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《核技术》2021年12期目次

2021-12-21 16:35     来源:核技术     核技术


图1.核技术12期封面


同步辐射技术及应用

题目:针铁矿和赤铁矿吸附As(V)的EXAFS研究

作者:杨旺, 林金如, 姚慧, PanYuanming, HerediaEmilio, ChernikovRoman, 张丹妮, 王少锋, 贾永锋

第一作者单位:沈阳化工大学 应用化学学院

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120101

关键词: As(V); 针铁矿; 赤铁矿; X射线吸收精细结构光谱; 吸附

摘要

砷是一种有毒污染物,其在铁氧化物表面的吸附是影响其迁移转化行为的重要因素。针铁矿和赤铁矿是自然界中广泛存在的稳定氧化铁矿物,它们具有粒径小、比表面积大、活性基团多等特性,可用做吸附剂。在不同pH和不同铁砷摩尔比的实验条件下,用针铁矿和赤铁矿吸附五价砷As(V),结果表明:实验所用的两种吸附剂均呈现吸附量随铁砷摩尔比升高而降低的现象,而在酸性pH条件下的砷吸附量均大于其在碱性pH条件下的吸附量;在相同的实验条件下,针铁矿对砷的吸附量要大于赤铁矿对砷的吸附量。进一步通过扩展X射线吸收精细结构光谱(Extended X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy,EXAFS)观测砷在针铁矿和赤铁矿上吸附后形成的络合物的分子结构,结果显示:砷与针铁矿和赤铁矿中的铁氧八面体之间的配位数均接近1,不同样品中As-Fe键的长度范围为3.29~3.31 Å,表明As(V)在针铁矿和赤铁矿表面吸附后主要形成单齿单核络合物,且该结构与吸附pH和铁砷摩尔比无关。
 

题目:基于NSGA-II的晶体学光束线多目标自动优化

作者: 张丁,吴盈锋,何迎花,刘科,汪启胜,何建华

第一作者单位:中国科学院上海应用物理研究所

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120102

关键词: 生物大分子晶体学; NSGA-II; 多目标优化; Pareto最优解集

摘要

由光束线状态决定的光束质量很大程度上影响着生物大分子晶体学的实验结果,目前上海光源晶体学线站的调光工作是由线站工作人员手动完成,费时费力。上海光源衍射线站采用差分进化算法实现了光束线样品点处光通量的单目标自动优化,但该方案仍然存在一定的局限性。为了进一步完善光束线自动优化方案和提高实验用户的束线机时使用效率,使用Python语言设计开发了基于带精英策略的非支配排序的遗传算法(Non Dominated Sorting Genetic Algorithm -II,NSGA-II)的多目标优化程序,实现了线站调光自动化技术升级。将该技术应用于上海光源BL10U2线站,以其次级光源点的光束位置和光通量为优化目标,可获得Pareto最优解集,并能从解集中根据实验需要自主选取合适的解。测试结果表明:相较于上海光源已有的自动优化方案,该多目标自动优化程序保证了光束线光束位置和光通量优化在30 min以内完成,进一步提高光束线自动优化效率和水平。
 

加速器技术、射线技术及应用

题目:多GPU异构模型实现放射治疗中卷积/积分算法的快速计算

作者: 赖佳路,宋莹,周莉,白雪,侯氢

第一作者单位: 四川大学 华西医院放疗科

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120201

关键词: 卷积/积分算法; 多GPU; 剂量计算

摘要

卷积/积分(Convolution/Superposition,CS)算法是精度仅次于蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)的光子线剂量计算算法。该算法的计算速度远远快于蒙特卡罗算法,但仍不能完全满足临床放射治疗要求。借助单颗图形显卡GPU(Tesla C1060)对CS算法进行加速后,与传统的CPU串行计算相比,计算速度可以提高60倍,单野计算时间达到1 min左右,能适用于简单的三维适形计划(3DCRT),但无法满足调强放射治疗计划(Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT)的速度要求。本文通过设计“CPU+多GPU”异构模型加速方案,探讨使用不同GPU个数的加速情况。结果表明:CS算法加速倍数与GPU使用个数并非呈线性关系,通过合理选择GPU的使用数量和程序代码优化可达到相关计算的速度要求;基于中高端的Tesla C2015 GPU,采用“CPU+7个GPU”模型的CS算法,单野计算时间缩减到9 s,与单用CPU相比能提高207倍,可满足临床调强计划设计要求。


