徐衛(wèi)鋒，沈明啟，羅 鵬，代傳波

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；

2.哈爾濱工程大學(xué) 核能科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展，核電關(guān)鍵儀表國(guó)產(chǎn)化率正逐年上升，其中安全殼卸壓排氣活度監(jiān)測(cè)儀擔(dān)負(fù)著評(píng)估核電廠事故工況下安全殼向大氣中排放放射性氣體活度的重要任務(wù)，其研發(fā)進(jìn)度受到各方關(guān)注。當(dāng)核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故(如堆芯熔化)時(shí)，為防止安全殼超壓破損，需提前釋放出安全殼內(nèi)的高壓氣體。安全殼卸壓排氣監(jiān)測(cè)通道位于過(guò)濾系統(tǒng)之后，安裝在安全殼卸壓排氣總管中。該監(jiān)測(cè)儀主要測(cè)量安全殼卸壓時(shí)向環(huán)境中排放的惰性氣體、氣溶膠、碘及總γ放射性活度，為反應(yīng)堆事故的環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供參數(shù)。

在核電廠卸壓排氣過(guò)程中，排放氣體經(jīng)過(guò)濾系統(tǒng)后最高溫度仍可達(dá)140 ℃左右[1]。主煙囪附近放置探測(cè)裝置處的環(huán)境γ劑量率可達(dá)50 Gy/h(其中主要核素為137Cs和135I)(防城港核電廠一期(2×100 MW)工程)，排放氣體瞬時(shí)比活度波動(dòng)性高，因此難以采用取樣后實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法進(jìn)行評(píng)估。過(guò)濾后卸壓排放氣體中主要放射性核素為惰性氣體，最直接的測(cè)量方法是測(cè)量β放射性核素的活度。由于β射線測(cè)量需與待測(cè)氣體接觸，一般在線監(jiān)測(cè)型β探測(cè)器(如塑料閃爍體探測(cè)器)難以承受高溫工作的環(huán)境，因此直接測(cè)量β放射性難度很高。本文給出一種管道外測(cè)量γ放射性活度來(lái)評(píng)估卸壓排放氣體活度的監(jiān)測(cè)方案，同時(shí)利用MCNP對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 監(jiān)測(cè)方案

當(dāng)核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，安全殼卸壓排氣監(jiān)測(cè)通道投入工作。安全閥打開(kāi)后，放射性氣體從安全殼內(nèi)排出，經(jīng)過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾流進(jìn)監(jiān)測(cè)儀測(cè)量管道，卸壓排放氣體發(fā)出γ射線被監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量，從而獲得待測(cè)氣體活度信息。圖1為安全殼卸壓排氣系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾進(jìn)入測(cè)量管道的安全殼卸壓排放氣體的主要放射性物質(zhì)為惰性氣體、放射性碘和銫[2]。由于131I、134Cs、137Cs核素比較典型且半衰期長(zhǎng)、易形成氣溶膠，經(jīng)呼吸作用或落在蔬菜表面被食入至體內(nèi)造成內(nèi)照射，需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)?？紤]到137Cs測(cè)量時(shí)其峰面積計(jì)數(shù)易受排氣管道內(nèi)132I(特征能量為0.667 MeV)的影響，導(dǎo)致137Cs測(cè)量不準(zhǔn)確，故選擇131I、134Cs為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象；事故時(shí)其排放量分別約為1.6×1017、1.8×1016Bq[3]。因此，在探測(cè)裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)選取131I、134Cs及總γ進(jìn)行模擬計(jì)算。針對(duì)卸壓管道排放氣體的實(shí)際情況，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備研制提出如下要求：探測(cè)器需耐溫140 ℃[1]；能量測(cè)量范圍為0.2～2 MeV；滿足對(duì)131I(3.7×108Bq/m3)、134Cs(3.7×108Bq/m3)和總γ(4.0×1010Bq/m3)的最小可探測(cè)活度濃度。

圖1 安全殼卸壓排氣系統(tǒng)

