最新刊期
      2023 年 第 46 卷 第 10 期

        加速器技术、射线技术及应用

      • “在聚焦电子束领域，研究人员设计了一种简单电极结构电透镜，通过合理布局和优化电压，有效压缩大口径电子束，聚焦效率超80%，具有广泛应用前景。”
        尹毅,张红强,彭雄刚,况鹏,张鹏,刘福雁,田丽霞,李润东,杨鑫,曹兴忠,王宝义
        2023, 46(10): 100201. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100201
        摘要：电透镜是横向压缩带电粒子束的常用技术手段，在获得高空间分辨、高亮度等高品质聚焦电子束/离子束/正电子束方面发挥着重要作用。针对低能、大束斑带电粒子束的聚焦过程，本文设计了基于管径渐缩式简单电极结构的电透镜聚焦方法，采用SIMION模拟结合电子束实验的方式对该电透镜中涉及的关键技术进行了研究，研究了透镜聚焦效率及聚焦束斑等核心性能的影响因素及分布规律。结果显示：通过合理布局透镜结构和优化电压配置，能够实现对初始大口径电子束的有效压缩，同时确保聚焦效率达到80%以上。本文提出的这种简单电极结构电透镜聚焦方法，具有显著的横向压缩优势，在反应堆正电子源等多束流聚焦场景中具有广泛的应用前景。  
        关键词：静电透镜;横向聚焦;SIMION仿真;电子束实验;束斑   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在材料科学领域，研究人员采用电阻蒸发镀膜技术在钼基体表面沉积钛膜，通过XRD、SEM、AFM等手段表征了钛膜的微观结构和力学性能。研究发现，基体温度对钛膜的晶粒取向、晶粒尺寸、表面粗糙度和弹性模量有显著影响。随着基体温度的升高，钛膜的择优取向由（101）变为（002），晶粒尺寸、粗糙度和弹性模量均增大。”
        王杏,马明旺,万瑞芸,王磊,谈效华
        2023, 46(10): 100202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100202
        摘要：应用电阻蒸发镀膜方法在钼基体表面沉积钛膜。采用X射线衍射仪（X-ray Diffraction，XRD）对钛膜的物相进行表征，获得钛膜的择优取向；采用扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）对钛膜的表面形貌进行表征，获得钛膜的晶粒尺寸分布情况及表面粗糙度；采用AFM纳米压痕技术对钛膜的力学性能进行表征，获得钛膜的弹性模量。结果表明：基体温度对钛膜的微观结构及力学性能有重要影响，在600~750 ℃范围内，随着基体温度的升高，钛膜晶粒取向的主要影响因素由应变能变为表面能，钛膜的择优取向由（101）变为（002）；基体温度的升高增强了基体表面钛原子的扩散能力，钛膜的平均晶粒尺寸、粗糙度及弹性模量均随基体温度的升高而增大。  
        关键词：基体温度;钛;择优取向;晶粒尺寸;纳米压痕   
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        发布时间：2024-10-25

