崔 堯，張向陽(yáng)，何高魁

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

核燃料組件無(wú)損檢測(cè)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔 堯，張向陽(yáng)，何高魁

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

燃料組件是反應(yīng)堆的核心部分，在高溫、高壓及強(qiáng)中子輻射場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境條件下，燃料棒中芯塊會(huì)出現(xiàn)腫脹、變形甚至包殼破裂，嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。為了更好地了解燃料組件在反應(yīng)堆內(nèi)的變化，研究高燃耗的燃料組件中燃料棒的中心空洞形成和燃料棒的變形情況，高能X射線無(wú)損檢測(cè)是一種有效的技術(shù)手段。由于輻照后核燃料組件自身具有強(qiáng)放射性，探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮減弱燃料組件自身輻射對(duì)探測(cè)采集的影響，因此組件探測(cè)系統(tǒng)中探測(cè)器陣列及準(zhǔn)直器的優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。經(jīng)過(guò)建模及相關(guān)模擬計(jì)算，得到了探測(cè)器單元最佳尺寸，優(yōu)化了后準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為提高燃料組件無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)重建圖像的質(zhì)量提供幫助。

高能X射線無(wú)損檢測(cè)；烏酸鎘晶體；能量沉積率；串?dāng)_率；后準(zhǔn)直器

燃料組件是反應(yīng)堆的核心部分，燃料組件的安全性對(duì)于整個(gè)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行有著重要的意義。在高溫、高壓及強(qiáng)中子輻射場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境條件下，燃料棒中芯塊會(huì)出現(xiàn)腫脹、變形甚至包殼破裂，嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。為了研究核反應(yīng)堆燃料組件的安全性和完整性，了解其熱力學(xué)性能和機(jī)械性能非常重要。通過(guò)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，如金相學(xué)，來(lái)檢測(cè)燃料棒中心空洞和裂紋，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，且需要破壞燃料組件自身的結(jié)構(gòu)，無(wú)法檢測(cè)燃料棒的形變。X射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以簡(jiǎn)易且快速的檢測(cè)燃料組件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并且費(fèi)用低，不產(chǎn)生廢物[3]。

探測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)燃料組件無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中的核心部分，其性能對(duì)于重建圖像的質(zhì)量有著重要的影響。為了提高高能X射線在探測(cè)器中的能量沉積率，一般選用鎢酸鎘(CdWO4)晶體。鎢酸鎘晶體具有密度大(ρ=7.9 g/cm3)、原子序數(shù)高(Z=64.2)、熒光轉(zhuǎn)換率(1.2×104～1.5×104光子/MeV)高等優(yōu)點(diǎn)，且其熒光波長(zhǎng)(470/540 nm)與一般的光電二極管敏感波長(zhǎng)相匹配，在高能X射線無(wú)損檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

針對(duì)核燃料組件探測(cè)的特殊性，本文通過(guò)蒙特卡羅方法，研究了在9 MeV直線加速器下，不同尺寸的CdWO4晶體的能量沉積率和串?dāng)_率，得到了最佳的晶體尺寸；模擬了燃料組件自身強(qiáng)輻射對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響，優(yōu)化后準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)從而將燃料組件自身輻射的影響降至最低。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探測(cè)系統(tǒng)將為改善重建圖像的質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1 模擬計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 蒙特卡羅方法

蒙特卡羅方法是以概率統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)的一種數(shù)學(xué)計(jì)算方法。蒙卡方法可以真實(shí)地模擬實(shí)際粒子運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程，其仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較吻合，可以得到滿意的結(jié)果。MCNP可以解決電子、光子以及中子的聯(lián)合運(yùn)輸問(wèn)題，光子和電子的能量范圍從1 keV到1 000 MeV[4]，選用MCNP5版本，抽樣次數(shù)為一百萬(wàn)次，準(zhǔn)直器孔徑選用0.4 mm。

1.2 CdWO4晶體能量沉積率的估算

在以往的文獻(xiàn)中，采用蒙特卡羅方法研究探測(cè)器的能量沉積率，大多采用單能的X射線。對(duì)于9 MeV直線加速器，其產(chǎn)生的X射線為連續(xù)譜，為了更好地接近實(shí)際，采用麥克斯韋譜模擬加速器所產(chǎn)生的連續(xù)譜(如圖1)，并在此基礎(chǔ)上估算晶體的能量沉積率。所采用的模型如圖2，CdWO4晶體高為5 mm，X射線沿x軸入射。

