譜精準調控技術及裝置》是中國科學院合肥物質科學研究院於2018年4月18日申請的發明專利，該專利申請號為2018103493973，公布號為CN108806816A，專利公布日為2018年11月13日，發明人是吳宜燦、胡麗琴、龍鵬程、宋婧、何桃。

《一種中子能譜精準調控技術及裝置》公開了一種中子能譜精準調控技術及裝置，包括外中子源、模組化中子能譜調控區、中子能譜精細調控區、禁止層、以及中子能譜調節單元存儲區。其中，模組化中子能譜調控區、中子能譜精細調控區、中子能譜調節單元存儲區均包括多個標準中子能譜調節單元，每個標準中子能譜調節單元外殼尺寸完全相同，位置可以任意互換；每個標準中子能譜調節單元內部填充有多個模組化結構，每個模組化結構內部選擇性填充所需材料或材料組分，實現對中子能譜的精準梯度調節。該發明可動態精準構建多種類型的複雜中子能譜，為先進核能系統研發及核技術交叉套用研究提供特定中子能譜輻射場。

2020年7月17日，《一種中子能譜精準調控技術及裝置》獲得安徽省第七屆專利獎銀獎。

（概述圖為《一種中子能譜精準調控技術及裝置》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種中子能譜精準調控技術及裝置
• 公布號：CN108806816A
• 公布日：2018年11月13日
• 申請號：2018103493973
• 申請日：2018年4月18日
• 申請人：中國科學院合肥物質科學研究院
• 地址：安徽省合肥市蜀山區蜀山湖路350號
• 發明人：吳宜燦、胡麗琴、龍鵬程、宋婧、何桃
• 代理機構：合肥市上嘉專利代理事務所
• 代理人：郭華俊
• Int.Cl.：G21G4/02(2006.01)I、G21H5/00(2006.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

核能的發展給予了極大重視。截至2018年4月，中國是世界上核能發展最快的國家，同時中國核能占比仍遠低於世界平均水平，具有較大的發展空間。傳統核能系統存在高放核廢料累積安全問題，研發新型潔淨先進核能系統是2018年4月之前的核能研究的前沿領域。先進核能系統的研發涉及到中子物理、材料技術、系統核工程等多學科交叉領域，具體包括核設計理論與軟體研發、核數據測量與驗證、部件核性能測試、輻射防護技術研究等，這些技術的實現需要在相應的特定中子能譜輻射場中開展實驗研究。

同時，核技術交叉套用研究已在醫學、工業、國防等領域得到廣泛套用，中子治療、中子照相、中子活化分析等已成為核技術交叉套用研究的熱點。這些技術在推廣套用前需要開展大量的實驗，其中必不可少的就是在特定的中子能譜輻射場環境中進行檢驗。 不同的先進核能系統和不同的核技術交叉套用，它們需要的中子能譜輻射場都不一樣，中子能譜複雜且差異很大。2018年4月之前的中子能譜輻射場實驗裝置主要集中在同位素外中子源、裂變反應堆和加速器外中子源，然而它們產生的中子能譜固定單一，且與先進核能系統研發及核技術交叉套用研究需要的複雜中子能譜輻射場不一致，實驗驗證結果的準確性和可靠性備受質疑。因此，研發可精準構建多類型複雜中子能譜的調控裝置，再現先進核能系統研發及核技術交叉套用研究需要的中子能譜輻射場環境成為該領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

專利目的

《一種中子能譜精準調控技術及裝置》的目的在於提供一種中子能譜精準調控技術及裝置，精準構建多類型複雜中子能譜，以再現先進核能系統研發及核技術交叉套用研究需要的中子能譜輻射場環境。

