李成勛 霍志鵬 鐘國強 胡立群

關(guān)鍵詞：EAST;中子;γ射線;輻射監(jiān)測

目前可控核聚變研究途徑主要包括磁約束聚變與慣性約束聚變這兩種[1]。經(jīng)過長時間的探索，科學家發(fā)現(xiàn)利用磁約束實現(xiàn)可控核聚變是實驗路徑中最具有希望的一種，目前磁約束核聚變的研究主要集中在托卡馬克裝置上[2]。

EAST（ExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak）托卡馬克裝置是由中科院等離子體物理研究所自主設(shè)計并建造的全超導托卡馬克，又稱為“東方超環(huán)”[3]。2021年12月30日，EAST托卡馬克裝置成功實現(xiàn)電子溫度近7000萬℃條件下1056s長脈沖高參數(shù)等離子體運行。EAST聚變裝置采用脈沖放電模式，脈沖持續(xù)時間由毫秒至千秒級別不等。在放電運行期間，會釋放大量放射性物質(zhì)，其中以放射性中子和γ射線為重點關(guān)注對象之一。對于短脈沖而言，由于放電時間有限，釋放出的輻射影響也相對較小。但2021年EAST聚變裝置創(chuàng)造長脈沖高參數(shù)等離子體運行記錄，脈沖持續(xù)時間達到千秒之久。在這種運行條件下，會持續(xù)釋放大量中子及次級γ射線，因此需要了解EAST聚變裝置在長脈沖高參數(shù)等離子體運行期間輻射場中子與γ射線的分布及強度，確保運行期間人員及環(huán)境的輻射安全。

本文運用EAST聚變裝置輻射在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對長脈沖高參數(shù)等離子體運行期間場所與環(huán)境中子與γ射線的實時監(jiān)測與存儲。通過對EAST聚變裝置輻射監(jiān)測，不僅可以有效獲得放射性數(shù)據(jù)，同時為輻射安全防護提供了數(shù)據(jù)支撐，保障聚變能安全開發(fā)利用。對后續(xù)實驗順利開展以及保護實驗與工作人員都具有重要意義，同時也是對EAST聚變裝置輻射防護水平的一種驗證[4]。

1輻射源項分析

EAST托卡馬克裝置主要進行氘氘等離子體聚變反應，核反應過程如下：

D+D→3He（0.82MeV）+n（2.45MeV）

D+D→T（1.01MeV）+p（3.02MeV）

氘氘聚變反應直接產(chǎn)生平均能量為2.45MeV的中子，是聚變中子產(chǎn)生的最主要來源。EAST裝置放射性來源主要包括以下方面：

（1）中子來源包括D-D直接聚變反應產(chǎn)生中子、高能逃逸電子與次級高能硬X射線作用某種物質(zhì)發(fā)生光致核反應產(chǎn)生光致中子兩部分。

（2）γ射線來源包括高能離子與裝置第一壁和偏濾器等雜質(zhì)核反應、中子與材料在輸運時非彈性散射和輻射俘獲、中子活化設(shè)備與材料產(chǎn)生放射性核素衰變等途徑[5]。

（3）EAST裝置采用多種加熱系統(tǒng)使聚變反應一直運行于高溫與高壓環(huán)境中，當采用中性束注入輔助加熱系統(tǒng)時，該加熱系統(tǒng)自身就是輻射源，在中性束出束運行期間會產(chǎn)生大量的韌致輻射、γ射線以及聚變中子[6]。

為了降低電離輻射帶來的影響，EAST裝置建立了有效的屏蔽體結(jié)構(gòu)。裝置大廳屏蔽墻體長31m，寬28m，高23m，由鋼筋混凝土建造而成。裝置主機四周屏蔽墻的墻體厚度為1.5m，頂層也是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度達到1m，通道大門是注入水的屏蔽水門。通過核輻射監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測，可以準確地獲得不同監(jiān)測點處的中子和γ射線劑量率，進而可以準確判斷大廳外部不同監(jiān)測點處的輻射屏蔽效果，以及時對薄弱處加強相應的屏蔽處理工作。