圖1 模擬加速器所產(chǎn)生的連續(xù)譜Fig.1 Continuous spectrum generated by accelerator

圖2 模擬模型Fig.2 Simulation model

改變CdWO4晶體截面寬度和晶體長(zhǎng)度進(jìn)行模擬，可以得到其能量沉積率與截面寬度和晶體長(zhǎng)度之間的關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著晶體截面寬度和晶體長(zhǎng)度的變大，能量沉積率隨之增大。從圖中可以得出，在晶體尺寸為2 mm×5 mm×30 mm時(shí)，能量沉積率為38%。

圖3 能量沉積率與晶體尺寸的關(guān)系Fig.3 The relationship between energy deposition rate and the size of scintillation

當(dāng)進(jìn)一步增加晶體的橫截面積時(shí)發(fā)現(xiàn)，CdWO4晶體截面尺寸對(duì)能量沉積率的影響逐步減小。因此，進(jìn)一步模擬當(dāng)長(zhǎng)度一定時(shí)(30 mm)，晶體能量沉積率與晶體截面寬度之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖4 增加晶體尺寸Fig.4 Increasing the size of the scintillation

圖5 能量沉積率與截面寬度的關(guān)系Fig. 5 The relationship between energy deposition rate and the width of cross section

當(dāng)截面寬度較小時(shí)，隨著截面寬度的增長(zhǎng)，能量沉積率快速的增長(zhǎng)，當(dāng)截面寬度大于3 mm時(shí)，增長(zhǎng)變緩。截面寬度從1 mm增加到2 mm時(shí)，能量沉積率增長(zhǎng)了19.1%；截面寬度從3 mm增加倒4 mm時(shí)，能量沉積率僅增長(zhǎng)了2.6%。

因此，綜合考慮能量沉積率以及系統(tǒng)空間分辨率，最佳晶體尺寸選擇為3 mm×5 mm×30 mm。

1.3 串?dāng)_率

通過(guò)輻照后核燃料組件的探測(cè)環(huán)境十分復(fù)雜，各種背景干擾都將對(duì)探測(cè)成像產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，其中探測(cè)單元之間的串?dāng)_也是不容忽視的問(wèn)題。如圖6所示，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器入射到CdWO4晶體內(nèi)的X射線，其中的一部分散射光子、光電子以及X射線等會(huì)被相鄰的探測(cè)器采集到，形成串?dāng)_信號(hào)，對(duì)重建圖像的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。

改變相鄰兩塊CdWO4晶體之間的隔離層的厚度，模擬串?dāng)_率與隔離層厚度之間的關(guān)系，隔離層采用鉛作為屏蔽材料。通過(guò)蒙特卡羅模擬，選用寬度為0.4 mm的準(zhǔn)直器，隨著隔離層厚度的改變，串?dāng)_率隨之改變，結(jié)果示于圖7。

圖6 串?dāng)_模擬Fig.6 Crosstalk simulation

圖7 串?dāng)_率與隔離層厚度的關(guān)系Fig.7 The relationship between crosstalk and the thickness of isolation layer

由圖7可以看出，在沒(méi)有隔離層的情況下，串?dāng)_率為11.5%，當(dāng)隔離層為0.8 mm時(shí)，串?dāng)_率下降為1.6%。

圖8 不同隔離材料的串?dāng)_率Fig.8 The crosstalk ratio of different materials

改變隔離層的材料，用Wu代替Pb進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。在隔離層厚度處于0.2 mm到0.4 mm之間時(shí)，由于Wu的密度大于鉛，可以更好地隔離X射線，減小串?dāng)_率。當(dāng)隔離層厚度大于0.6 mm時(shí)，兩者的隔離作用趨同，0.6 mm時(shí)僅相差0.41%。

因此，隔離層最佳厚度選為0.6 mm，隔離材料選用鉛。

2 準(zhǔn)直器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于輻照后的燃料組件具有很強(qiáng)的放射性，乏燃料經(jīng)冷卻后，大部分放射性源自銫-137和鍶-90。鍶-90發(fā)生β衰變，其半衰期為28.1 a，銫-137的半衰期為30.17 a。銫-137衰變放出的能量為662 keV的光子是輻照后燃料組件強(qiáng)輻射的主要來(lái)源。燃料組件每秒約產(chǎn)生1013個(gè)光子，其輻射出的光子進(jìn)入探測(cè)器，形成背景輻射，對(duì)信號(hào)采集和圖像重建產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。采用的模型中，燃料組件活性區(qū)長(zhǎng)度為1.5 m，其輻射出的一部分光子可以不經(jīng)過(guò)后準(zhǔn)直器而直接進(jìn)入探測(cè)器，從而產(chǎn)生很大的噪聲信號(hào)。因此，需要對(duì)后準(zhǔn)直器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減弱燃料組件自身輻射帶來(lái)的影響。