技術方案

《一種中子能譜精準調控技術及裝置》提供了一種中子能譜精準調控技術及裝置，包括外中子源、模組化中子能譜調控區、中子能譜精細調控區、禁止層、以及中子能譜調節單元存儲區，其中，所述外中子源安裝於模組化中子能譜調控區，所述禁止層位於所述模組化中子能譜調控區外圍，所述中子能譜調節單元存儲區位於所述禁止層內部，所述中子能譜精細調控區位於所述禁止層的缺口區域；所述模組化中子能譜調控區、所述中子能譜精細調控區、所述中子能譜調節單元存儲區均包括多個標準中子能譜調節單元和中子能譜調節單元槽，所述標準中子能譜調節單元安裝於所述中子能譜調節單元槽中，所述標準中子能譜調節單元外殼尺寸均相同、且與所述中子能譜調節單元槽內部尺寸適配，所述標準中子能譜調節單元之間的位置能夠互換；以及所述標準中子能譜調節單元具備慢化、增殖、吸收、反射等一種功能或兩種及以上所述功能的組合。所述中子能譜精細調控區布置有多個含有不同能量中子吸收體的標準中子能譜調節單元，調節含有不同中子能量吸收體的所述標準中子能譜調節單元的數量及插入深度，實現對產生的中子能譜進行精細調控。

改善效果

與2018年4月之前的技術相比，《一種中子能譜精準調控技術及裝置》的有益效果體現在：其一，該發明提供的一種中子能譜精準調控技術及裝置，通過採用外殼尺寸完全相同的標準中子能譜調節單元以及內部尺寸完全相同的中子能譜調節單元槽，實現了標準中子能譜調節單元在裝置中的位置可以任意互換，增強了中子能譜調控的便捷性；其二，通過在標準中子能譜調節單元內部採用多個模組化結構，以及在每個模組化結構內部填充所需的材料或材料組分，實現對中子能譜的精準梯度調節；其三，通過設定中子能譜精細調控區，布置多個含有不同能量中子吸收體的標準中子能譜調節單元，並調節改變其數量及插入深度，進一步實現了對中子能譜的動態精準調控；其四，通過設定中子能譜調節單元存儲區，在裝置運行期間根據需要替換掉功能不合適的或失效的標準中子能譜調節單元，延長了實驗持續運行時間；另外，通過採用多個遠控操控機械手，遠程同時對任意多個標準中子能譜調節單元進行抓取、提升、平移、落下操作，提高了動態精準構建多類型複雜中子能譜的速度和安全性。除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，該發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對該發明作進一步詳細的說明。

附圖說明

圖1為《一種中子能譜精準調控技術及裝置》一實施例提供的中子能譜精準調控裝置的結構示意圖。

技術領域

《一種中子能譜精準調控技術及裝置》涉及核工程技術領域，尤其涉及一種中子能譜精準調控技術及裝置。

權利要求

1.《一種中子能譜精準調控技術及裝置》其特徵在於，包括外中子源、模組化中子能譜調控區、中子能譜精細調控區、禁止層、以及中子能譜調節單元存儲區，其中，所述外中子源安裝於模組化中子能譜調控區，所述禁止層位於所述模組化中子能譜調控區外圍，所述中子能譜調節單元存儲區位於所述禁止層內部，所述中子能譜精細調控區位於所述禁止層的缺口區域；所述模組化中子能譜調控區、所述中子能譜精細調控區、所述中子能譜調節單元存儲區均包括多個標準中子能譜調節單元和中子能譜調節單元槽，所述標準中子能譜調節單元安裝於所述中子能譜調節單元槽中，所述標準中子能譜調節單元外殼尺寸均相同、且與所述中子能譜調節單元槽內部尺寸適配，所述標準中子能譜調節單元之間的位置能夠互換；以及所述標準中子能譜調節單元內部填充有多個模組化結構，所述模組化結構內部選擇性地填充所需材料或材料組分，實現對中子能譜的精準梯度調節，所述標準中子能譜調節單元外部輪廓形狀為三角形或圓形，所述標準中子能譜調節單元具備慢化、增殖、吸收、反射中的一種功能或兩種及以上所述功能的組合，所述中子能譜精細調控區布置有多個含有不同能量中子吸收體的標準中子能譜調節單元，調節含有不同中子能量吸收體的所述標準中子能譜調節單元的數量及插入深度，實現對產生的中子能譜進行精細梯度調節。

2.根據權利要求1所述的中子能譜精準調控技術及裝置，其特徵在於，還包括具有遠程操控機械手，所述遠程操控機械手沿軌道到達所述模組化中子能譜調控區、所述中子能譜精細調控區和所述中子能譜調節單元存儲區的任意一個所述標準中子能譜調節單元上方，用於對所述標準中子能譜調節單元進行裝卸操作。