在EAST裝置周圍環(huán)境中，利用移動式中子和γ射線探測設(shè)備對實驗前的本底環(huán)境進行多次測量并取平均值。測量結(jié)果表明，EAST裝置中子環(huán)境本底劑量率約為0.003μSv/h，γ射線環(huán)境本底劑量率約為0.1μSv/h。EAST裝置等離子體放電期間，EAST大廳內(nèi)部脈沖式輻射場中子和γ射線劑量率遠遠大于本底值，可直接用于EAST放電期間中子和γ射線輻射場的研究。大廳外由于絕大部分輻射被鋼筋混凝土屏蔽墻屏蔽，僅有極少量輻射通過門縫、管道、天空反散射等到達外部環(huán)境，在EAST大廳外部也能測到放電產(chǎn)生中子和γ射線，但是劑量率較低。按照《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB18871—2002）要求，放射性物質(zhì)向環(huán)境排放量保持在排放管理限值以下可合理達到的盡量低水平。當前，EAST裝置輻射在線監(jiān)測系統(tǒng)對大廳內(nèi)外邊界輻射報警閾值均設(shè)為100μSv/h，當超過此閾值，及時報警以免工作人員誤入強輻射環(huán)境中。聚變中子和γ射線是影響工作人員與環(huán)境安全的主要因素，是實現(xiàn)聚變能安全可控利用的一大難點，因此針對EAST聚變裝置主要的運行工況和源項建立輻射在線監(jiān)測系統(tǒng)十分必要[7]。

2監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1設(shè)計要求

EAST周圍環(huán)境中，每一次等離子體聚變反應放電產(chǎn)生的中子和γ射線的輻射場強度在EAST大廳內(nèi)外分布隨著空間位置不同而有所不同，并且隨著每一次等離子體聚變放電方式不同以及放電參數(shù)的不同在監(jiān)測點的輻射場強度也表現(xiàn)出很大的不同。

首先，針對大廳內(nèi)外輻射場強度的差異，需要選擇不同探測范圍、時間響應及靈敏度的探測器，使探測器適用于不同場所的探測要求。其次，由于大廳屏蔽墻的屏蔽隔離作用，將大廳內(nèi)外分成場所與環(huán)境區(qū)域。此時監(jiān)測點布局既要滿足EAST聚變裝置放電期間重點監(jiān)測區(qū)域全面覆蓋，還要考慮監(jiān)測點布局合理性，使輻射探測區(qū)域滿足實驗需求。接著，在線監(jiān)測網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)要相對簡單，根據(jù)實際情況優(yōu)化布線方式，要能實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理功能。通過采集機控制平臺能夠?qū)崿F(xiàn)輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)實時劑量率及累積劑量的采集顯示與存儲，并且能夠長期穩(wěn)定運行。最后，對超過一定閾值的輻射劑量率能夠及時準確報警，確保工作人員與周圍環(huán)境安全[8]。

2.2探測器選型

EAST聚變裝置在放電時，大廳場所內(nèi)中子與γ射線在較短時間內(nèi)輻射劑量達到較高水平，而放電結(jié)束后又在較短時間衰減到低輻射劑量。因此大廳場所內(nèi)需要選擇能量響應動態(tài)范圍寬且時間響應較快的探測器，而大廳外的低劑量的環(huán)境區(qū)域則選擇靈敏度高且能夠長期穩(wěn)定運行的探測器[9]。鑒于EAST運行期間高參數(shù)、持續(xù)時間短的“脈沖式”的輻射監(jiān)測，大廳內(nèi)部采用高量程的探測器，測量范圍0.1～100000μSv/h。大廳外輻射為本底水平，外部周圍環(huán)境采用高靈敏度的探測器，測量范圍0.01～10000μSv/h。

