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1、基于N13能谱符合法一回路泄露测量应用软件设计1.1研究意义随着地球上石化燃料资源的FI趋枯竭和石化燃料使用带来的日益突岀的环 境恶化问题，齐国都相继在努力寻求新的替代能源。核能作为一种高效、清洁、 安全、经济的能源，是解决我国当前能源结构优化和经济可持续发展的重大战略。 根据国家核电中长期发展规划(2005-2020年)，到2020年我国核电装机容量 将达到7000-8000万千瓦，核电占全部电力装机容量的比重从现在的不到2%提 高到4-5%。全卅界现在正在发电的核电站，压水堆占所有堆型的60%,在我国核电的发 展规划中，基本上确定以压水堆为主耍堆型。而对核电迅猛发展的形势，核动力 装置安全
2、监测是关系到核电平稳发展的关键Z ，核动力装置一凹路压力边界泄 漏监测是核动力装置安全监测的核心组成部分。因为压水堆核动力装置一回路中 含有高温高压水，这种水既作冷却剂乂作中子慢化剂。由于核燃料元件包売的泄 漏和一回路水中腐蚀产物的中子活化，使水中含有放射性核素。压水堆核动力装 置一凹路的堆本体及管道中的各焊接部位、机械接口处等，由于压力、腐蚀和辐 照等原因而产生裂纹和裂缝，特别是压力容器顶盖控制棒驱动机构与各阀门密封 不良会产生一回路水泄漏，如不能及时发现，不仅会降低容量因子及影响核反应 堆的正常运行，而且会对环境造成核污染。冃前核电站对一回路压力边界的监测 都是采用冗余技术，多个辐射监测通
3、道并存，提高对一回路圧力边界泄漏监测的 可靠性。同位素是核动力装置堆芯裂变中子与水中氢核发生弹性散射产生反 冲质子，大于一定能量(E=5.555MeV)的反冲质子再与水中,6O发生核反应后产生 的，门N具有13+衰变特性，可以作为核动力装置一凹路压力边界泄漏监测的示踪 剂，是一种有效的一凹路压力边界泄漏监测方法，具有源项可以准确计算，能够 定量的给出一冋路的泄漏率及响应快等优点，因此开展,3N同位素的测量方法及 技术研究，对监测核动力装置安全是十分必要的。在我国核电的发展规划中，核电设备国产化也被提到是关系到核电可持续发 展应解决的关键问题。本项冃:T作，主耍为研制压水堆核动力装置一凹路叩泄
4、漏监测装进行高灵敏探测的新方法研究，为研制实用的新一代监测装置提供技术 基础。对保障核电平稳发展具有非常重要的意义，同时适应国家核电自主化和核 电设备国产化的战略部署。应用前景很好，具有巨大的经济效益和社会效益。1. 2国内外研究现状及发展动态分析对于圧水堆核动力装置一冋路压力边界泄漏的监测，冃前国内外采用的监测 手段主耍有：安全壳内空气中啲放射性测量(以下简称”N监测)、安全売内空气 中惰性气体放射性测量、安全売内空气中气载 知 放射性测量和安全売内气溶胶 总B放射性测量这四种。诧监测是利用诧同位素作为泄漏示踪剂，通过监测 ,3n来监测一凹路泄漏及其发展趋势，具有源项可以准确计算，能够定量的
5、给出 一回路的泄漏率及响应快等优点，是一种先进的监测技术。在国外，法国上个世 纪九十年代就己经成功研制了细监测仪，并己应用丁核电站中。在国内，本研 究团队也在上个世纪九十年代得到当时核工业部的八五重点攻关项冃支持（课题 号：H32308950201）,就 啲监测原理、方法进行了研究，于1998年研制完成实 验室样机，随后核丁业部乂给予工程应用研究项冃支持（课题号:H6331108）, 于2002年研制成功T.程样机，2003年与秦山核电联营有限公司签订了 “堆本体 及控制驱动机构泄漏监测系统”横向课题，并于2004年成功应用丁秦山核电联 营有限公司，冃前运行情况很好。，3N泄漏监测作为一种新的
6、监测方法是由于源项可以准确计算，因为反应堆 冷却剂h20中13n来源丁如下核反应：堆芯裂变中子与水中氢核发生弹性散射产生反冲质子，即：H + “ T p + n大于一定能量（E=5. 555MeV）的反冲质子与水中的,6O发生核反应产生N, 即钿为旷放射性核素，B 半衰期为9.96 mine旷粒子与物质相互作用发生 正电子湮没效应，发射两个能量均为0.511MeV的光子，且两个光子向相反方向 运动。通过测量取样气体中0. 511MeV的Y射线计数，就可以得到取样空气中，3N 的放射性活度，再经过专门计算确定的泄漏传输系数进行换算，就可以求出压力 容器上顶盖处（若在此处空气取样）或一冋路承压边界
7、（若在安全壳内空气取样） 的水泄漏率。从上而简单介绍的氓泄漏监测原理可知，该项技术主耍是通过测量13N的 旷衰变所发射的0.511MeVY光子来实现泄漏监测。冃前，国内和国外已经研制 岀來的13N泄漏监测都是采用低本底Y能谱方法来进行测量，但在实际使用中存 在两个问题：一是仪器的探测下限较高，仪器的探测下限取决于本底大小，由于 监测工作在环境本底较高的安全売内，尽管采用低本底技术，但冃前国内外13n 监测仪探测下限綁只能达到泄漏率为10L/h的水平，而核电站该仪器的具体使用 部门都希望仪器的探测下限能够达到泄漏率为IL/h,因为冃前压水堆核电站的 一回路泄漏的正常水平在每天泄漏40升到120升
8、左右，因此现有的泄漏率探测 下限为10L/h的叩监测仪只能测岀突发的比较大的泄漏事故，不能反映出泄漏 的发展情况；二是采用低本底Y能谱方法是通过稳定能谱，来测量N的旷衰变 所发射的0.511MeVy光子來实现泄漏监测的方法，对能谱仪的长期稳定性耍求 很高。由于是长期在线监测，如果能谱发生漂移，就会使测得的0.511MeVy计 数率不准确，影响测量结果精确度，我们在研制锢监测仪时在稳谱方而做了大 量的工作大大地提高了所感兴趣测量能区的稳定度，使该仪器能够成功地 应用于核电站。本项冃是在课题组多年的研究基础上针对遇到的上述两个问题，在国内外首 次提出利用Y - Y能谱符合法来测量13N这种新方法，
9、国内外采用能谱符合法来降 低级联事件的本底已经是比较成熟的方法E5-C2I,因为”N为旷放射性核素，旷 粒子与物质相互作用时发生正电子湮没效应，同时发射两个能量均为0.511MeV 的光子，且两个0.511MeV光子向相反方向运动。通过能谱符合法来测量13N的计 数，即由两个探测器通过卡能量的方法分别测量这两个向相反方向运动的 0. 511MeV光子，再进行符合输出，以判断测量系统测得的计数是不是，3N的计数。 因为本底不是级联事件，只有偶然符合时两个探测器才有输出，因此利用能谱符 合法测量可以使本底比常规方法降低三到四个量级，即使符合探测效率降低一 到二个量级，还可以使仪器测量下限降低两个量级，即测量下限可降到0.1 L/h 左右。同时由于该方法符合道的能量窗口可以卡的宽一些，即使能量窗口扩大一 倍，对叩的计数和本底计数测量这样都不会有影响，因此使用该方法对能谱的 稳定耍求将大大降低，谱漂移不会对测量准确度产生影响。