通常情況下，后準(zhǔn)直器，前縫板縫寬5 mm，中縫板垂直縫寬為0.4 mm，若采用此種設(shè)計(jì)，經(jīng)模擬，每秒鐘燃料組件輻射出的光子進(jìn)入探測(cè)器的數(shù)量約為3×107，若不加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，將對(duì)圖像重建產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

為了降低燃料組件輻射的影響，加速器工作在脈沖狀態(tài)，探測(cè)器與加速器同步工作。當(dāng)加速器脈沖頻率為250 Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為2.5 μs時(shí)，中心軸線上距離靶1 m處X射線劑量率為3 000 cGy/min，加速器距離探測(cè)器的1.4 m，晶體尺寸為4 mm×7 mm×30 mm。經(jīng)計(jì)算，單個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)，單個(gè)探測(cè)單元接受到的由加速器產(chǎn)生的X射線光子數(shù)為2.7×106。由于燃料組件自身的強(qiáng)輻射，單個(gè)探測(cè)單元接受到的來(lái)自燃料組件的光子數(shù)約為75。

優(yōu)化后準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)模型示于圖9。在中縫板的后方，增加后縫板，即在探測(cè)模塊上下兩側(cè)增加屏蔽板，以屏蔽燃料組件輻射出的直接被探測(cè)器接收的光子。屏蔽板采用鎢鐵鎳合金，厚度為15 mm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，一個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入探測(cè)器的光子數(shù)量減小為7.6。減小了背景輻射在探測(cè)器中的貢獻(xiàn)，有利于圖像重建質(zhì)量改善。

圖9 優(yōu)化后的模型Fig.9 The optimal model

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃料組件無(wú)損檢測(cè)探測(cè)系統(tǒng)的模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)模擬計(jì)算，綜合考慮CdWO4晶體截面寬度、晶體厚度、晶體之間隔離材料、隔離材料厚度等因素，可以得出，在晶體截面寬度為3 mm，晶體厚度為30 mm，隔離材料選用鉛，且隔離層厚度為0.6 mm時(shí)，由CdWO4晶體構(gòu)成的線性陣列探測(cè)器的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。通過(guò)模擬，對(duì)后準(zhǔn)直器進(jìn)行優(yōu)化，增加了后縫板，減小了背景輻射在探測(cè)器中的貢獻(xiàn)。

[1] 樓琪. 用于高能X射線成像的CdWO4閃爍體探測(cè)器靈敏度的研究[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)器,2002,22(4):331-336.

[2] 陳志強(qiáng). 高能射線工業(yè)CT最新進(jìn)展[J]. CT理論與應(yīng)用研究. 2005. 14(4):1-4.

[3] Kozo Katsuyama. High energy X-ray CT study on the central void formations and the fuel pin deformations of FBR fuel assemblies[J]. Nuclear Instruments and Methods Physics Research B, 2007, 255: 365-372.

[4] 田麗. 工業(yè)CT圖像的探測(cè)器串?dāng)_偽影研究[D]. 重慶：重慶大學(xué),2001,4:1-71.

[5] 張朝宗. 工業(yè)CT技術(shù)和原理[M]. 北京:科學(xué)出版社,2009:110.

Detection System for the Fuel Assembly Nondestructive Testing

CUI Yao, ZHANG Xiang-yang, HE Gao-kui

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

Fuel assemblies are the central components of a reactor. The core fuel pellets in the fuel pins will swell and deform and the fuel cladding may even break under the complex environment of high temperature, high pressure and intense neutron radiation field, which threats the safety of the reactor. To better understand the changes in the behavior of the fuel assembly in the reactor and study the central void formations and deformations of fuel pins in fuel assemblies to high burn-up, high-energy X-ray non-destructive testing is an effective technical means. Irradiated nuclear fuel assembly has a strong radioactivity, it is necessary to optimize the design of the detector system and the collimator to reduce the effect from gamma rays emitted from the irradiated fuel assembly during detection system designing phase. Through modeling, estimating and optimization, the optimal size of the detector unit is obtained and the collimator design is optimized which can lay the foundation to improve the quality of the reconstructed images of the fuel assembly nondestructive system.

high energy X-ray nondestructive testing; CdWO4scintillation; energy deposition rate; ratio of crosstalk; collimator

10.7538/tws.2015.28.03.0167

2015-04-14;

2015-05-17

崔 堯(1990—)，男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

TL364+2

A

1000-7512(2015)03-0167-04