冷中子源(Cold Neutron Source, CNS)是一种安装在大型中子源内部用于改变引出的中子束流能谱和提升低能中子注量率的装置。从20世纪中期第一个冷中子源在英国实验性反应堆^[1]上诞生以来，世界各国多数的研究堆及散裂源上都普遍建造了冷中子源。蛋白质、DNA、高分子等软物质的分子结构尺寸与冷中子的波长相近，利用中子的波动特性可为软物质材料微观结构及缺陷动力学研究提供一种非常有效的手段^[2-5]。

冷中子源中子学计算可以获取冷中子源慢化材料中的冷中子注量率及其能谱、冷中子增益因子、冷中子源外表面正对冷中子孔道内堆水池池壁处与导管入口处的中子参数等信息，计算结果既可用于评估冷中子源装置的性能，也可以作为中子导管及其屏蔽体设计验证计算的输入条件。

冷中子源位于重水箱内^[6]，通过慢化室内的慢化材料与堆芯出射中子的相互作用，将能量较高的热中子慢化为能量较低的冷中子，使出射能谱的中子注量峰值向低能区偏移。慢化室的中心在反应堆堆芯外侧，慢化室为多层环形结构，环形空间内充满了温度为20 K的液氢与低温氦气，通过流动的氦气对液氢进行制冷。CN孔道属于切向孔道，包括重水箱段、水池段、堆体段与闸阀段（图 1），前面三段内充氦气，池壁段的中子导管外侧填充铝镁合金（内部有三个30 mm×200 mm的方孔），中子导管分为三束（C1、C2与C3），三束导管与CN孔道中心线的水平夹角分别为4°、1°与2°。

图 1

图 1 CN水平孔道结构图 Figure 1 Sketch map of CN hole.

在反应堆模型基础上建立了冷中子源慢化室的物理模型（过中心纵向剖视图见图 2）。

图 2

图 2 冷中子源慢化室物理模型剖面图 Figure 2 Physical model cutaway view of CNS moderator chamber.

氢分子中两个氢原子核的自旋方向可以相同或相反，根据原子核自旋的异同氢分子分为正氢分子和仲氢分子。正氢分子的两个氢原子核自旋方向相同，仲氢分子的两个氢原子核自旋方向相反。在冷中子源装置中，由于核辐射等因素影响，稳定运行时液氢内正氢与仲氢的比例约在1:1。正氢、仲氢分子的状态对中子的慢化性能相差较大^[7-8]，图 3为ENDF/B-Ⅶ数据库中正氢与仲氢的中子非弹散射截面，采用群常数制作程序系统NJOY将ENDF数据库中的微观数据库处理成蒙特卡罗(Monte Carlo N particle transport code, MCNP)适用于的数据库^[9]。

图 3

图 3 20 K时正氢与仲氢中子非弹散射截面 Figure 3 Neutron inelastic scattering cross-section of ortho-hydrogen and para-hydrogen at 20 K.

图 4记录中子在冷中子源慢化室内穿透路线上不同点的中子注量率，分别记录热中子(5meV < E < 0.215 eV)与冷中子(E < 5 meV)两种不同能量的中子，由计算结果可以看出热中子注量率随着慢化室内的深度增加而逐渐降低，尤其在两个液氢环带内下降速度较快。而冷中子注量率随穿透深度的变化趋势为先增加后又逐渐降低，先增加的原因是液氢温度比被液氢慢化前的中子温度低很多，因此慢化效果非常明显，而到后半液氢环带因为进入CN水平孔道中的中子只有极少部分能够反射回液氢内，很小的反射率导致冷中子注量率显著下降。

图 4

图 4 CNS慢化室内记录点分布(a)和注量率随深度变化(b) Figure 4 Record points position inside CNS moderator chamber (a) and neutron flux distribution vs. penetration depth (b).

实际上，我们更关心的是从冷中子源内产生并射向CN水平孔道的冷中子注量率及其能谱，因为这些参数是后续计算导管中子传输主要输入条件。

首先计算了进入CN水平孔道的中子束角分布（图 5）、中子能谱与冷中子增益（图 6），这些数据是开展中子导管冷中子传输计算的必要数据。

图 5

图 5 进入CN孔道入口的冷中子束的角分布 Figure 5 Angular distribution of neutron entering CN entry channel.

图 6

图 6 CN孔道入口处中子能谱计算(a)和中子增益(b) Figure 6 Neutron flux distribution at the entrance of CN channel (a) and neutron gain factor by liquid hydrogen (b).

由图 5可以看出，中子进入CN冷中子孔道后的发散角比较大（主要集中在10°-80°），也就是说中子束的准直性还比较差。图 6为冷中子增益计算结果，所谓冷中子增益，是指冷中子源内冷中子注量率的提升，即冷慢化材料中冷中子注量率与暖慢化材料中冷中子注量率的比值。暖慢化材料是指常温下的慢化介质，且计算时要求常温介质具有与低温介质相接近的中子散射特性，所以在以液氢为冷介质的冷中子源系统情况下，暖慢化材料可以简单地使用相同体积的轻水，在计算中液氢内正氢与仲氢比例按照1:1处理。由图 6(a)可以看出，在低能区域（即长波长）中子能谱具有很大的差异，且随着中子波长的增加，增益因子呈上升的趋势（图 6(b)）。

中子导管入口的中子注量率、中子能谱与空间分布是进一步开展中子导管输运与屏蔽计算的主要输入参数，中子束流穿过CN孔道内中子导管入口前面长60 cm开槽（无超镜材料）铝镁合金后，到达三束中子导管入口界面上中子注量率空间分布不再均匀（图 7(a)），但中子束经过CN孔道与开槽镁铝合金准直后，大角度发散的中子基本已被吸收或散射，绝大多数(> 82%)都集中到10°以内（图 7(b)），中子束具有很好的准直性，C1、C2、C3中子导管入口的平均中子注量率分别为5.01×10¹⁰cm^-2∙s^-1、4.87×10¹⁰cm^-2∙s^-1、4.65×10¹⁰cm^-2∙s^-1。

图 7

图 7 导管入口中子空间分布(a)与角分布(b) Figure 7 Neutron spatial distribution (a) and angular distribution (b) at neutron guide entry.

通过建立冷中子源慢化室模型，制作了液氢材料正氢与仲氢MCNP数据截面库，在稳定运行模式下（正氢与仲氢1:1）冷中子(λ > 0.2 nm)的增益均大于1，且随着中子波长的增加增益获得显著提高；分析了CN孔道入口与中子导管入口处中子物理参数，发现经限束后中子导管入口的中子束准直性极大改善；三束中子导管入口的中子强度相差在10%以内。