题目:BNCT水冷调谐控制系统设计与实现

作者: 梁绍兴,黄金书,叶凡,姜金鑫,欧阳华甫

第一作者单位: 散裂中子源科学中心

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120202

关键词: BNCT实验装置; RFQ加速腔; 水冷调谐控制系统

摘要

硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)实验装置中射频四极场(Radio Frequency Quadrupole Field,RFQ)加速腔具有选频特性,水冷调谐是调节RFQ加速腔固有谐振频率使之与高频功率的工作频率一致的过程。恒流量工艺循环水冷系统中,去离子水的温度是影响RFQ固有谐振频率的敏感因素,水冷调谐需要保证恒温控制精度达到目标值的±0.1 °C以内。基于恒流量工艺循环水冷系统,利用数字高精度温度传感器和高精度升降温执行器等关键设备,设计了一种水冷调谐控制系统,实现了高精度的恒温控制,为RFQ腔壁和腔翼提供了恒温恒流量的冷却水路,使得RFQ加速腔的固有谐振频率稳定可调,从而实现RFQ谐振。目前,该系统已完成开发和调试,并投入正式运行。BNCT水冷调谐控制系统是一套集自动控制、过程可视化、数据采集、历史储存和远程监控等功能于一体的完整系统。

 

核化学、放射化学、放射性药物和核医学

题目:223Ra对去势抵抗性前列腺癌骨转移疗效的核医学评估研究进展

作者: 楼菁菁,李童童,刘兴党,张宏

第一作者单位: 浙江大学医学院附属第二医院 核医学科

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120301

关键词: 氯化镭(223Ra); 去势抵抗性前列腺癌; 单光子发射计算机断层成像术; 正电子发射断层成像术

摘要

2020年氯化镭(223Ra)注射液(多菲戈®)获中国国家食品药品监督管理总局(China Food and Drug Administration,CFDA)批准用于治疗伴症状性骨转移,且无已知内脏转移的去势抵抗性前列腺癌(Castration‑resistant Prostate Cancer and bone metastases,mCRPC)患者,它是目前世界上第一个应用于mCRPC患者的α粒子靶向放射活性治疗药物。近年来,国外应用核医学技术评估223Ra治疗mCRPC患者的疗效已经十分普遍,国内仅少数医院刚进入临床应用阶段。为使该药在国内得到规范使用,现将国内外223Ra治疗mCRPC患者的临床核医学评估技术进行分析评述。

 

核电子学与仪器

题目:闪烁体大动态范围时间响应特性快速分析方法研究

作者: 黄展常,杨建伦,易强,李名加,蒙世坚,梁川,王文川

第一作者单位: 中国工程物理研究院 核物理与化学研究所

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120401

关键词: 时间响应; 动态范围; 闪烁探测器

摘要

国际上,不管是基础核物理研究,还是聚变能源研究,均需要精度越来越高的脉冲辐射探测系统。大动态范围闪烁类脉冲辐射探测系统是在强干扰环境中获取小信号的时间、幅度等细致信息,从而分析研究上述脉冲辐射场特征的关键手段。为满足闪烁体类脉冲辐射探测系统的设计与优化的需求,提出了一种新的大动态范围时间响应特性快速分析方法。快速分析单元主要由门控光电倍增管、门控高压电源和示波器组成。先利用脉冲皮秒激光源检测该方法的本征性能。结果表明:该方法的幅度量程可达5个量级。基于脉冲X光机采用该方法开展了低余辉液体闪烁体的时间响应特性研究,获得了液体闪烁体余辉后沿的变化曲线,时间响应动态范围达到4个量级以上。
 

题目:CSNS多物理谱仪T0信号监测系统设计与实现

作者:严泽,李嘉杰,王小胡,庄建

第一作者单位: 西南科技大学 国防科技学院

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120402

关键词: T0信号; EPICS; Kafka; 监测; 中国散裂中子源

摘要

质子打靶时刻T0作为中国散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source,CSNS)多物理谱仪的初始触发信号,其高准确性和高稳定性是谱仪高效运行的前提和基础。在实验物理和工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)平台上开发了一套CSNS多物理谱仪T0信号触发监测系统。T0信号接入T0扇出器标记高精度时间戳,采用高吞吐量的分布式发布订阅消息系统Kafka来实现大数据流量的削峰和异步通信。监测数据作为过程变量(Process Variable,PV)上传EPICS,利用Open-Falcon监控系统和可视化工具Grafana实现对数据的监测与可视化。该系统可以对T0信号的频率和T0在扇出与传输过程中的时间延迟进行实时监测,从而保证CSNS多物理谱仪的正常运行。
 

