核反应堆屏蔽层.pdf

一 问题重述问题重述核反应堆屏蔽层是用一定厚度的铅把反应堆四周包围起来，用以阻档或减弱反应堆发出的各种射线。在各种射线中，中子对人体伤害极大，因此，屏蔽设计，主要是了解中子穿透屏蔽的百分比(或概率)，这对反应堆的安全运行是至关重要的。首先考虑一个中子进入屏蔽层后运动的物理过程：中子以初速度v0和方向角射入屏蔽层内，运动一段距离后，在x0处与铅核碰撞之后，中子获得新的速度及方向(v1,1)，再运动一段距离后，与铅核第二次碰撞，并获得新的状态(v2,2)等等，经若干次碰撞后，发生以下情况之一则终止运动过程：(1)弹回反应堆；(2)穿诱屏蔽层；(3)第 i 次碰撞后，中子被屏蔽层吸收。要求用数学建模方法解决中子穿透屏蔽层百分比问题，并对如何防护穿透屏蔽层的中子提出自己的建议。本文需解决的问题有：本文需解决的问题有：1.假设屏蔽层 D=3d，在大数定理的意义下，中子穿透屏蔽层的百分比多少2.在实际应用中，要求中子穿诱屏蔽层的概率极小，数量级为1061010，即穿入屏蔽层的中子若为几百万个，也只能有几个中子穿过屏蔽层。问题是多厚的屏蔽层才能使它被穿的概率小于1063.根据上述估计，并查阅相关文献，尝试为日本福岛核泄漏事件的核危机善后工作提出约 2000 字的建议。二二 问题分析问题分析此题研究的是中子穿透核反应堆屏蔽层的问题。一般情况下核反应堆是一个圆柱型建筑，屏蔽层里面充满介质，以防护放射性物质泄漏。在本题中我们认为防护层里面均匀分布着的介质只有一种物质，也就是铅层。而且把问题简化为中子穿透的是理想的铅制平板。中子在屏蔽层的运动到有明显的随机性，所以种子的运动过程是一个随机过程。中子的运动规律是根据大量中子的运动状况总结出来的，是一种统计规律。蒙特卡罗模拟，实际上就是模拟相当数量的粒子在介质中的运动状况，是粒子的统计规律得以重现。不过，这种模拟是利用随机数实现的。对于问题一：为了求得在大数定理意义下，中子穿透屏蔽层的百分比，在这里我们采用蒙特卡洛方法来解决此问题，在模拟的过程中，主要是分析中子在任意两相邻碰撞时刻的位置 旋转角度及能量的变化，首先确定中子的初始状态，及分析中子下一次碰撞点的位置服从指数分布，其平均值为d，这样可以根据位移与屏蔽层 D 的大小关系判断中子是被弹回吸收和继续发生碰撞；然后确定碰撞类型，若为弹性碰撞且碰撞次数没有超过10 次则继续下一次的碰撞，超过10次则直接被吸收，最后确定碰撞后的能量与运动方向，从而可得到一个中子的随机游动的序列参数。在借助计算机程序进行仿真模拟之前我们还可对中子的透射率进行估计。对于问题二：为了求得多厚的屏蔽层才能使它被穿的概率小于106，要求们考虑到实际情况在穿透率已知的情况下求解屏蔽层的厚度。我们可以考虑在问题一的基础上来解决此问题。我们考虑到实际情况，要求透率小于106时，求解铅屏蔽墙的厚度。由于每次碰撞中子的速度都会将低，从而引起能量的减小，从问题一中我们可得在大数定理下通过大量模拟实验，中子的对屏蔽层D的穿透量趋向一稳定的值，即为我们所要求的概率值，在这里我们可将中子穿过厚度为D的屏蔽层看做一次独立事件，假设所要求的屏蔽墙的厚度记为mD，通过计算多个独立事件同时发生的概率便可以求出m的值，进而可求出屏蔽层的厚度。三三 模型假设模型假设1.假设中子在两次碰撞之间按直线运动而且粒子之间无相互作用。2.假设屏蔽层是理想均匀的平板。3.假设离子间的碰撞是弹性的。4.假设中子在屏蔽层内相继两次碰撞之间游动的距离服从指数分布，d 为两次碰撞之间中子的平均游动距离。