碘化鈉探測(cè)器由于其功耗低[4]、耐溫性優(yōu)良(可達(dá)150 ℃以上)[5-6]、對(duì)γ射線能量沉積好，在γ射線測(cè)量中扮演著重要角色[7]。本次設(shè)計(jì)方案采用耐高溫型NaI(Tl)閃爍體探測(cè)器作為探測(cè)元件。同時(shí)在閃爍體中內(nèi)嵌241Am參考穩(wěn)峰源[8]以解決因溫度變化造成的峰位漂移問(wèn)題。

測(cè)量方案示于圖2。其中：1) 探測(cè)裝置用于將來(lái)自測(cè)量管道的γ射線轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，它由定期檢驗(yàn)源控制裝置(檢測(cè)探測(cè)器能否正常工作)、2只NaI(Tl)閃爍探測(cè)器(1只用作測(cè)量，1只用作本底扣除)、探測(cè)器鉛屏蔽體(圖中灰色部分)以及帶有準(zhǔn)直孔的測(cè)量套筒組成；2) 數(shù)據(jù)處理單元用于將探測(cè)裝置的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)脈沖，進(jìn)行處理和計(jì)算，顯示測(cè)量結(jié)果，其中內(nèi)嵌的低壓模塊和高壓模塊分別為探測(cè)器前置放大器及光電倍增管提供工作所需的低壓和高壓電源；3) 接線盒用于現(xiàn)場(chǎng)部件與處理機(jī)柜之間的電纜連接，并能在現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)監(jiān)測(cè)通道源檢裝置；4) 遠(yuǎn)程信息處理機(jī)柜用于對(duì)測(cè)量箱輸出的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，計(jì)算、顯示、儲(chǔ)存和打印測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行監(jiān)測(cè)道啟動(dòng)、源檢控制和設(shè)置監(jiān)測(cè)道參數(shù)。

圖2 測(cè)量方案

1.2 屏蔽方案

事故狀態(tài)下2×100 MW級(jí)核電廠安全殼卸壓排氣管道附近的環(huán)境劑量率可達(dá)50 Gy/h，對(duì)探測(cè)器造成的計(jì)數(shù)率遠(yuǎn)超過(guò)后續(xù)電子學(xué)最大限值，故將探測(cè)器直接置于測(cè)量管道外進(jìn)行測(cè)量的方法不可取。為使探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高輻射環(huán)境測(cè)量，本次設(shè)計(jì)對(duì)探測(cè)器采取了鉛屏蔽處理(圖2)。

準(zhǔn)直器對(duì)探測(cè)器探測(cè)效率、最小可探測(cè)活度濃度有顯著影響，合理地設(shè)計(jì)準(zhǔn)直器對(duì)安全殼卸壓排氣監(jiān)測(cè)設(shè)備至關(guān)重要。為了兼顧探測(cè)效率和最小可探測(cè)活度濃度，同時(shí)滿足后續(xù)電路電子學(xué)最大計(jì)數(shù)率要求，可通過(guò)調(diào)整準(zhǔn)直孔長(zhǎng)度及直徑來(lái)優(yōu)化探測(cè)效率、最小可探測(cè)活度濃度等監(jiān)測(cè)設(shè)備性能指標(biāo)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中探測(cè)器準(zhǔn)直孔長(zhǎng)度的調(diào)整范圍為40～320 mm，準(zhǔn)直孔直徑的調(diào)整范圍為20～60 mm。由于低能γ射線能量線性差，為降低低能γ射線對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，采用錫制成的過(guò)濾器來(lái)剝離低能γ射線。實(shí)際工程中對(duì)探測(cè)器采用了較厚的鉛屏蔽，但由于進(jìn)入準(zhǔn)直孔的高能γ射線與準(zhǔn)直孔壁的鉛發(fā)生相互作用產(chǎn)生的干擾射線(如70～80 keV的特征X射線)及主屏蔽體中鉛產(chǎn)生的特征X射線等均對(duì)測(cè)量探測(cè)器計(jì)數(shù)率造成影響[9]，為了降低這種雜質(zhì)射線對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在準(zhǔn)直孔壁采取內(nèi)襯錫層和銅層來(lái)吸收這些干擾射線[10]。準(zhǔn)直孔設(shè)計(jì)示于圖3。