        核电子学与仪器

      • “在宇宙线缪子测量领域，专家利用SiPM标定光脉冲测量值，定量分析了光纤中产生的光脉冲光子数，为低光子数测量提供解决方案。”
        王启奇,张湘,田立朝,马燕云,孙乙文
        2023, 46(10): 100401. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100401
        摘要：开展基于塑料闪烁光纤的宇宙线缪子测量研究时，对闪烁光纤输出光脉冲的光子数定量分析，是读出电子学设计的前提。在无单光子源等弱光标定时，对缪子入射事件在光纤中产生光脉冲的光子数进行定量分析是本文的主要目标。首先利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier Tube，SiPM）固有的非光生载流子特性标定光脉冲的测量值，获得缪子在直径1 mm和2 mm光纤中产生微弱光脉冲包含的光子数；然后结合Geant4软件模拟计算缪子在光纤中理论光子产额，并与实验结果对比验证。结果显示，在直径1 mm和2 mm光纤中光脉冲光子期望值分别为44个和85个，与模拟结果偏差分别为4.55%和10.59%，表明该低光子数测量方法可以在无额外标定设备时，实现对缪子入射光纤产生光子数的准确测量，并可以应用在其他弱光脉冲光子数测量场景中。  
        关键词：硅光电倍增管;缪子;塑料闪烁光纤;光子数测量;GEANT4   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核脉冲信号处理领域，专家推导了三种数字余弦成形方法，基于FPGA系统实现了核信号处理，测试结果表明对称零面积余弦成形性能优异，具有应用前景。”
        魏勇,张怀强,钱云琛,陈壑
        2023, 46(10): 100402. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100402
        摘要：核脉冲信号的数字余弦函数（cos）成形，因成形简单、可操作性强和灵活性高等优势被用于核脉冲信号的数字成形处理中。本文从单指数衰减脉冲信号和cos脉冲信号的数学模型出发，推导了对称cos成形、零面积cos成形与对称零面积cos成形三种成形方法在Z域中的传递函数和级联公式，分析了成形参数对数字cos成形结果的影响。针对仿真核信号和实际采样核信号，分别实现了三种数字cos成形；基于现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）系统，实现了核信号的数字cos成形、幅度提取、能谱构建等功能。通过对137Cs（NaI（Tl）探测器）γ能谱的测试，结果表明三种数字cos成形方法在能量分辨率和计数方面均表现良好，且对称零面积cos成形性能指标更为优异，具有较大的应用前景。  
        关键词：数字cos成形;数字核脉冲信号;能量分辨率   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在微通道板皮料玻璃配方基础上，研制出性能优异的单螺旋通道电子倍增器，模拟增益和脉冲增益分别达到1×10^4~1×10^6和1×10^7~1×10^8，性能接近国外同类器件。”
        张斌婷,刘术林,闫保军,韦雯露,彭华兴
        2023, 46(10): 100403. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100403
        摘要：在现有的微通道板皮料玻璃配方的基础上，经过一系列的制作工艺设计和改进，最终制作出了具有合适性能的单螺旋通道的通道电子倍增器；之后搭建了以盘香型钽灯丝作为输入电流的通道电子倍增器（Channel Electron Multiplier，CEM）模拟模式测试装置和以紫外发光二极管结合金阴极作为输入信号的CEM脉冲计数模式测试装置，对该器件的综合性能参数进行全面的测试与评价；测试结果表明：本实验室自行研制的单螺旋通道的通道电子倍增器的模拟增益和脉冲增益分别为1×104~1×106和1×107~1×108，增益值随着工作电压的升高而增加，输出脉冲的上升时间为2~3 ns，性能接近国外同行的同类器件。  
        关键词：通道电子倍增器;增益;模拟模式;脉冲计数模式   
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        发布时间：2024-10-25

