Details

Объектом исследования является гетерогенный формирователь поля тепловых нейтронов для конвейерного анализатора элементного состава промышленного сырья на базе импульсного нейтронного генератора ИНГ-60 с энергией нейтронов 14,1 МэВ. Цель работы - оптимизация параметров формирователя поля тепловых нейтронов методом математического моделирования в программном комплексе GEANT4, а также независимая верификация полученных результатов по данным, ранее полученным методом MCNP5. В процессе работы методом Монте-Карло в среде GEANT4 (версия 11.4.1, физический лист QGSP_BERT_HP, модель теплового рассеяния S(α, β)) разработана расчётная модель формирователя с анизотропным источником нейтронов. Выполнена поэтапная оптимизация: выбор материала замедлителя и его толщины, выбор материала размножителя, оптимизация соотношения толщин гетерогенного ядра и исследование характеристик внешнего графитового отражателя. В качестве критерия оптимизации использована эффективность термализации kth = Φth / Φf. В результате независимого GEANT4-моделирования качественно подтверждены основные закономерности, установленные ранее методом MCNP5. Наиболее эффективным замедлителем является полиэтилен,превосходящий воду и графит во всём исследованном диапазоне толщин. Введение свинцового размножителя в составе гетерогенного ядра повышает эффективность термализации kth по сравнению с гомогенным замедлителем той же суммарной толщины, а оптимум достигается при тонком слое свинца. Свинец, висмут и железо показали близкую эффективность в качестве размножителя, что подтверждает выбор свинца по практическим соображениям (доступность, технологичность, радиационная защита). Внешний графитовый отражатель толщиной 20 см дополнительно увеличивает kth приблизительно в два раза. Абсолютные значения и величина отдельных эффектов отличаются от данных MCNP5 вследствие различий в геометрии расчётной модели и способе регистрации потока. Область применения результатов - проектирование промышленных образцов нейтронных анализаторов элементного состава вещества. Подтверждение применимости открытого кода GEANT4 для качественного анализа формирователей данного класса снижает зависимость от лицензируемых программных средств.

The object of the study is a heterogeneous thermal-neutron field shaper for a conveyor analyzer of the elemental composition of industrial raw materials, based on a pulsed neutron generator ING-60 (neutron energy 14.1 MeV). The aim of the work is the optimization of the shaper parameters by means of 5 mathematical modeling in the GEANT4 toolkit, together with an independent verification of the results against data previously obtained with the MCNP5 code. A computational model of the shaper with an anisotropic neutron source was developed in GEANT4 (version 11.4.1, physics list QGSP_BERT_HP, S(α, β) thermal scattering model). A step-by-step optimization was carried out: selection of the moderator material and its thickness, selection of the multiplier material, optimization of the layer-thickness ratio of the heterogeneous core, and investigation of the external graphite reflector. The thermalization efficiency kth = Φth / Φf was used as the optimization criterion. Independent GEANT4 modelling qualitatively confirms the main trends previously established with the MCNP5 code. Polyethylene is the most effective moderator, outperforming water and graphite over the whole studied range of thicknesses. Introducing a lead multiplier into the heterogeneous core increases thethermalization efficiency kth relative to a homogeneous moderator of the same total thickness, the optimum being reached at a thin lead layer. Lead, bismuth and iron showed comparable performance as a multiplier, which supports the choice of lead on practical grounds (availability, manufacturability, radiation shielding). An external graphite reflector 20 cm thick additionally increases kth by approximately a factor of two. The absolute values and the magnitude of individual effects differ from the MCNP5 data owing to differences in the model geometry and the flux scoring method. The results can be applied to the design of industrial neutron analyzers of elemental composition.