基于cosRMC的同位素电池屏蔽计算研究.pdf
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1、第58 卷第3期2024年3月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.3Mar.2024基于cosRMC的同位素电池屏蔽计算研究王益祺1,刘仕倡1.*,靳程建,李锐1,孙宁延1,韩毅2.3,张显1,陈义学1(1.华北电力大学核科学与工程学院,北京10 2 2 0 6;2.中国辐射防护研究院,山西太原0 30 0 0 6;3.辐射安全与防护山西省重点实验室,山西太原0 30 0 0 6)摘要:热电式同位素电池系统作为一种新型能源系统,在深空、深海探测任务中有广泛应用。钛酸锶热源中的放射性同位素9Sr和9Y会发射射线,射线与物质作用
2、产生韧致辐射,韧致辐射具有很强的穿透力,需要为热源安装屏蔽层,以降低辐射剂量。当屏蔽层厚度超过一定值后,蒙特卡罗方法计算结果的统计误差显著增大,采用减方差技术可以提高热电式同位素电池屏蔽计算的准确性。同时,直接电子输运模拟耗时很长,可以通过厚靶韧致辐射模型处理电子产生的光子,从而提高计算效率。本文开展了cosRMC程序的减方差技术和厚靶韧致辐射模型在同位素电池屏蔽计算中的应用研究与验证,基于美国SNAP-21结构的设计方案,采用cosRMC程序对同位素电池进行了精细建模,通过改变外屏蔽层厚度分析其对表面剂量率的影响,并与MCNP结果进行比较。结果表明,在电池径向和轴向使用不同厚度的屏蔽层,co
3、sRMC与MCNP计算的贫铀屏蔽层表面的剂量率的相对误差在土3o区间内符合良好。采用栅元重要性减方差后,两程序统计误差均减小,且在电池径向5cm处和轴向4cm处,结果在土3c区间内符合良好,进一步验证了cosRMC程序进行热电式同位素电池屏蔽计算的准确性。关键词:同位素电池;屏蔽计算;MCNP;c o s RM C;减方差中图分类号:TL32doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0473Shielding Calculation of Isotope Battery Based on cosRMCWANG Yiqi,LIU Shichangl*,JIN Chengjian,
4、LI Rui,SUN Ningyan,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.China Institute for Radiation Protection,Taiyuan 030006,China;3.Shanci Key Laboratory for Radiation Safety and Protection,Taiyuan 030006,China)Abstract:As a new type of energy system,thermoelectric isotope battery system
5、 iswidely used in deep space and deep sea exploration missions.Strontium titanate fuel isused as the heat source for thermoelectric isotope batteries.The radioactive isotopes of9oSr and 9Y in the strontium titanate heat source emit ray,which interact with文献标志码:AHAN Yi2.3,ZHANG Xian,CHEN Yixuel(l.Sch
6、ool of Nuclear Science and Engineering,文章编号:10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 3-0 6 2 2-0 8收稿日期:2 0 2 3-0 6-30;修回日期:2 0 2 3-0 9-11基金项目:国家自然科学基金(12 17 50 6 7);河北省自然科学基金(A2022502008);中国辐射防护研究院平台开放基金(ZFYFSFH2022001);中央高校基本科研业务费专项资金(2 0 2 2 JG002)*通信作者:刘仕倡第3期substances to produce bremsstrahlung radiation,Due to t
7、he strong penetrating power ofbremsstrahlung radiation,it is necessary to install a shielding layer on the surface of theisotope radioactive source strontium titanate to reduce the radiation dose of the thermoe-lectric isotope batteries.When the thickness of the shielding layer exceeds a certainvalu