2.2.1中子探測器

EAST聚變裝置在D-D放電時產(chǎn)生大量中子，此時大廳內(nèi)要求中子探測器必須能夠準確測量實驗場所大廳內(nèi)短時間且高劑量的中子通量，響應及時且漏計數(shù)低。為了達到這種探測要求，經(jīng)過綜合考慮，最終選擇了ANM型號的BF3正比計數(shù)管（?2.5cm×13.5cm）。探測器經(jīng)過校準，標定后該探測器的主要技術(shù)指標：靈敏度為1.350nSv/脈沖，測量范圍為1～10000μSv/h，能量響應為0.025eV～17MeV，總不確定度小于15%。ANM型號的BF3正比計數(shù)管高度集成，電極收集輸出電流脈沖信號經(jīng)過前置放大器、運算放大器、脈沖甄別、脈沖成形等電子學處理后輸出電壓脈沖信號，再通過單片機進一步處理得到計數(shù)率和劑量率等輻射信息[10]。中子探測器工作電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

對于EAST聚變裝置主機大廳外環(huán)境中子的探測，選擇了ENM型號的BF3正比計數(shù)管（?5.0cm×35.0cm）。標定后該探測器的主要技術(shù)指標：靈敏度為0.0133nSv/脈沖，測量范圍為1.0×10-3～300μSv/h，能量響應為0.025eV～5MeV，總不確定度小于11%。BF3正比計數(shù)管對中子輻射產(chǎn)生的脈沖幅度比γ輻射大得多，因此能有效區(qū)分中子與γ射線脈沖，對混合場中的輻射產(chǎn)物有很好的甄別能力[11]。探測器能量響應范圍較寬且能在復雜惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，被廣泛應用于核聚變實驗中。ANM與ENM型號中子探測器外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2.2γ射線探測器

EAST聚變裝置大廳內(nèi)對高劑量γ輻射的探測選擇了測量范圍寬，時間響應快的AGM型號的圓柱形電離室。電離室內(nèi)充有2MPa的氬氣，該探測器內(nèi)部由收集電極、高壓電極以及保護環(huán)等共同組成[12]。圓柱形電離室原理示意圖如圖3所示。標定后該探測器的主要技術(shù)指標：靈敏度為0.291nSv/脈沖，測量范圍為0.1～15000μSv/h，能量響應為50keV～3MeV，總不確定度小于10%。

對于EAST聚變裝置主機大廳外環(huán)境γ射線的探測，選擇了靈敏度高，工作穩(wěn)定性強的EGM型號的球形電離室。電離室內(nèi)充有2.5MPa的氬氣，該探測器內(nèi)部同樣由收集電極、高壓電極以及保護環(huán)等共同組成。其中，收集電極和高壓電極分別由?50mm的小球和?250mm大球構(gòu)成。球形電離室原理示意圖如圖4所示。標定后該探測器的主要技術(shù)指標：靈敏度為0.135nSv/脈沖，測量范圍為0.01～6000μSv/h，能量響應為50keV～3MeV，總不確定度小于7%。經(jīng)過長期實驗檢驗，該探測器能夠很好地適應對EAST聚變裝置γ輻射的探測。

2.3監(jiān)測點布局

EAST聚變裝置輻射監(jiān)測系統(tǒng)共設(shè)置13個固定監(jiān)測點[13]。其中，大廳內(nèi)3個監(jiān)測點用于探測實驗期間大廳內(nèi)高輻射劑量信息，大廳外10個監(jiān)測點用于探測大廳外低輻射劑量環(huán)境信息。每個監(jiān)測點分別布設(shè)一個相鄰的中子與γ探測器。EAST聚變裝置監(jiān)測點布局如圖5所示。其中，黑點代表中子探測器，白點代表γ探測器。

2.4輻射監(jiān)測網(wǎng)絡

EAST裝置監(jiān)測點探測器較為分散且距離相對較遠，為了將13個監(jiān)測點的輻射信息集成到統(tǒng)一控制平臺上，設(shè)立了數(shù)據(jù)采集機。對于方便布線的探測器，采用RS-485串口通信的雙絞線連接到采集機，直接利用雙絞線通訊的監(jiān)測點由采集點進行統(tǒng)一供電。對于遠距離且布線困難的11、12和13三個監(jiān)測點的探測器，利用等離子體所公共以太網(wǎng)進行通信。這三個監(jiān)測點的六個探測器分別采用網(wǎng)口的方式來進行數(shù)據(jù)讀取，采用C2000N220二串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務器。整個監(jiān)測系統(tǒng)采用雙絞線與以太網(wǎng)混合組網(wǎng)方式。使用RS-485和RS-232相互轉(zhuǎn)換的MOXA-CP-118EL多串口卡，連接到采集機的DB9接口，實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的傳輸[14]。