        核物理、交叉学科研究

      • “在核用超细粉末材料制备领域，直流-射频混合等离子体具有高温、高化学活性等特点，研究其特性可为等离子体发生器装置设计及稳定运行提供参考。通过模拟分析，合理调节工作参数可改变混合等离子体流场分布，满足不同材料处理需求。”
        陈文波,李自军,陈伦江,冯军,阳璞琼
        2023, 46(10): 100501. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100501
        摘要：直流-射频（Direct Current-Radio Frequency，DC-RF）混合等离子体具有高温、高化学活性等特点，在核用超细粉末材料制备领域有着广阔的应用前景。对这种混合等离子体的特性进行研究，可以为等离子体发生器装置的设计及稳定运行提供参考。本文采用k-ε湍流模型，对DC-RF混合等离子体发生器内的热等离子体的温度及流场空间分布进行模拟，并在此基础上分析了各工作参数对混合等离子体流动及传热特性的影响。模拟结果表明：提高DC弧电流、增大反应气及冷却气流量均能减弱混合等离子体发生器入口处的回流效应；提升RF线圈电流则能增加RF线圈附近的等离子体温度及高温弧区面积，但过大的气流量及过高的线圈电流会对发生器装置的正常工作产生不利影响。因此，需要合理调节各种工作参数来改变混合等离子体的流场分布，从而在保证装置稳定运行的前提下满足不同材料处理的需求。  
        关键词：直流-射频混合等离子体;湍流模型;温度;流场;数值模拟   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在密度测井领域，研究人员利用蒙特卡罗方法研究了X射线源密度测井仪器的探测深度特性，发现其探测深度随源距增加而变大，与137Cs源测井仪存在探测深度差异。同时，研究了井壁泥饼对密度测井响应的影响。”
        王虎,刘睿,岳爱忠,于华伟,张晓蕾,杨争春,祝倩,郭智强
        2023, 46(10): 100502. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100502
        摘要：密度测井中使用可控X射线源替代137Cs放射源已经成为新的趋势。X射线源强度受靶基上高压影响较大，当高压为350 kV时密度测量不确定度可以保持在0.01 g∙cm-3。为探究350 kV高压X射线密度测井仪器的探测深度特性及影响，利用蒙特卡罗方法研究了不同源距探测器在20%含水石灰岩地层中的探测深度；并且通过与137Cs源密度测井仪探测特性的对比，分析了二者探测深度差异的原因。另外通过模拟分析了泥饼和地层对探测器的贡献度以及不同探测器的密度偏差，研究了井壁泥饼对密度测井响应的影响。研究结果表明：X射线密度测井仪的探测深度随着源距的增加而变大；与137Cs源密度测井仪相比，X射线密度测井仪散射粒子主要集中于井壁1~3 cm处，从而造成二者探测深度差异；此外，泥饼和地层对不同源距探测器的贡献度不同，探测器密度偏差随着源距增加而减小。  
        关键词：X射线;密度测井;蒙特卡罗模拟;探测深度;泥饼影响   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在铅冷快堆领域，专家设计了三种叶顶间隙结构，通过仿真分析，发现倒圆角和倒直角设计能降低高温液态铅铋金属对叶片头部的冲刷磨损。”
        常杰元,黎义斌,马文生,张人会,刘欣,牛腾
        2023, 46(10): 100503. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100503
        摘要：铅冷快堆反应回路中的高温液态铅铋金属会对轴流铅铋泵叶轮叶片头部产生冲刷磨损效应，造成叶片表面保护层破裂从而加快材料腐蚀速率。为了降低高温液态金属对叶片表面的冲刷磨损效应，设计平面、倒直角和倒圆角的三种叶顶间隙结构，并通过缩比换算方法验证仿真结果的可靠性，继而采用ANSYS CFX流体动力学软件分析了不同叶顶间隙结构下的流速、剪切力、流态随冲刷磨损特性变化规律，并利用壁面熵产率方法分析了高温液态铅铋金属在材料表面的能量损耗。结果表明：标准工况下倒直角模型的扬程和效率较平面分别降低了1.02%和0.64%，倒圆角模型扬程降低了0.51%，而效率提升了0.51%。叶轮内冲刷磨损效应主要发生在叶片轮缘进口边附近，倒直角和倒圆角设计可以通过降低叶顶间隙的流速和改善流态的途径减小叶片表面机械能损耗，从而降低该位置的冲刷磨损效应。因此倒圆角设计和倒直角设计能够改善高温液态铅铋金属对叶片头部冲刷磨损的影响。  
        关键词：轴流铅铋泵;叶顶间隙;冲刷磨损;数值模拟   
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        发布时间：2024-10-25