圖3 準(zhǔn)直孔設(shè)計(jì)

2 模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

當(dāng)放射性氣體流進(jìn)安全殼卸壓排氣測(cè)量管道時(shí)，各向同性地向外發(fā)射γ射線，γ射線通過(guò)探測(cè)裝置的準(zhǔn)直孔與NaI(Tl)閃爍體作用。NaI(Tl)閃爍體將探測(cè)到的光子轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，經(jīng)后續(xù)電路和顯示處理反推出排放氣體的放射性活度。MCNP計(jì)算時(shí)，放射源抽樣長(zhǎng)度為500 mm、抽樣半徑為195 mm。其中NaI閃爍晶體的尺寸為φ50 mm×50 mm。準(zhǔn)直器的長(zhǎng)度、孔徑及屏蔽體厚度隨設(shè)計(jì)過(guò)程不斷調(diào)整，具體模型示于圖4。

圖4 安全殼卸壓排氣活度監(jiān)測(cè)儀MCNP粒子抽樣圖

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

1) 屏蔽體設(shè)計(jì)計(jì)算

采用鉛對(duì)探測(cè)器進(jìn)行屏蔽可降低環(huán)境本底對(duì)測(cè)量探測(cè)器計(jì)數(shù)率的影響，為此，計(jì)算了不同鉛屏蔽體厚度下(160～320 mm)環(huán)境本底對(duì)測(cè)量探測(cè)器計(jì)數(shù)率的影響(圖5)。從圖5可看出，本底引起的計(jì)數(shù)率與鉛厚度呈指數(shù)遞減關(guān)系。屏蔽體越厚固然對(duì)初級(jí)γ射線屏蔽效果好些，但屏蔽體的增加也相應(yīng)增加了屏蔽體材料中次級(jí)射線的干擾[9]，所以主屏蔽體不宜過(guò)厚。綜合考慮設(shè)備重量、成本與屏蔽效益最優(yōu)化，選擇280 mm厚屏蔽體為本套設(shè)備的參考設(shè)計(jì)厚度。同時(shí)，在屏蔽體內(nèi)采用了差分式的測(cè)量原理，即如圖2利用2只探測(cè)器，其中測(cè)量探測(cè)器用于記錄來(lái)自測(cè)量準(zhǔn)直孔、主屏蔽體(包括特征X射線)及高輻射環(huán)境γ放射性活度，補(bǔ)償探測(cè)器用于扣除主屏蔽體(包括特征X射線)及高輻射環(huán)境γ放射性活度，達(dá)到進(jìn)一步降低高輻射環(huán)境及主屏蔽鉛散射出的雜質(zhì)射線對(duì)測(cè)量探測(cè)器計(jì)數(shù)率的影響。

圖5 鉛屏蔽體厚度對(duì)本底計(jì)數(shù)率的影響

2) 過(guò)濾器設(shè)計(jì)計(jì)算

為使過(guò)濾器對(duì)低能γ射線(200 keV以下)實(shí)現(xiàn)最佳剝離效果，需合理設(shè)計(jì)過(guò)濾器厚度。為此，對(duì)不同厚度過(guò)濾器的過(guò)濾效果進(jìn)行了模擬計(jì)算，如圖6所示。從圖6可看出，錫片越厚對(duì)低能γ射線過(guò)濾效果越明顯。為了盡量保證高能部分(大于200 keV)γ射線不被濾去，又達(dá)到對(duì)低能γ射線很好的剝離效果，采用30 mm厚的錫片作過(guò)濾器可滿足設(shè)備對(duì)能量的測(cè)量要求。