3.根據權利要求2所述的中子能譜精準調控技術及裝置，其特徵在於，所述遠程操控機械手的數量為多個，用於同時對多個所述標準中子能譜調節單元進行裝卸操作。

4.根據權利要求1所述的中子能譜精準調控技術及裝置，其特徵在於，還包括測試區中子能譜測量系統。

5.根據權利要求1所述的中子能譜精準調控技術及裝置，其特徵在於，所述禁止層及其缺口區域在所述模組化中子能譜調控區外圍整體呈正多邊形環帶狀。

6.根據權利要求1所述的中子能譜精準調控技術及裝置，其特徵在於，所述標準中子能譜調節單元外部輪廓形狀為三角形，還用於組合成方形中子能譜調節單元或六邊形中子能譜調節單元。

7.根據權利要求1所述的中子能譜精準調控技術及裝置，其特徵在於，所述外中子源用於產生強流中子束，所述強流中子束為氘氚中子束或氘氘中子束或氘鋰中子束或氘鈹中子束或質子鋰中子束或質子鈹中子束或散裂中子束。

8.根據權利要求1所述的中子能譜精準調控技術及裝置，其特徵在於，所述中子能譜調節單元存儲區存儲有多個內含不同標準同位素源的標準中子能譜調節單元，在裝置運行時根據需要安裝於所述模組化中子能譜調控區，作為中子能譜精細調控用的附加外中子源。

實施方式

如圖1所示，《一種中子能譜精準調控技術及裝置》的中子能譜精準調控裝置包括外中子源1、模組化中子能譜調控區2、中子能譜精細調控區3、禁止層4、中子能譜調節單元存儲區5、機械手6、測試區中子能譜測量系統7。

所述外中子源1安裝於模組化中子能譜調控區2；所述中子能譜精細調控區3位於所述模組化中子能譜調控區2與所述測試區中子能譜測量系統7之間；所述禁止層4位於所述模組化中子能譜調控區2外圍；所述中子能譜調節單元存儲區5位於所述禁止層4裡面；所述機械手6位於所述模組化中子能譜調控區2上方；所述測試區中子能譜測量系統7位於所述禁止層4外部。

所述模組化中子能譜調控區2、所述中子能譜精細調控區3、所述中子能譜調節單元存儲區5均包括多個標準中子能譜調節單元21和中子能譜調節單元槽22；所述標準中子能譜調節單元21安裝於所述中子能譜調節單元槽22中；所述標準中子能譜調節單元21外殼尺寸與所述中子能譜調節單元槽22內部尺寸完全相同，所述標準中子能譜調節單元21剛好填滿所述中子能譜調節單元槽22。

所述標準中子能譜調節單元21外殼尺寸完全相同，所述中子能譜調節單元槽22內部尺寸完全相同，所述標準中子能譜調節單元21在所述模組化中子能譜調控區2、所述中子能譜精細調控區3、所述中子能譜調節單元存儲區5內部以及相互之間的位置可以任意互換，可實現所述標準中子能譜調節單元21位置的靈活布置。

所述標準中子能譜調節單元21內部填充有多個模組化結構，每個所述模組化結構內部填充有所需的材料或材料組分；通過在所述模組化結構中填充相應功能的材料，所述標準中子能譜調節單元可具備慢化、增殖、吸收、反射等一種功能或兩種及以上所述功能的組合；同時，通過在所述模組化結構中填充所需不同含量組分的功能材料以及調節所述標準中子能譜調節單元在所述中子能譜模組化調節區的插入深度，可實現該功能中子能譜調節單元相應功能表現程度的精準調控。

所述外中子源1可以產生強流中子束，為所述裝置提供初始源中子；所述中子束可以是氘氚中子束或氘氘中子束或氘鋰中子束或氘鈹中子束或質子鋰中子束或質子鈹中子束或散裂中子束。

所述中子能譜精細調控區3布置有多個含有不同能量中子吸收體的所述標準中子能譜調節單元21，所述中子吸收體分別對不同能量的中子具有較強的吸收能力；通過動態調節含有不同能量中子吸收體的所述標準中子能譜調節單元21的數量及其插入深度，可對所述模組化中子能譜調控區2產生的中子能譜進一步進行動態精準調控。