5.假设在第 10 次碰撞后，中子速度下降到某一很小的数值而终止运动(被吸收)。四四 参数设置及说明参数设置及说明符号符号说明中子被第m个铅原子的反弹截面中子被第m个铅原子的吸收截面单位体积铅原子的数量中子的第m次碰撞中子第m次碰撞后的能量中子第m次碰撞后的位置smEmmEmamxmEmsmm中子第m次碰撞散射角A是铅原子核质量与中子质量之比质心系散射角cp中子穿透铅层的概率方位角五五 模型建立及求解模型建立及求解5.15.1在大数定理的意义下，中子穿透屏蔽层的百分比在大数定理的意义下，中子穿透屏蔽层的百分比用蒙特卡洛法模拟中子在铅层的运动情况用蒙特卡洛法模拟中子在铅层的运动情况蒙特卡洛法是基于粒子输运过程的随机统计特性的考虑，我们认为物理上的可观测量就是大量粒子的行为共同贡献的统计结果。因此，该方法就是考虑一个一个粒子的传输，模拟它们在物质中随机运动的历史，记录其在运动中对感兴趣的物理模拟量的贡献。在对单个粒子运动历史进行大量的重复模拟之后，我们就可以对物理模拟量进行统计平均，得到所需要的物理结果。中子与铅层作用后，一部分会被吸收，另一部分经过多次反弹后会穿透铅层弹射出去。中子与铅层作用后可能会产生次级粒子，我们不考虑这些次级粒子的迁移。如果中子和铅层中第m个铅原子作用的全截面为mEmtmEm=smEmamEm分别表示中子被第m个铅原子的反弹和吸收截面。smEm和a如果单位体积铅原子的数量记为m，则中子作用在单位体积内第m个铅原子上的总截面为EmtmtmEm假如材料中有多种元素，该中子与材料作用的总截面为:tEEmmt在本文中，铅是屏蔽层中的唯一元素，假定中子与某一个铅原子反弹后的角分布表示为dE/d，当散射角分布对方位角是各向同性时，方位角可被积掉，得到微分反弹截面dE/dcos。无论微分截面dE/d或者dE/dcos，我们都可以得到相应的理论公式。设在o点有一个能量为E0的中子垂直入射到铅层中。我们记录这时该中子的状态位形为s0 x0 0,E0,cos01，经过第一次碰撞后反弹到位置s1x1,E1,cos1，再经过第二次碰撞后反弹到位置s2x2,E2,cos2，如此我们依次记下该中子在铅层中运动历史上的位置的轨迹：s0s1 s2 sm或者用 x0E0cos0来表示。x1E1cos1xmEm cosm直到在sm状态，该中子被铅层吸收，射出或弹回，或者在sm处该中子的能量Em低于某一阈值，则程序就停止跟踪。我们假设在第 10 次碰撞后，中子速度下降到某一很小的数值而终止运动(被吸收)，因此中子在铅层中至多碰撞十次。我们用程序具体模拟跟踪中子的运动历程我们用程序具体模拟跟踪中子的运动历程初始位置已经给出，假定为s0 x0 0,E0,cos01。现在要由位置sm1xm1,Em1,cosm1确定下一个状态位形smxm,Em,cosm。我们采用下面的步骤来确定状态si的各个参数：首先确定坐标参数xm。中子到达sm状态点以前，经历过第m1次碰撞后做匀速直线运动。其自由程y满足分布密度函数fyEexp yEmm1tm1我们可以采用直接抽样法得到自由程的抽样值y 则x由下式给出1lntEm11lncosm1tEm1xmxm1 ycosm1xm1确定碰撞的性质是吸收还是反弹。中子与铅原子发生散射的几率为Em1/m1pmsm,sEtm1同样可以采用离散型随机变量的直接法抽取。若抽样结果为吸收，则停止跟踪回到s0状态，开始对下一个中子进行跟踪；若抽样结果为反弹，则进入下一步。确定中子散射角m和能量Em。