HL-3托卡马克装置中子产量测量系统的中性子建模与物理分析

本文基于MCNP建模与实验验证，系统设计了HL-3托卡马克的中子产额测量系统，覆盖10^10至10^19 n/s量程，验证了聚乙烯慢化剂、反射中子及等离子体位移对测量性能的影响，结果显示系统满足九量级动态范围需求，为HL-3实验提供可靠支持。

作者：文佐伟、冯磊、袁国亮、赵伟、史家伟、沈峰

中国四川省成都市西南物理研究所，610041

摘要

中子产量的测量在托卡马克装置的聚变功率评估和安全控制中起着关键作用。本文基于MCNP中子建模，对HL-3托卡马克的中子产量测量系统进行了全面的性能评估和系统设计。通过现场校准实验验证了该模型的可靠性，模拟值与实测的绝对探测器效率之间表现出良好的一致性。该系统包括八个裂变室，设计用于覆盖从10^10到10^19 n/s的中子产量范围，适用于DD（氘-氘）和DT（氘-氚）放电场景。模拟研究了减速剂材料、反射中子的贡献以及等离子体位移对测量性能的影响。结果表明，聚乙烯作为减速剂能够提供足够平坦的灵敏度。反射自生物屏蔽墙的中子对探测器灵敏度的贡献不可忽视。等离子体位移对探测器灵敏度的影响很小，且不会显著改变系统的测量范围。最终，HL-3中子产量测量系统的性能完全满足物理设计要求，将在HL-3实验期间为中子产量和聚变功率的测量提供可靠的支持。

引言

精确的中子产量测量对于大型现有和未来的聚变装置（如JET [1]、ITER [2,3] 和 CFETR [4]）的机器保护和安全控制至关重要，因为它是聚变功率的直接测量指标。此外，中子产量测量还是研究快离子传输和高能粒子损失的重要工具 [5,6]。因此，已在多种磁约束装置中广泛进行了中子产量测量，包括JET [7,8]、TFTR [9,10]、JT-60U [11]、EAST [12]、HL-2A [13] 和 LHD [14] 等。

托卡马克中的中子产量会根据运行条件在极宽的范围内变化。例如，在JET中，中子产量范围为10^8到10^19 n/s [8]，而在ITER中，预计其范围为10^14到3.2 × 10^20 n/s [18]。HL-3托卡马克需要一个能够覆盖九个数量级动态范围（从10^10到10^19 n/s）的中子产量测量系统。本文采用中子模拟方法对HL-3中子产量测量系统进行了全面的系统设计和性能评估，确保其能够满足这一广泛的测量需求。同时，模拟还用于分析可能影响系统测量性能的因素及其影响程度。本文的后续部分结构如下：第2节介绍了HL-3上中子产量系统的布局、测量要求和探测器信息；第3节描述了HL-3装置和探测器的MCNP模型以及模型准确性的验证；第4节展示了MCNP模拟结果、系统测量性能以及反射中子和等离子体位移对性能的影响；最后，第5节给出了结论。

章节摘录

中子产量系统布局

中子产量测量的目标是在HL-3托卡马克的DD和DT放电过程中测量中子产量，从而计算出聚变功率。根据物理要求，系统应实现10 ms的时间分辨率和优于20%的测量精度。预期的可测量中子产量范围为：DD操作时为10^10–10^16 n/s，DT操作时为10^14–10^19 n/s。这对应于大约的聚变功率范围

托卡马克模型

基于HL-3装置的详细机械模型 [19]，使用MCNP精心开发了相应的中子计算模型。对于中子传输计算，中子源与探测器之间的组件和结构至关重要，因为它们的材料可能会与中子相互作用，从而影响传输过程。因此，MCNP模型包括了真空容器、第一壁、偏滤器、线圈、中性束注入器（NBIs）和屏蔽壁等。

减速剂的影响

常用的中子产量测量系统减速剂材料包括聚乙烯、石墨、铍、轻水和重水。不同的核素具有不同的中子减速特性，这导致探测器对不同能量入射中子的响应各不相同，具体取决于所使用的减速剂材料。根据图3中展示的探测器系统模型，模拟了各种减速剂材料的探测器灵敏度。结果如下所示

结论

本文通过MCNP中子模拟，对HL-3托卡马克的中子产量测量系统进行了系统的设计和性能评估。基于HL-3装置的实际结构，构建了一个详细的中子模型，其中包含了其核心组件和裂变室检测系统。模型验证显示，模拟的探测器效率与实验校准数据之间有很好的一致性，证实了中子模型的准确性

作者贡献声明

文佐伟：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、数据分析、概念构思。冯磊：验证、数据分析。袁国亮：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。赵伟：数据整理。史家伟：撰写——审稿与编辑。沈峰：数据分析。