所述中子能譜調節單元存儲區5存儲有多個備用所述標準中子能譜調節單元21，所述裝置運行期間根據需要可以替換掉所述模組化中子能譜調控區2或所述中子能譜精細調控區3的功能不合適的或失效的所述標準中子能譜調節單元21，實現不停機動態調控中子能譜並延長實驗持續運行時間。

所述機械手6具有遠程驅動功能，可遠程操作沿軌道到達所述模組化中子能譜調控區2或所述中子能譜精細調控區3或所述中子能譜調節單元存儲區5的任意一個所述標準中子能譜調節單元21上方，並對所述標準中子能譜調節單元21進行抓取、提升、平移、落下操作；所述機械手6含有多個數量，多個所述機械手6可同時對多個所述標準中子能譜調節單元21進行提升或落下操作，用以改變所述標準中子能譜調節單元21的插入深度，進而動態精準調控產生的複雜中子能譜。所述標準中子能譜調節單元21外部輪廓形狀為三角形或圓形，可以模擬中子能譜調節單元為三角形或圓形的反應堆的中子能譜；所述標準中子能譜調節單元21外部輪廓形狀為三角形時，還可以組合成方形中子能譜調節單元或六邊形中子能譜調節單元，再現組件外部輪廓為方形或六邊形的反應堆的中子能譜。

所述中子能譜調節單元存儲區5存儲有多個內含不同標準同位素源的所述標準中子能譜調節單元21，所述標準同位素源發出的中子能量分別不同，所述裝置運行時根據需要可以將所述內含標準同位素源的所述標準中子能譜調節單元21布置於所述模組化中子能譜調控區作為附加外中子源，用於對產生的中子能譜進行精細調控並開展緩發中子分布驗證實驗。所述標準中子能譜調節單元21內部填充易裂變材料時，與所述外中子源1產生的源中子發生裂變反應，可以產生裂變中子能譜。所述標準中子能譜調節單元21內部填充中子慢化材料時，可以產生中子慢化劑的功能，與中子發生散射等作用，可以將中子慢化減速，使中子的能量降低。所述標準中子能譜調節單元21內部填充中子倍增材料時，可以產生中子增殖劑的功能，與中子發生核反應，可以增殖所述中子的數量，使所述中子的數量增加。

所述標準中子能譜調節單元21內部填充易吸收中子的材料時，可以產生中子吸收體的功能，與中子發生作用，可以將部分中子吸收，使中子的數量減少。所述標準中子能譜調節單元21內部填充具有良好導熱性能的材料時，可以產生冷卻劑的功能，可以吸收產生的熱量。所述標準中子能譜調節單元21內部填充中子吸收截面很小的材料時，可以產生中子反射層的功能，可以將中子反射回去，用以改變中子的方向以及減少中子的泄漏，使較多的中子到達所述測試區中子能譜測量系統處。所述禁止層4含有對中子和γ射線易吸收的物質，可以阻擋所述模組化中子能譜調控區2向四周發射出的中子和γ射線，防止周圍的工作人員和公眾受到這些放射性輻射的危害。所述測試區中子能譜測量系統7為中子能譜探測器，用於測量所述裝置在所述測試區中子能譜測量系統7處產生的中子能譜。

在一實施例中，所述外中子源1為強流氘氚中子源或氘氘中子源或氘鋰中子源或氘鈹中子源或質子鋰中子源或質子鈹中子源或散裂中子源。

在一實施例中，所述標準中子能譜調節單元21內部填充易裂變材料時，填充物質為一定濃度的二氧化鈾或鈽鈾氧化物混合物。在一實施例中，所述標準中子能譜調節單元21功能為中子慢化劑時，填充物質為鐵或重水或聚乙烯或石墨或鈹或氧化鈹。在一實施例中，所述標準中子能譜調節單元21功能為中子增殖劑時，填充物質為鈹或鉛。在一實施例中，所述標準中子能譜調節單元21功能為中子吸收體時，填充物質為硼或鎘。