由于理论上一般给出的是质心系中的分截面公式dEm1/dcosm1，因此我们需要首先按照质心系的微分截面抽取反弹角余弦cosm，cosm满足的分布密度函数为1dEdEm1m1/fcoscdcosm1d cosd coscm理论上，反弹后的中子能量Em由下式计算得到Em21Em11 r1 rcosm2 A1其中r ，A是铅原子核质量与中子质量之比。质心系散射角c可A1以用下面公式换算为对应的实验室系的散射角l。cosl1 Acosc/1 A2 2Acosc再根据下面的球面三角公式，通过实验室系散射角l来确定m。cosicosi1coslsini1sinlcos其中为方位角。由于我们考虑的中子散射过程是各向同性的，方位角是通过抽样 2确定抽样值。用计算机模拟中子在铅层里的运动情况用计算机模拟中子在铅层里的运动情况按照上面的计算步骤，我们就完成了从si1到si状态的跟踪。重复上述中子跟踪计算过程，直到中子在铅层中运动历程的终点。我们分别模拟了 10000 个中子的运动过程，并用 matlab 软件进行编程模拟10000 个中子在铅层的运动情况，为求得稳定数据我们重复了十次实验，得出数据如下表中子被屏蔽层弹碰撞次数回百分比（%）第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次第八次第九次第十次平均百分比（%）百分比（%）中子被屏蔽层吸收中子穿透屏蔽层其中第十次的穿透率与其他值相比偏差太大，我们把它舍去。求得中子穿透铅层百分比的平均值为19p1f1x11.71191其方差为192s f1x p19121为了使我们求得的数据更加接近实际情况，我们再对 20000 个中子进行同样方法的模拟，得到下面数据中子被屏蔽层弹碰撞次数回百分比（%）第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次第八次第九次第十次平均其平均值为110p2f2x101其方差为1102 fx ps 22101通过对两次模拟得出的数据，我们也如下计算公式得出更加接近实际情况22中子被屏蔽层吸收百分比（%）中子穿透屏蔽层百分比（%）的的百分比p 12p1 p2 s12 s22通过对大量中子运动过程的跟踪，我们也很容易求出透射中子的能量和角分布。只要将能量E和极角分成若干个小区间，如：E0E1 E2Emin0 0 12 M/2将透射中子的能量E和极角记入图中对应区间，统计落入各个能量区间或角度区间的中子数，并画出直方图。这样我们就得到相应的反射中子的能量分布或角分布图形。求传透率小于求传透率小于106时，屏蔽墙的厚度时，屏蔽墙的厚度问题二要求我们考虑到实际情况，要求透率小于106时，求解铅屏蔽墙的厚度。由于每次碰撞中子的速度都会将低，从而引起能量的减小，从问题一中我们可得在大数定理下通过大量模拟实验，中子的对屏蔽层D的穿透量趋向一稳定的值，即为我们所要求的概率值，在这里我们可将中子穿过厚度为D的屏蔽层看做一次独立事件，假设所要求的屏蔽墙的厚度记为mD，通过计算多个独立事件同时发生的概率便可以求出m的值，进而可求出屏蔽层的厚度。概率模型的建立设wD是中子穿过厚度为D屏蔽层的概率，则穿过整个屏蔽层的概率 满足W满足：mW WD利用问题一得模拟结果:D 3d,WD12%令WD106m求解m 直接模拟法的优点：模拟过程重复了物理过程的机制，模拟思想朴素、简单。直接模拟法的缺点：当物质层较厚时，透射率会很小，导致误差较大。这个不等式说明权重法的方差小于直接模拟法的方差。