8、e,the statistical error of the Monte Carlo method increases significantly.Variancereduction technique can be used to improve the accuracy of shielding calculation for ther-moelectric isotope batteries.At the same time,the direct electron transport simulationtakes a long time,which is much longer tha
9、n the photon simulation,and the photonsproduced by the electrons can be processed by the thick target bremsstrahlung(TTB)model,thus improving the computational efficiency.In this paper,the variance reduc-tion technology of cosRMC program and the application of TTB radiation model in theshielding cal
10、culation of isotope batteries were studied and verified.Based on the designscheme of SNAP-21 structure in the United States,the thermoelectric isotope battery ismodeled by cosRMC program.The influence of depleted uranium on the surface doserate was analyzed by changing the thickness of the radial an
11、d axial outer shielding layersof the thermoelectric isotope battery,and the calculated results were compared withthose of MCNP program.The comparison of the two programs shows that the statisticalerror of dose rate of depleted uranium shield surface calculated by cosRMC and MCNP isin good agreement
12、with 3o range when different thickness shielding layers were usedin radial and axial directions of thermoelectric isotope batteries.In order to reduce thestatistical error of the calculated results,the cell importance variance reduction wasused.The results show that the statistical error of the cosR
13、MC and MCNP programsdecreases at the radial 5 cm and axial 4 cm of the battery by 52.515%and 39.338%,respectively.The dose rate relative errors calculated by cosRMC and MCNP are in goodagreement within the range of 3o,which further verifies the accuracy of cosRMCprogram in the calculation of thermoe
14、lectric isotope battery shielding.Key words:isotope battery;shielding calculation;MCNP;cosRMC;variance reduction热电式同位素电池系统作为一种新型能源系统,在深空、深海探测任务中有广泛应用。相比于常规能源,热电式同位素电池具有比功率高、寿命长、适应外部环境能力强、运行稳定的优势 1-2 1。钛酸锶热源是一种纯衰变放射源,广泛应用于热电式同位素电池中。钛酸锶热源中的放射性同位素Sr和9Y会发射射线,射线与物质作用产生韧致辐射,韧致辐射具有很强的穿透力,需要为同位素放射源安装屏蔽层,以降低
15、辐射剂量。为评估其中的同位素衰变产生的放射性对外界的影响,需要对同位素电池进行高精度屏蔽计算。蒙特卡罗方法具有复杂几何描述准确、计算精度较高等优点,因此广泛应用于同位素电池的屏蔽计算。伊朗沙赫鲁德理工大学的王益祺等:基于cosRMC的同位素电池屏蔽计算研究623Zohreh等 3 在选择放射源时,考虑到所需放射性同位素的半衰期与期望从同位素电池获得的寿命之间的匹配,选择Sr十9Y作为同位素电池的放射源,为了确定合适的电极,使用蒙特卡罗程序MCNP的计数卡得到电极吸收和击中的粒子数,从而计算电极的效率。韩国原子能研究所的Souza等 在3Ni放射源外放置屏蔽层以防止放射性物质泄漏,为评估保护层厚