EAST裝置基于LabVIEW開發(fā)了中子與γ射線輻射在線監(jiān)測采集軟件，通過串口查詢方式獲取監(jiān)測點中子與γ射線的輻射劑量。采集軟件由數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存等組成，能實現(xiàn)對輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、獲取和存儲等功能。采集軟件的工作界面有實時劑量率、累積劑量率、報警閾值等數(shù)據(jù)，能直觀獲得13處監(jiān)測點聚變中子、γ輻射的時間、空間分布信息。

3輻射測量

2021年12月30日，EAST托卡馬克裝置第106915炮放電，EAST裝置放電時電流、環(huán)電壓、電子密度波形圖如圖6所示。放電時等離子體電流為337.39kA，平均電子密度為1.87×1019/m3，脈沖長度達到1056s。該裝置成功實現(xiàn)電子溫度近7000萬℃條件下1056s長脈沖高參數(shù)等離子體運行。

整個實驗過程中，輻射在線監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作，采集軟件及采集電腦未出現(xiàn)死機、通信等故障，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較高，準確獲得了長脈沖放電過程的輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖7為EAST托卡馬克裝置大廳內(nèi)三個監(jiān)測點γ劑量率變化情況。

由圖7可以看出，長脈沖放電前大廳內(nèi)三個監(jiān)測點的γ劑量率在0.10μSv/h附近，放電前的γ劑量率接近環(huán)境本底水平。聚變裝置內(nèi)部等離子體快速發(fā)生聚變反應并釋放大量輻射，此時γ劑量率短時間內(nèi)迅速達到最大值。其中，監(jiān)測點1、2和3最大劑量率分別為106.90μSv/h，75.23μSv/h，38.11μSv/h，與放電前接近環(huán)境本底水平相比，此時大廳內(nèi)γ最大輻射劑量率提高3個數(shù)量級以上。隨著放電繼續(xù)進行，γ劑量率也快速下降達到相對平衡狀態(tài)，此時監(jiān)測點1、2和3劑量率分別在5.00μSv/h，1.10μSv/h，0.95μSv/h附近。當聚變裝置連續(xù)放電1056s后，等離子體電流、環(huán)電壓以及平均電子密度迅速降為0，此時脈沖放電結(jié)束。放電結(jié)束后，由于不再發(fā)生新的聚變反應，不再有新的輻射繼續(xù)產(chǎn)生。此外，裝置四周與頂層均采用大量屏蔽材料進行屏蔽吸收且高劑量率輻射維持時間較短，因此，γ劑量率經(jīng)過一段時間又很快回到放電前0.10μSv/h低劑量輻射水平。長脈沖整個放電過程，大廳內(nèi)三個監(jiān)測點的γ劑量率波動變化趨勢完全一致，差異的只是劑量率大小的不同，產(chǎn)生這種差異的原因是徑向距離的不同。監(jiān)測點1距離裝置最近，其次是監(jiān)測點2，最遠的是監(jiān)測點3。

EAST聚變裝置是整個電離輻射的最終來源，越靠近裝置輻射強度越大。對于大廳內(nèi)中子劑量率的監(jiān)測選擇了大廳內(nèi)距離裝置最近的監(jiān)測點1和最遠的監(jiān)測點3進行對比，這兩個監(jiān)測點的中子劑量率如圖8所示。長脈沖放電前中子劑量率處于較低水平，隨著不斷放電，中子劑量率也不斷升高，監(jiān)測點1和3最大劑量率分別達到24.53μSv/h和5.58μSv/h。與放電前環(huán)境本底水平相比，此時大廳內(nèi)中子最大輻射劑量率提高3個數(shù)量級以上。大廳內(nèi)1和3監(jiān)測點的中子劑量率波動變化趨勢左右呈現(xiàn)對稱性，放電結(jié)束后，中子劑量率也很快回到放電前水平。