        核能科学与工程

      • EAST装置TF馈线新阈值热稳定性分析 封面论文 增强出版 AI导读

        “EAST馈线系统提升出口温度阈值至6.5 K，确保超导导体运行安全。”
        谢杰,奚维斌,郑金星,陈子鸣,杜双松
        2023, 46(10): 100601. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100601
        摘要：EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）馈线系统连接超导磁体和高温超导电流引线，为磁体提供馈电通道和失超情况下能量的释放通道，是装置的一个重要部分。近年来，由于纵场（Toroidal Field，TF）馈线系统进口温度升高，出口温度有时超出阈值6.1 K，导致实验终止。为保障EAST实验的继续进行，将TF馈线的出口温度阈值提升至6.5 K。为确定新阈值下超导导体运行安全，通过GANDALF软件对超导导体运行时的温度裕度和稳定性能量裕度进行计算。计算结果表明：在新阈值下，导体的温度裕度大于1.5 K，稳定性裕度大于200 mJ·cm-3。提升阈值后超导导体依旧运行安全。  
        关键词：馈线;超导导体;温度阈值;温度裕度;稳定性能量裕度   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核电领域，专家提出了基于伯努利方程的一回路冷却剂流量测量计算方法，为精准测量提供示范思路。”
        罗慧
        2023, 46(10): 100602. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100602
        摘要：压水堆一回路冷却剂流量是防止偏离泡核沸腾的重要参数。三代先进非能动（Advanced Passive，AP）技术核电机组采用低泄漏堆芯装料模式，因堆芯出口温度温差梯度加大，导致量热平衡法流量测量计算的不确定度增加。为了保证核电机组一回路冷却剂流量精准测量，验证其满足设计与监管要求，提出了以伯努利方程为基础模型的系统化测量计算方法。在调试不同阶段，分别执行一回路主设备压差测量、冷热段弯管流量计压差测量；在首次50%、75%、90%、100%的功率平台，进行量热平衡试验计算。通过热试和满功率阶段的实体工艺流体测量值，对冷热管的弯管流量系数进行计算标定。围绕不确定度最小化，权重计算一回路冷却剂总体积流量。本方法测量计算的一回路冷却剂流量值相对误差小于4%，装料后总流量介于最佳预期流量的95.8%~104%之间；NAPs计算体积流量值不确定度低于1.9%，该方法为其他机型冷却剂流量的精准测量提供了一种示范思路。  
        关键词：流量测量;弯管流量系数;权重因子;不确定度   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在反应堆活化腐蚀产物源项分析领域，专家建立了反冲释放计算模型，为分析活化腐蚀产物迁移提供解决方案。”
        谭琳,张竞宇,赵晓泽,肖懿鑫,王娟娟,于虓,倪王慕鸿
        2023, 46(10): 100603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100603
        摘要：中子与靶核碰撞时引起的靶核反冲释放，对于反应堆活化腐蚀产物源项分析有非常重要的影响。对于使用水冷方式的反应堆，在辐照区反冲释放可使活化腐蚀产物离开壁面进入到冷却剂中，并随冷却剂迁移到非辐照区，使非辐照区的设备也带有放射性。本文研究了反冲释放在反应堆内的作用方式，建立了反冲释放的计算模型和程序模块，并集成到活化腐蚀产物源项分析程序CATE中，利用改进后的CATE程序，计算分析了堆芯与蒸汽发生器中主要的活化腐蚀产物核素58Co与60Co在考虑反冲释放前后的数值，明确了反冲释放效应的影响程度。计算结果表明：考虑反冲释放前后堆芯处58Co与60Co活度的比值有所下降，而在蒸汽发生器中的比值则有所上升；反冲释放的总作用概率与腐蚀产物层厚度相关，会随着反应堆的运行而逐渐降低，反应堆运行初期作用概率的数量级在10-1，对活化腐蚀产物的迁移有显著影响，100 d后作用概率的数量级下降到10-3，对活化腐蚀产物源项的影响较小。  
        关键词：水冷堆;活化腐蚀产物;反冲释放;CATE程序;计算模拟   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在聚变堆安全领域，专家通过Ansys Workbench分析了粗糙基底对W/316L不锈钢系统中热应力分布的影响，为高结合强度涂层系统研发提供参考。”
        刘泽,冷青松,唐琳,王健,张亚飞,曹智,孙付春
        2023, 46(10): 100604. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100604
        摘要：第一壁系统中热应力的大小是决定聚变堆安全运行的关键因素之一。本文通过Ansys Workbench有限元软件，对具有粗糙基底的W/316L不锈钢系统中的热应力分布，以及影响热应力大小的诸如温度、涂层厚度、基底厚度等因素进行了深入分析。同时从系统中交界面剪切应力入手，研究了粗糙基底对涂层结合强度的影响。结果表明：粗糙基底系统中热应力随着温度、基底厚度的增加而增加，随着涂层厚度的增加而降低。除此之外，粗糙基底提升了系统中热应力的极值，在一定程度上提高了涂层与基底的结合强度。研究结果为后期高结合强度第一壁涂层系统的研发提供了一定的参考价值。  
        关键词：W/316L不锈钢第一壁系统;粗糙基底;热应力   