题目:用于裂变瞬发中子谱测量的平行板雪崩计数器研制及性能测试

作者: 朱意威,黄翰雄,杨贺润,王学浩,任杰,段利敏,张俊伟,孙琪,阮锡超

第一作者单位: 中国原子能科学研究院 核数据重点实验室

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120403

关键词: 平行板雪崩计数器; 裂变瞬发中子谱; 符合测量; 中子谱; 时间响应

摘要

裂变瞬发中子谱(Prompt Fission Neutron Spectrum,PFNS)是重要的核反应数据,为了测量低于源中子能量的裂变瞬发中子谱,通常是用中子探测器与平行板雪崩计数器(Parallel Plate Avalanche Counters,PPAC)进行符合测量以扣除非裂变事例的影响。针对裂变瞬发中子谱测量的需求,研制了一个由10个单元组成的PPAC。用Maxwell软件模拟了相同尺寸及工作条件下丝状电极电离室和平板电极电离室的电场分布。对该PPAC的结构及其性能测试进行了详细介绍。该PPAC工作于低气压流气模式,每个单元可以独立工作。该PPAC测试的结果为相邻两个PPAC单元之间的时间符合谱半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)为620 ps,PPAC与液体闪烁体探测器的时间符合谱γ峰的半高宽为880 ps。测试结果表明:该PPAC的时间响应快,达到预期指标,适合用于高事例率情况下的时间符合测量。

 

核物理、交叉学科研究

题目:8.0 MeV中子与天然镓作用的弹性散射微分截面实验研究

作者: 王学浩, 黄翰雄, 兰小飞, 阮锡超, 张奇玮, 任杰, 孙琪 , 栾广源, 刘超, 丁琰琰, 王金成, 麻旭, 胡志杰, 郭明伟, 江历阳

第一作者单位: 西华师范大学 物理与天文学院

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120501

关键词: 次级中子; 微分截面; Monte-Carlo方法; 评价数据

摘要

基于镓中子反应截面实验数据的匮乏和评价数据的分歧,利用中国原子能科学研究院串列加速器上的多探测器快中子飞行时间谱仪,开展了8.0 MeV中子与天然镓样品的弹性散射微分截面实验研究。实验测量了21个角度的弹性散射微分截面数据,使用n-p散射作为标准截面进行归一。采用Monte-Carlo方法,对中子在样品中的中子注量率衰减、多次散射及实验的有限几何进行了修正,通过模拟得到次级中子飞行时间谱(Time-of-flight,TOF)与实验测量的TOF谱进行直接比较的方法获得中子与镓作用的弹性散射微分截面。实验测量结果与评价数据的对比分析结果表明:当前几大数据库中,CENDL-3.2数据库的结果更贴近实验测量结果。本实验为8.0 MeV中子能区的首次实验测量,澄清了几个评价库数据之间的分歧,为核数据评价、理论模型改进提供了实验数据支撑。


题目:低能高电荷态氮离子与Cu表面相互作用致K-X射线发射的研究

作者: 刘璇, 宋张勇, 张秉章, 钱程, 方兴, 邵曹杰, 王伟, 刘俊亮, 徐俊奎, 冯勇, 朱志超, 陈林, 郭艳玲, 孙良亭, 杨治虎, 于得洋

第一作者单位: 中国科学院近代物理研究所

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120502

关键词: X射线; 高电荷态离子; X射线产额; 电离截面

摘要

利用中国科学院近代物理研究所的电子回旋共振离子源引出的高电荷态氮离子(Nq+,q=3,5,6),在4.5~120 keV动能范围内系统测量了Nq+(q=3,5,6)与Cu表面碰撞产生的K-X射线能谱;基于原子壳层电离理论计算了K-X射线产额值及其电离截面值。结果表明:Nq+(q=3,5)离子进入靶表面后与Cu原子发生紧密碰撞,在直接库伦电离的作用下发射K-X射线,并且随着入射离子动能的增加,K-X射线产额和K壳层电离截面均单调增大;对于N6+离子,K-X射线产额与其入射动能没有明显的依赖关系,且在Cu表面形成的“空心原子”级联退激产生的K-X射线产额约占其总K-X射线产额的97%。另外,N5+离子入射时的K-X射线产额明显高于N3+离子入射时的产额。本工作对离子与表面相互作用中形成的“空心原子”的退激过程具有重要的参考价值,并为理解“空心原子”的退激过程和彗星X射线机理的研究提供了基础数据。