圖6 錫片厚度對(duì)不同能量的過(guò)濾效果

3) 準(zhǔn)直孔設(shè)計(jì)計(jì)算

在準(zhǔn)直孔設(shè)計(jì)過(guò)程中需合理控制探測(cè)效率以保證測(cè)量探測(cè)器計(jì)數(shù)率不超過(guò)后續(xù)電子學(xué)所承受的計(jì)數(shù)率限值。由于準(zhǔn)直孔長(zhǎng)度對(duì)探測(cè)效率有影響，為此，在保證其他條件不變情況下，計(jì)算了不同長(zhǎng)度準(zhǔn)直孔與探測(cè)器探測(cè)效率的關(guān)系，如圖7所示。圖7表明，隨準(zhǔn)直孔長(zhǎng)度的增大，探測(cè)器向低探測(cè)效率過(guò)渡，準(zhǔn)直孔越長(zhǎng)探測(cè)效率的降低速度越趨于平緩。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，必須保證準(zhǔn)直孔有足夠長(zhǎng)度，確保并實(shí)現(xiàn)探測(cè)效率有效控制。綜合考慮準(zhǔn)直孔長(zhǎng)度與探測(cè)器探測(cè)效率的控制效益，選擇280 mm為設(shè)備設(shè)計(jì)參考準(zhǔn)直孔長(zhǎng)度。

圖7 探測(cè)效率與準(zhǔn)直孔長(zhǎng)度關(guān)系

為了確定過(guò)濾器最佳安放位置，在計(jì)算過(guò)程中控制準(zhǔn)直孔長(zhǎng)度不變，不斷調(diào)整過(guò)濾器在準(zhǔn)直孔的位置，得到圖8所示計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，過(guò)濾器的放置位置對(duì)探測(cè)效率影響不大?？紤]到探測(cè)裝置因放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)灰塵對(duì)準(zhǔn)直孔的堵塞及維修方便，應(yīng)將過(guò)濾器置于設(shè)備準(zhǔn)直孔口處。

圖8 過(guò)濾器相對(duì)準(zhǔn)直孔口位置與探測(cè)效率的關(guān)系

最后，為獲得最佳設(shè)計(jì)孔徑并實(shí)現(xiàn)探測(cè)裝置對(duì)卸壓排放氣體放射性活度濃度的測(cè)量要求，在將上文參考設(shè)計(jì)參數(shù)作為模型輸入?yún)?shù)的基礎(chǔ)上，模擬計(jì)算了不同準(zhǔn)直孔直徑探測(cè)器對(duì)總γ的探測(cè)效率以及131I、134Cs最小可探測(cè)活度濃度的影響(表1、2)。分析表1、2的結(jié)果得出，采用φ40 mm作為最佳設(shè)計(jì)參考準(zhǔn)直孔徑，可實(shí)現(xiàn)探測(cè)裝置對(duì)131I、134Cs、總γ的最小可探測(cè)活度濃度要求，同時(shí)兼顧了后續(xù)電子學(xué)最大計(jì)數(shù)率限值及探測(cè)器的探測(cè)效率。

表1 安全殼卸壓排放氣體總γ探測(cè)效率

3 驗(yàn)證計(jì)算

為了驗(yàn)證MCNP的計(jì)算結(jié)果，模擬計(jì)算了探測(cè)裝置對(duì)137Cs放射源的單核素測(cè)量能譜并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。由于卸壓排放氣體核素復(fù)雜、試驗(yàn)源制作難度較大，所以采用了137Cs點(diǎn)狀源來(lái)驗(yàn)證，結(jié)果示于圖9。結(jié)果表明，模擬計(jì)算的能譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)到的137Cs能譜吻合較好，得出MCNP用于卸壓排氣在線監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)研究是可信的，上文模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)備研發(fā)具有很好的參考價(jià)值。

表2 準(zhǔn)直孔直徑對(duì)131I、134Cs、總γ最小可探測(cè)活度濃度的影響

圖9 模擬計(jì)算能譜與實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)屏蔽體、準(zhǔn)直器的模擬計(jì)算，得出合理的設(shè)計(jì)屏蔽體及準(zhǔn)直器對(duì)安全殼卸壓排放氣體放射性活度監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1) 探測(cè)裝置采用280 mm屏蔽體可將50 Gy/h輻射本底引起的計(jì)數(shù)率降到20 s-1以下，從而實(shí)現(xiàn)高輻射環(huán)境下的測(cè)量。