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        发布时间：2024-10-25
      • “最新研究利用溶胶凝胶法制备锆基惰性基质燃料，有效转化钚和长寿命次锕系核素，防止核武器扩散，提高乏燃料管理能力。”
        黄鹤,王鹏,严超,于小河,曹长青,林俊,朱智勇
        2023, 46(10): 100605. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100605
        摘要：惰性基质燃料（Inert Matrix Fuel，IMF）可有效转化钚和长寿命次锕系核素，可以防止核武器扩散和提高乏燃料管理能力，是近年来的一个研究热点。溶胶凝胶法具有产品元素分布均匀、湿法操作流程不易产生放射性粉尘等优点，因此，在研究中被用于制备锆基IMF。采用外胶凝工艺制备ThxZr1-xO2惰性基质燃料，以溶黏度为主要的胶凝指征，研究了不同金属离子浓度、不同温度下溶胶黏度随c（NH4+）/c（NO3-）的变化规律，归纳了不同工艺参数条件下的溶胶胶凝行为类型，绘制了胶凝化场图，可为成功制备相应的凝胶湿球提供量化依据。采用X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）研究了经过不同温度热处理之后的核芯结构，结果表明：经过1 350 ℃烧结退火后的微球生成了两相金属氧化物相，ZrO2在氧化钍基底中未生成固溶体，X射线成像结果表明，微球具有良好的球形度且内部没有裂纹。扫描式电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和能量弥散X射线谱（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）结果表明，微球内部孔洞致密且元素分布达到分子级均匀。  
        关键词：钍基;惰性基质燃料;胶凝行为;微结构;外胶凝;混合氧化物燃料   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在铅铋反应堆领域，专家提出填充镓基石墨烯纳米流体的双层换热管设计，有效提升传热性能，降低管破裂风险。”
        杨俊康,王凯,赵鹏程,王桂梅
        2023, 46(10): 100606. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100606
        摘要：双层换热管的设计可以有效降低换热管破裂事故的发生概率，但管间接触热阻会导致换热管传热效率降低，不利于铅铋反应堆一回路系统热量的顺利导出，因此需要优化双层换热管的设计。本文以铅铋反应堆双层换热管式主热交换器为研究对象，提出在双层换热管间隙中填充镓基石墨烯纳米流体作为热界面材料，分析换热管长度、壁厚、外径和间距对传热性能的影响规律，并与未填充热界面材料的双层换热管式主热交换器传热性能进行对比分析；分别以JF因子和成本效率比（Cost-effectiveness Ratio，CER）为优化目标，以上述4种参数为优化变量，采用遗传算法对主换热器传热性能进行优化和综合评估，得到一种铅铋反应堆新型双层换热管式主热交换器设计方案。优化后的主换热器总传热系数增加5.79%，一回路压降提升2.32%，JF因子提升5%，CER因子提升24.62%。结果表明：在双层换热管间隙中填充镓基石墨烯纳米流体可以在降低蒸汽发生器管破裂事故概率的前提下，有效提高双层管换交换器的传热性能。  
        关键词：镓基石墨烯纳米流体;热界面材料;双层换热管;铅铋反应堆;优化设计   
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        发布时间：2024-10-25
      • “西安交通大学核安全与运行研究室利用膜态沸腾实验平台，对5×5均匀加热棒束底部再淹没实验进行研究，探究了不同实验条件对骤冷前沿推进速度的影响，为再淹没过程的流动传热预测模型提供新的验证数据。”
        刘伟华,吴攀,冯民,汤霆辉,单建强,桂淼
        2023, 46(10): 100607. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.100607
        摘要：核反应堆安全分析中的冷却剂丧失事故（Loss of Coolant Accident，LOCA）是反应堆安全的重要研究对象之一，LOCA事故中的再淹没阶段棒束通道内的热工水力行为是其中一个十分关键的问题。利用西安交通大学核安全与运行研究室的膜态沸腾实验平台，本文开展了对5×5均匀加热棒束开展了底部再淹没实验研究。通过求解一维瞬态逆导热问题获得再淹没过程中加热棒束的表面参数，探究了不同实验条件对骤冷前沿推进速度的影响，使用热工安全分析程序RELAP5对实验结果进行对比计算，总结了其在模拟再淹没过程中存在的问题。结果表明：1）再淹没过程中高进口流量、高入口过冷度和低功率密度更有利于骤冷前沿的推进；2）RELAP5模拟的骤冷时间总均方根误差40.994 s；包壳峰值温度（Peak Cladding Temperature，PCT）总均方根误差61.465 K。模拟值在后临界热流密度（Critical Heat Flux，CHF）换热阶段与实验值相比误差较大，问题主要集中在沸腾模式判断和膜态沸腾换热模型上。本文中的实验数据可为再淹没过程的流动传热预测模型提供新的验证数据，也可用于评价和优化热工安全分析程序。  
        关键词：底部再淹没实验;棒束通道;逆导热问题;膜态沸腾;热工安全分析程序   
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