為了獲得EAST聚變裝置大廳外部環(huán)境的輻射數(shù)據(jù)，選擇了監(jiān)測點7和監(jiān)測點10的數(shù)據(jù)進行分析。圖9為大廳外監(jiān)測點7和10的γ劑量率變化情況。從圖9可以看出，監(jiān)測點10的γ劑量率要略高于監(jiān)測點7，這是因為監(jiān)測點10位于屏蔽門旁邊，EAST聚變裝置在長脈沖放電運行時少量γ射線透過屏蔽門進入外部環(huán)境中。整個放電過程監(jiān)測點10最大劑量率是0.128μSv/h，γ劑量率仍然是較低水平，不會對外部環(huán)境造成影響。監(jiān)測點7位于大廳外北墻，由于屏蔽墻的作用，輻射劑量一直處于極低水平，最大劑量率是0.119μSv/h，再次驗證了屏蔽墻的屏蔽效果滿足輻射防護要求。

圖10為大廳外監(jiān)測點7和10中子劑量率變化情況，可以看出監(jiān)測點7和10最大劑量率分別達到0.00368μSv/h和0.0026μSv/h。整個放電過程兩個監(jiān)測點的中子劑量率均處于極低水平，對外界環(huán)境輻射影響幾乎可以忽略不計。通過數(shù)據(jù)分析可知，EAST聚變裝置輻射防護水平較高，完全能保證工作人員與環(huán)境輻射安全。

4結(jié)論

本文基于輻射在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對EAST裝置在長脈沖高參數(shù)等離子體運行條件下大廳內(nèi)外區(qū)域中子和γ射線的有效監(jiān)測。在硬件方面，根據(jù)裝置大廳內(nèi)外輻射強度與實際需求的不同分別選擇了測量范圍寬，時間響應快和靈敏度高，工作穩(wěn)定性強的探測器。由于監(jiān)測點距離遠近和布線難易程度不同，輻射監(jiān)測系統(tǒng)采用雙絞線與以太網(wǎng)混合組網(wǎng)方式。距離較近且布線簡便的探測器直接采用雙絞線組網(wǎng)連接，而遠距離且布線困難的探測器采用C2000N220二串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務器，通過以太網(wǎng)進行傳輸。輻射監(jiān)測系統(tǒng)采用RS-485串口通信，通過MOXA-CP-118EL多串口卡直接與采集機進行連接，實現(xiàn)對通信數(shù)據(jù)的傳輸。軟件方面使用自行編寫的LabVIEW控制采集軟件對13個固定監(jiān)測點進行實時采集、顯示以及數(shù)據(jù)存儲[15]。

EAST裝置在等離子體電流為337.39kA，平均電子密度為1.87×1019/m3長脈沖高參數(shù)等離子體運行條件下，大廳內(nèi)的中子和γ射線輻射很快達到較高水平。以監(jiān)測點1為例，該監(jiān)測點中子和γ射線最大劑量率分別達到24.53μSv/h和106.90μSv/h。與放電前環(huán)境本底水平（中子環(huán)境本底的劑量率約為0.003μSv/h，γ射線環(huán)境本底的劑量率約為0.1μSv/h）相比，中子和γ射線最大劑量率均迅速提高3個數(shù)量級以上。放電結(jié)束后又很快回到放電前的低劑量率水平。此外，大廳內(nèi)監(jiān)測點的輻射劑量率波動變化趨勢大致一致，差異只是劑量率大小的不同。產(chǎn)生這種差異的原因是徑向距離的不同，監(jiān)測點距離主機裝置越近，輻射劑量率越大。整個運行過程，大廳外部環(huán)境區(qū)域監(jiān)測點7和10中子最大劑量率分別達到0.00368μSv/h和0.0026μSv/h，γ射線最大劑量率分別達到0.119μSv/h和0.128μSv/h，中子和γ射線電離輻射始終處于接近環(huán)境本底水平。通過對EAST裝置長脈沖高參數(shù)等離子體運行時輻射中子和γ射線監(jiān)測，獲得了寶貴的輻射原始數(shù)據(jù)，確保了整個實驗過程中工作人員與周圍環(huán)境輻射安全，保障了EAST托卡馬克聚變裝置安全有效運行。