 

核能科学与工程

题目:棱柱式高温气冷堆堆芯间隙旁流模拟研究

作者: 董建华,汪俊,郭娟娟,张朔婷

第一作者单位: 中国核电工程有限公司

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120601

关键词: 棱柱式高温气冷堆; 间隙旁流; MHTGR-350; 数值模拟

摘要

棱柱式高温气冷堆的堆芯由燃料组件砖块分层、分区垒砌组成,考虑到加工误差以及结构装配,组件之间需要保证一定尺寸的间隙,形成的间隙流道将分流一部分堆芯冷却剂流量,简称间隙旁流。间隙旁流是堆芯结构以及堆内构件设计需要分析的重要因素,为了研究其对于反应堆热工流体性能的影响,采用商用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)程序ANSYS CFX针对MHTGR-350(Modular High-Temperature Gas Reactor 350 MWt)堆型堆芯活性区内流动、传热的复杂现象开展三维数值模拟,通过建立组件砖块、燃料孔道、冷却剂通道以及间隙流道的详细模型,计算得到区域内的流量分配以及温度分布情况。选取关键参数开展敏感性分析,结果显示:进入狭长间隙流道的冷却剂流量主要由堆芯的结构布置以及间隙的尺寸大小决定,间隙越大、旁流占比越大,冷却效率越差,燃料的局部温度越高。同时,在反应堆运行寿期内,间隙尺寸将随着组件形变而发生变化,引起堆内温度分布以及出口温度发生波动,间隙越大引起的波动幅度也越大,不利于堆芯运行的安全性和稳定性。


题目:铅铋基石墨烯纳米流体热物性研究

作者: 杨涛,赵鹏程,赵亚楠,于涛

第一作者单位: 南华大学 核科学技术学院

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120602

关键词: 铅铋堆; 石墨烯纳米流体; 导热系数; 黏度; 比热容

摘要

高热导率的石墨烯纳米颗粒掺进铅铋堆堆冷却剂中可显著提升其导热系数和比热容,从而提高铅铋堆的堆芯功率密度,降低冷却剂用量,有利于实现反应堆小型化和轻量化设计的目的,对于铅铋堆在偏远地区和远海的工程应用具有重要意义。本文通过不同导热系数、黏度、比热容等预测模型对金属基石墨烯纳米流体热物性进行研究,分析纳米流体强化机理,提出适用于铅铋基石墨烯纳米流体的热物性计算模型。研究结果表明:添加石墨烯纳米颗粒的铅铋基,其导热系数、比热容和黏度均得到显著提高。在保证悬浮液相对稳定的情况下,导热系数、比热容和黏度随浓度的添加显著增大,在浓度达到20%时,纳米基液的热导率可以提高80%,但此时的黏度也提升了100%左右,因此在提高浓度的同时应综合考虑对热物性的影响。


题目:1 MWth火星表面热管熔盐堆堆芯初步中子学设计

作者: 胡光,崔德阳,卢林远,李晓晓,陈金根,蔡翔舟

第一作者单位: 中国科学院上海应用物理研究

DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.120603

关键词: 熔盐堆; 高温热管; 控制鼓

摘要

核反应堆由于其能量密度高、功率质量比高和尺寸小等优点,成为未来载人火星探测任务的主要能源供给。为此,结合熔盐堆与高温热管技术,提出了寿期大于5 a的1 MWth火星表面热管熔盐堆(Martian Surface Molten Salt Reactor,(MS)2R)方案。采用MCNP (Monte Carlo N particle Transport Code)和MOBAT开展了(MS)2R的堆芯尺寸和反应性控制的优化设计,给出了堆芯物理设计参数:堆芯的高度和直径分别为90.94 cm和88.94 cm,富集铀装量为146.08 kg,堆本体质量为2.09×103 kg;反应性控制的控制鼓采用厚度1.8 cm、包角120º的B4C(10B含量为90%)中子吸收体。分析结果表明:(MS)2R可实现满功率(1 MWth)运行5 a,并满足堆芯最小化、轻量化的需求;控制鼓布置能够满足反应堆寿期内的临界安全要求,且热管数量能够满足传热安全限值。本研究可为火星表面热管熔盐堆提供设计参考。

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