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1、核设施退役项目中的无损检测分析技术探索 杨柳 余金书 夏良树 谢小龙 中国核电工程有限公司 中核四川环保工程有限公司 南华大学 华龙国际核电技术有限公司 摘 要： 核设施退役去污、清理和拆除常遇到需事先掌握残留在系统、设备内的放射性盘存量和分布情况, 这对于核安全和环境保护至关重要。本文介绍了核设施退役现场放射性检测的一种方法无损检测 (NDA) , 该方法通过源项建模计算, 能够解决传统的取样实验室不能开展退役放射性特性调查的难题, 且数据结果能够满足退役对数据质量精度的要求, 对我国核设施退役及废物管理有一定的借鉴作用。关键词： 无损检测; 现场 谱仪; 无源效率刻度; 一、概述Non-D
2、estructive Assay (NDA) 即无损检测分析技术, 是指在不损伤被测材料、不改变其物理、化学性能的情况下, 检查材料的内在或表面缺陷, 或测定材料的某些物理量、性能、组织状态等的检测技术。本文中所提到的无损分析技术 (NDA) 特指在放射性同位素测量中, 利用射线与物质的相互作用关系、射线能量与放射性同位素之间的关系等特性, 进行放射性同位素的非破坏性检测。二、NDA 技术原理和实现途径(一) NDA 原理介绍。Non-Destructive Assay (NDA) 即无损检测分析技术, 是指在不损伤被测材料、不改变其物理、化学性能的情况下, 检查材料的内在或表面缺陷, 或测定
3、材料的某些物理量、性能、组织状态等的检测技术。本文中所提到的无损分析技术 (NDA) 特指在放射性同位素测量中, 利用射线与物质的相互作用关系、射线能量与放射性同位素之间的关系等特性, 进行放射性同位素的非破坏性检测。NDA技术主要用于传统的取样实验室分析不能解决的放射性特性调查的难题, 例如在线设备中放射性核素滞留量的测量等。近年来, 国外先进实验室 (如美国 Los Alamos, 法国 CEA, 英国 BNFL 等) 也做了大量的科研工作, 无论是从测量性能指标, 还是从项目经济性角度, NDA 技术已经成为退役项目中不可或缺的重要手段。在可以搜索到的国外文献中可以发现, 在各种退役项目
4、中, NDA 技术已经得到了广泛的认可并且被大量运用。NDA 依靠一种数值模拟计算方法蒙特卡罗随机过程模拟方法, 利用在前期易于获得的数据作为基础, 通过经验计算得到一个模拟值, 再经过基于经验的理论计算过程, 最终得到一个估计值。NDA 无损分析方法的作用体现在:当取样测量无法实现或实现困难;或者在由于介质放射性活度的不均匀导致取样的代表性难以说明的情况下, 给出了一个模拟结果合乎逻辑关系的一种定量分析的技术方法。辐射源样品的放射性活度计算公式如下:由上式可知, 要想通过探测器的探测结果得到辐射源的真值 (Bq) , 最重要的是测量仪器刻度。刻度就是把观察到的辐射与一种或几种核素的质量关联起
5、来的测量方法。因为无损分析测量的误差主要来源于刻度与被测对象的不匹配, 即模拟测量对象的刻度, 模拟的越逼近, 测量误差就越小。(二) NDA 技术的实现方式。1. NDA 技术分解。无损检测的效率刻度建模分两个步骤进行:第一步, 在谱仪制造厂, 对每个独立的探测器表征, 即便规格相同, 用可溯源到国家标准的标准源对探测器进行效率刻度, 刻度在多个位置上进行, 在这一阶段, 探测器针对任何位置的辐射源 (能量从 45ke V7Me V) 的响应特性被建模, 探测器的详细结构和测量对象利用蒙卡方法建立模型进行计算和优化。第二步, 用户在使用探测器时, 根据待测的特定源, 以及辐射源在现场测量的几
6、何衰减, 选择一种合理的几何模型, 输入相应的物理参数来描述粒子输运径迹及空间分布, 以及源和探测器之间的距离及介质材料引起的衰减。将以上特性数据组合起来, 就可以通过效率以及积累在探测器上的辐射源 衰变的能量, 计算出总的样品活度。现场测量的数据包括:辐射源的位置及几何形状、辐射源的 能谱, 测量对象与探测器之间的距离, 以及计算结果自洽所需的周围剂量率。它们分别对应由 相机, 现场 谱仪及测距仪完成数据采集任务。用于无源效率刻度计算几何效率的有:ISOCS (堪培拉) 、MECURAD (堪培拉) 、NARVEOS (阿海珐) 或MCNP (蒙特卡罗计算方法) 建模。简单的几何形状的源用
7、ISOCS (无源效率刻度软件) 建模, 多个源的复杂几何体用 MECURAD、NARVEOS 建模, 更为复杂的用MCNP 建模。2. 相机的应用。对于放射性物质的位置和分布情况的初步测量可以由 相机完成。 相机采用小孔成像的原理对放射性物质在场景中进行准确的定位。对于现场的放射性活度的确定由探测器现场获取 能谱, 再用无源效率刻度软件建模, 对特定测量对象的几何效率进行理论计算。3. 无源效率刻度。传统的 射线能谱刻度是有源效率刻度。对于厂房内庞大的工艺系统设备、现场较大的容器或面积较大的区域, 这种方法是无法实施的。无源效率刻度方法是一种基于点源积分或蒙特卡罗计算方法, 用于作为刻度效率
8、的非常便捷的建模工具, 适用于多种类型的 辐射源。这一刻度软件已通过广泛、大量的辐射源和几何形状的验证。针对不同的放射源形状, 派生出多种源项建模计算软件。4. 低能 发射体核素活度的推定。针对停闭设施内放射性盘存量的问题。在使用 NDA 对 发射体能谱定量分析时应当注意, 在感兴趣的核素能谱范围内, 有一些核素由于自身发射的是低能 射线, 因此当存在较多的自吸收体的情况下很难或不可能通过测量的方式确定其存在。有一种可以准确估计出这种低能 发射体核素的方法是关联或比例系数。已证实并普遍得到认可的经验是, 不发射 射线的放射性核素活度浓度有时能用发射强 射线的放射性核素的活度浓度关联换算, 即能
9、够找到某些难于探测的放射性核素的可用的换算或比例因子。三、结语现场无损检测技术作为放射性特性调查和退役过程废物检测方法, 与传统的取样分析手段互为补充, 可便于制定、分析和比较退役情景, 更容易实现辅助退役设计方案的最优化;可提高退役方案的安全性, 更全面地反映剂量率水平的空间分布, 从而减小意外事件发生的可能性以及危害程度。随着探测器、电子学和计算机技术的不断发展及相互融合, 使得现场 NDA 技术的应用变为可能。通过积累实际应用中的经验, 该技术快速发展并逐步成熟。持续不断的退役测量经验表明, NDA 能够促进复杂的退役设施的源项数据取得, 使用 NDA 可大大降低人员受照剂量, 是保证核
10、电安全、可持续发展的重要举措。参考文献 2IAEA.Radiological Characterization of Shut Down Nuclear Reactors for Decommissioning Purposes.TECHNICAL REPORTS SERIES No.389 3R.S.Addleman, Application of a CdT e Gamma-Ray Spectrometer to Remote Characterization of High-Level Radioactive Waste TanksJ.IEEE Transactions on Nuclear Science, 1993, 6