在一實施例中，所述標準中子能譜調節單元21功能為冷卻劑時，填充物質為鉛鉍合金或鉛。在一實施例中，所述標準中子能譜調節單元21功能為反射層時，填充物質為鈹或石墨。在一實施例中，所述中子能譜調節單元槽22的材質為鉛鉍合金或不鏽鋼或聚乙烯。在一實施例中，所述禁止層4的材質為鉛或鋼或混凝土。在一實施例中，所述禁止層4及其缺口區域在所述模組化中子能譜調控區外圍整體呈正多邊形環帶狀，其中，中子能譜精細調控區位於該缺口區域。

該發明實施時，利用中子能譜調控方法逆向解析目標中子能譜，根據解析結果首先在所述模組化中子能譜調控區2中布置含有相應功能材料的所述標準中子能譜調節單位21對中子能譜進行粗調節，然後繼續布置含有不同精細含量組分功能材料的所述標準中子能譜調節單位21並調節所述標準中子能譜調節單元21在所述模組化中子能譜調控區2中的插入深度對中子能譜進行精細調節，實現對目標中子能譜的梯度逼近調節，最終精準再現目標中子能譜。

可選的，當所述外中子源1為氘氚外中子源，所述模組化中子能譜調控區2和所述中子能譜精細調控區3中的所述標準中子能譜調節單元21內填充金屬鈹作為慢化物質，通過調節所述標準中子能譜調節單元21的數量和位置，所述中子能譜精準調控技術及裝置可以在所述測試區中子能譜測量系統7處產生聚變堆中子能譜輻射場環境。

可選的，當所述外中子源1為氘氚外中子源，所述模組化中子能譜調控區2中的部分所述標準中子能譜調節單元21內填充二氧化鈾作為裂變反應物質，部分所述標準中子能譜調節單元21內填充重水作為慢化劑，部分所述標準中子能譜調節單元21內填充聚乙烯作為慢化劑，通過調節各功能所述標準中子能譜調節單元21的數量和位置，所述中子能譜精準調控技術及裝置可以在所述測試區中子能譜測量系統7處產生裂變熱堆中子能譜輻射場環境。

可選的，當所述外中子源1為氘氚外中子源，所述模組化中子能譜調控區2中的部分所述標準中子能譜調節單元21內填充二氧化鈾作為裂變反應物質，部分所述標準中子能譜調節單元21內填充鉛鉍合金，通過調節各功能所述標準中子能譜調節單元21的數量和位置，所述中子能譜精準調控技術及裝置可以在所述測試區中子能譜測量系統7處產生鉛基快堆中子能譜輻射場環境。

在該發明中，所述模組化中子能譜調控區、所述中子能譜精細調控區、所述中子能譜調節單元存儲區均包括多個標準中子能譜調節單元，所述標準中子能譜調節單元外殼尺寸完全相同，所述中子能譜調節單元槽內部尺寸完全相同，所述標準中子能譜調節單元在所述模組化中子能譜調控區、所述中子能譜精細調控區、所述中子能譜調節單元存儲區內部以及相互之間的位置可以任意互換，可實現所述標準中子能譜調節單元位置的靈活布置；所述標準中子能譜調節單元內部填充有多個模組化結構，每個所述模組化結構內部填充有所需的材料或材料組分，實現對中子能譜的精準梯度調節；所述中子能譜精細調控區布置有多個含有不同能量中子吸收體的所述標準中子能譜調節單元，通過調節含有不同能量中子吸收體的所述標準中子能譜調節單元的數量及插入深度，可對中子能譜進行動態精準調控；所述中子能譜調節單元存儲區存儲有多個備用所述標準中子能譜調節單元，所述裝置運行期間根據需要可以替換掉功能不合適的或失效的所述標準中子能譜調節單元，實現不停機動態調控中子能譜並延長實驗持續運行時間；所述機械手具有遠程驅動功能並具有多個數量，可遠程同時對多個所述標準中子能譜調節單元進行提升、落下操作，實現動態精準調控中子能譜。該發明實施例構成了外源耦合的模組化調控系統，通過所述標準中子能譜調節單元，實現了對中子能譜的梯度調節，可精準構建多種類型的複雜中子能譜，為先進核能系統研發及核技術交叉套用研究提供特定的中子能譜輻射場。

榮譽表彰

2020年7月17日，《一種中子能譜精準調控技術及裝置》獲得安徽省第七屆專利獎銀獎。