次临界中子倍增实验获得keff的方法研究

次临界中子倍增实验常常用于次临界系统的反应性测量，然而采用这种方法直接获得的是次临界系统的有源增殖因子ks，与有效增殖因子keff（次临界反应性）之间的关系比较复杂，其中主要的问题就是外加中子源不是基模源（本征源）。本研究拟从两个方面开展工作试图通过次临界中子倍增实验来获得keff：（1）拟利用实验室次临界装置开展ks与keff的比较分析，从而建立次临界外加源中子倍增因子与反应性的关系；（2）建立基模源的模型，并进行实验研究，探讨裂变缓发中子作为基模源的等效性，从而由次临界等效基模源中子的倍增因子直接获得反应性。最终建立次临界倍增因子与反应性的关系，获得缓发中子作为基模源的等效性。获得的结果可以深化对次临界中子倍增实验的分析和理解，为次临界中子倍增法测量反应性提供技术基础，应用于核临界安全分析、反应堆物理实验和临界装置运行等。

在反应堆或临界装置逼近临界的过程中，常用外中子的倍增来表征次临界系统的反应性，采用这种方法只能半定量结合经验来获得次临界反应性，主要问题就是外加中子源不是本征分布源（等效基模源）。核系统中的缓发中子与等效基模源只有能量的差异，缓发中子的倍增因子与keff之间应该存在简单的关系，只需要考虑能量差异引起的有效性系数即可由测量得到的缓发中子倍增因子获得系统的keff值。加速器驱动次临界装置（ADS）和聚变裂变混合堆都是以中子源来驱动次临界系统获得倍增，其中外中子引发的裂变数是这两个核能系统设计的重要参数。.主要研究内容和结果有：在两个近临界系统进行实验测量了中子倍增因子相对于小反应性的变化，得到中子倍增因子相对于反应性的敏感程度，获得了即使只有1￠的反应性变化，倍增因子的变化也可以测量。在不同反应性条件下测量了外加中子源的倍增因子随源的位置的变化，当中子源位于半径约135mm的球形浓缩铀次临界系统近外表面时，其倍增因子是中心中子源倍增因子的50%左右。与此同时进行ks和keff之间的关系分析，明确了二者之间的数学物理关系；随后基于浓缩铀球测量了有源条件下的增殖因子ks和对外源中子相对价值Φ*进行了计算，结合ks、keff和Φ*之间的关系对传统的中子倍增法进行了改进，新方法的测量结果与落棒法的结果相对偏差小于1%，很大程度上提高了传统中子倍增法测量keff的精确程度。还进行了缓发中子与等效基模源一致性分析，二者在空间分布和角分布上完全一致，只在能量上存在差异；基于此我们测量了缓发中子在CFBR-II和柱形浓缩铀系统近临界状态下的倍增行为，经分析研究，由缓发中子的倍增获得的系统keff相对偏差小于10%。只是采用贫化铀材料，对裂变谱的中子总倍增因子较小，中心的Cf自发裂变源在86.7kg厚度为31mm的贫化铀球壳中仅有1%左右的中子引起裂变。对深次临界系统，即使采用高富集度的铀金属，21kg，也仅获得3.6的总倍增因子。在近临界，外中子的倍增因子随能谱和位置的变化较大。.综上所述，本项目的主要研究结果有两个：建立了通过次临界外中子的倍增因子测量次临界反应性的方法；证实了在临界状态下产生的缓发中子与本征中子的差异可以忽略。获得的结果可以为临界安全分析提供参考，也可以为加速器驱动次临界装置的设计提供参考，并促进了在临界装置上开展反应堆物理实验的研究。