16、度对电子吸收的影响,使用蒙特卡罗程序MCNP6对放射源的辐射强度进行计算,得到不同厚度保护层下表面粒子数的变化。日本船舶研究所Ohashi等 5 利用蒙特卡罗程序MCNP4A研究了通过添加分级结构来降低9Sr放射性同位素电池热源模型辐射剂量的可能性,结果显示,3层、4层和5层基础结构的剂624量分别减少了17%、19%和2 2%。中国原子能科学研究院的刘诗蕾等 6 在 Sr放射源中加人少量石墨材料,使用蒙特卡罗程序MCNP对9Sr放射源的韧致辐射强度进行了计算,结果表明,在热源中加人少量石墨材料,有效降低了放射源产生的韧致辐射;马俊平等 7 采用蒙特卡罗程序MCNP对放射性同位素电池进行屏蔽计
17、算,得到剂量率随屏蔽层厚度的变化。当屏蔽层厚度超过一定值后,蒙特卡罗方法计算结果的统计误差显著增大 8 。通过大量增加蒙特卡罗程序追踪的粒子数,可以减小统计误差,但将耗费大量时间。减方差技术通过引导更多粒子输运到目标区域,增加统计样本,从而减小统计误差,提高计算效率,在MCNP、c o s RM C 等蒙特卡罗程序中有广泛应用。通过减方差技术可以有效降低屏蔽层外部区域的蒙特卡罗统计误差,从而提高热电式同位素电池屏蔽计算的准确性。同时,由于电子输运模拟耗时很长,而厚靶韧致辐射(TTB)模型可以近似处理由光子产生的二次电子,假设光子诱导的电子被立即转化为致辐射光子,与电子输运相比可以显著提高计算速
18、度,因此可以通过TTB模型处理电子产生的光子,从而提高计算效率 9。cosRMC是由国家核电软件开发中心和清华大学联合研发的自主化蒙特卡罗粒子输运程序,cosRMC中开发了栅元重要性减方差技术和中子-光子-电子耦合输运模拟功能 10 。cos-RMC针对反应堆计算的需求进行开发,具有屏蔽计算、燃耗计算、临界计算等计算分析功能,可用于反应堆堆芯设计分析和辐射屏蔽计算,尚未在同位素电池屏蔽计算中应用。本文拟开展cosRMC程序的减方差技术和TTB模型在同位素电池屏蔽计算中的应用研究及验证。参考美国SNAP-21结构对热电式同位素电池进行精细建模和屏蔽计算,并与MCNP结果进行比较,从而分析cosR
19、MC程序在热电式同位素电池屏蔽计算中的准确性,并在此基础上对栅元重要性减方差方法的效果进行分析。1cosRMC计算方法1.1光子-电子耦合输运在光子-电子的耦合输运中,光子可以通过原子能科学技术第58 卷光电效应、康普顿效应和电子对效应产生电子并存储于临时电子库中,产生的电子在模拟光子历史后被提取并输运。电子可以通过韧致辐射和正电子-电子潼灭产生光子并存储于临时光子库,产生的光子在模拟电子历史后被提取并输运。光子-电子的耦合输运的相互作用示于图1。汤姆逊散射光子输运图1光子-电子耦合输运的相互作用Fig.1Interaction of photon-electroncoupled transp
20、ort与光子输运相比,电子输运需要大量的时间。为了减少计算时间,常用TTB模型近似电子产生的二次光子,该模型仅考虑厚靶韧致辐射中产生的光子的能量分布,韧致辐射光子的位置和运动方向由位置和运动近似。与电子输运相比,TTB模型可以大幅减少计算时间 11。1.2栅元重要性减方差栅元重要性是常用的减方差技巧,该方法主要对计算模型的不同区域定义不同的重要性数值,当粒子从重要性低的区域飞入重要性高的区域时,由于分裂机制会产生更多的粒子;反之,当粒子从重要性高的区域飞入重要性低的区域时,会进行轮盘赌 12 。当粒子向非计算所需区域输运时,程序会终结粒子的历史。粒子的几何分裂与轮盘赌如图2 所示。由图2 可见
21、,当粒子从重要性为IA的栅元A输运到重要性为IB的栅元B时,如果IBIA,当前粒子将会进行分裂,分裂为n个粒子,n为IB与IA之比,为了结果的无偏性,每个粒子的权重变为栅元A1A图2 几何分裂与轮盘赌示意图Fig.2Diagram of geometric split and roulette光电效应康普顿效应电子对效应韧致辐射正电子灭栅元BBIBIA电子输运第3期之前的1/n;反之,若IBIA,每个粒子有1/n的存活概率,权重变为之前的n倍,从而减少计算时间,实现计算效率的提高。在编写MCNP和cosRMC程序的输人卡时,使用IMP指定栅元的重要性 13。但栅元重要性在相邻栅元之间相差不能太
22、大,否则会增加程序的抽样负担。因此,设置相邻栅元的重要性比值不大于4,数值设置按照2 的指数变化 14。在屏蔽计算中,随着粒子穿透深度和屏蔽层厚度的增加,穿透屏蔽层的粒子数减小,统计误差增大。为减小程序的统计误差,本文对电池热源及热源外部的结构依次设置了不同的栅元重要性,以达到减小统计误差的作用。2热电式同位素电池建模SNAP-21是美国3M公司研发的深海放射性同位素燃料热电式发电机供电系统 15,其结构如图3所示。参照SNAP-21结构和典型同位素电池的设计方案 16,对热电式同位素电池的结构进行建模,如图4所示。压力容器功率调节器热力发电机一绝缘系统+燃料胶囊一生物屏蔽图3SNAP-211
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