2) 合理設(shè)計(jì)過(guò)濾器可實(shí)現(xiàn)對(duì)低能γ射線有效剝離，本套裝置采用30 mm厚的錫片能很好地從能譜中將低能γ射線(200 keV以下)剝離，滿足過(guò)濾器對(duì)低能γ射線的剝離要求。

3) 準(zhǔn)直孔對(duì)探測(cè)效率的影響非常大，可通過(guò)對(duì)準(zhǔn)直孔的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)效率的控制，從而控制探測(cè)裝置的靈敏度，滿足測(cè)量范圍要求。

本套設(shè)備選擇長(zhǎng)度為280 mm、孔徑為40 mm的準(zhǔn)直孔作為設(shè)備參考設(shè)計(jì)參數(shù)能很好地滿足設(shè)備對(duì)γ射線測(cè)量范圍和靈敏度的要求。最后，通過(guò)137Cs的計(jì)算能譜與實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V的對(duì)比，說(shuō)明了MCNP計(jì)算結(jié)果比較可信，設(shè)計(jì)參數(shù)可為核電廠卸壓排氣放射性監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制提供重要的理論支持和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周志貴. 秦山二期安全殼超壓后的過(guò)濾及卸壓[D]. 上海:上海交通大學(xué),2007.

[2] CHABOT C. Radioactivity release from nuclear explosion vs. nuclear power plant[R/OL]. (2011-08-27). http:∥hps.org/publicinformation/ate/q5367.htlm.

[3] Tokyo Electric Power Company. Estimation of the released amount of radioactive materials into the atmosphere as a result of the accident in the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station[R/OL]. (2012-05-24). http:∥www.iaea.org/newscenter/focus/fukushima/statusreport280612.pdf.

[4] 馬玉剛,周銀行,趙廣義,等. NaI(Tl)探測(cè)γ能譜的MCNP模擬[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版,2007，45(3):451-454.

MA Yugang, ZHOU Yinxing, ZHAO Guangyi, et al. NaI detectiing γ spectrum simulation by MCNP[J]. Journal of Jilin University: Science Edition, 2007, 45(3): 451-454(in Chinese).

[5] 李敏,蔡曉波,程靜. 核測(cè)井中NaI(Tl)閃爍探測(cè)器性能探討[J]. 艦船防化,2009(2):29-32.

LI Min, CAI Xiaobo, CHENG Jing. Research on NaI(Tl) scintillescent detector in nuclear logging[J]. Chemical Defence on Ships, 2009(2): 29-32(in Chinese).

[6] 黃顯太. 無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)展和國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，1993，13(2):98-103.

HUANG Xiantai. Recent development of inorganic scintillators[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1993, 13(2): 98-103(in Chinese).

[7] 周銀行,馬玉剛. MCNP能峰展寬的NaI探測(cè)效率研究[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2007,27(6):1 061-1 063.

ZHOU Yinxing, MA Yugang. MCNP peak broadening simulation of detection efficiency of NaI[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2007, 27(6): 1 061-1 063(in Chinese).

[8] 陳堅(jiān)禎,郭蘭英,凌球,等. NaI(Tl) γ譜放入計(jì)算機(jī)穩(wěn)峰技術(shù)[J]. 原子能科學(xué)技術(shù),2005,39(3):266-269.

CHEN Jianzhen, GUO Lanying, LING Qiu, et al. Technology for computer-stabilized peak of NaI(Tl) gamma spectrum[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2005, 39(3): 266-269(in Chinese).

[9] 吳治華. 原子核物理實(shí)驗(yàn)方法[M]. 北京:原子能出版社,1997:345-349.

[10] 陳伯顯,張智. 核輻射物理及探測(cè)學(xué)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2011:421-422.