安全殼卸壓排放氣體在線輻射監(jiān)測儀的理論設(shè)計

徐衛(wèi)鋒，沈明啟，羅 鵬，代傳波

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，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)

隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，核電關(guān)鍵儀表國產(chǎn)化率正逐年上升，其中安全殼卸壓排氣活度監(jiān)測儀擔(dān)負著評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)進度受到各方關(guān)注。當核電廠發(fā)生嚴重事故(如堆芯熔化)時，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)測通道位于過濾系統(tǒng)之后，安裝在安全殼卸壓排氣總管中。該監(jiān)測儀主要測量安全殼卸壓時向環(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)境影響評價提供參數(shù)。

在核電廠卸壓排氣過程中，排放氣體經(jīng)過濾系統(tǒng)后最高溫度仍可達140 ℃左右[1]。主煙囪附近放置探測裝置處的環(huán)境γ劑量率可達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)，排放氣體瞬時比活度波動性高，因此難以采用取樣后實驗測量的方法進行評估。過濾后卸壓排放氣體中主要放射性核素為惰性氣體，最直接的測量方法是測量β放射性核素的活度。由于β射線測量需與待測氣體接觸，一般在線監(jiān)測型β探測器(如塑料閃爍體探測器)難以承受高溫工作的環(huán)境，因此直接測量β放射性難度很高。本文給出一種管道外測量γ放射性活度來評估卸壓排放氣體活度的監(jiān)測方案，同時利用MCNP對設(shè)計方案進行優(yōu)化設(shè)計。

1 設(shè)計方案

1.1 監(jiān)測方案

當核電廠發(fā)生嚴重事故時，安全殼卸壓排氣監(jiān)測通道投入工作。安全閥打開后，放射性氣體從安全殼內(nèi)排出，經(jīng)過濾系統(tǒng)過濾流進監(jiān)測儀測量管道，卸壓排放氣體發(fā)出γ射線被監(jiān)測設(shè)備測量，從而獲得待測氣體活度信息。圖1為安全殼卸壓排氣系統(tǒng)。

經(jīng)過濾系統(tǒng)過濾進入測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、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，需重點監(jiān)測。考慮到137Cs測量時其峰面積計數(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測量不準確，故選擇131I、134Cs為重點監(jiān)測對象；事故時其排放量分別約為1.6×1017、1.8×1016Bq[3]。因此，在探測裝置設(shè)計過程中，重點選取131I、134Cs及總γ進行模擬計算。針對卸壓管道排放氣體的實際情況，對監(jiān)測設(shè)備研制提出如下要求：探測器需耐溫140 ℃[1]；能量測量范圍為0.2～2 MeV；滿足對131I(3.7×108Bq/m3)、134Cs(3.7×108Bq/m3)和總γ(4.0×1010Bq/m3)的最小可探測活度濃度。

圖1 安全殼卸壓排氣系統(tǒng)

碘化鈉探測器由于其功耗低[4]、耐溫性優(yōu)良(可達150 ℃以上)[5-6]、對γ射線能量沉積好，在γ射線測量中扮演著重要角色[7]。本次設(shè)計方案采用耐高溫型NaI(Tl)閃爍體探測器作為探測元件。同時在閃爍體中內(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題。

測量方案示于圖2。其中：1) 探測裝置用于將來自測量管道的γ射線轉(zhuǎn)化為脈沖信號，它由定期檢驗源控制裝置(檢測探測器能否正常工作)、2只NaI(Tl)閃爍探測器(1只用作測量，1只用作本底扣除)、探測器鉛屏蔽體(圖中灰色部分)以及帶有準直孔的測量套筒組成；2) 數(shù)據(jù)處理單元用于將探測裝置的輸出信號轉(zhuǎn)換成標準脈沖，進行處理和計算，顯示測量結(jié)果，其中內(nèi)嵌的低壓模塊和高壓模塊分別為探測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)場部件與處理機柜之間的電纜連接，并能在現(xiàn)場啟動監(jiān)測通道源檢裝置；4) 遠程信息處理機柜用于對測量箱輸出的信號進行處理和分析，計算、顯示、儲存和打印測量結(jié)果，進行監(jiān)測道啟動、源檢控制和設(shè)置監(jiān)測道參數(shù)。

圖2 測量方案

1.2 屏蔽方案

事故狀態(tài)下2×100 MW級核電廠安全殼卸壓排氣管道附近的環(huán)境劑量率可達50 Gy/h，對探測器造成的計數(shù)率遠超過后續(xù)電子學(xué)最大限值，故將探測器直接置于測量管道外進行測量的方法不可取。為使探測器實現(xiàn)高輻射環(huán)境測量，本次設(shè)計對探測器采取了鉛屏蔽處理(圖2)。

準直器對探測器探測效率、最小可探測活度濃度有顯著影響，合理地設(shè)計準直器對安全殼卸壓排氣監(jiān)測設(shè)備至關(guān)重要。為了兼顧探測效率和最小可探測活度濃度，同時滿足后續(xù)電路電子學(xué)最大計數(shù)率要求，可通過調(diào)整準直孔長度及直徑來優(yōu)化探測效率、最小可探測活度濃度等監(jiān)測設(shè)備性能指標。在設(shè)計過程中探測器準直孔長度的調(diào)整范圍為40～320 mm，準直孔直徑的調(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射線對測量結(jié)果的影響，采用錫制成的過濾器來剝離低能γ射線。實際工程中對探測器采用了較厚的鉛屏蔽，但由于進入準直孔的高能γ射線與準直孔壁的鉛發(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射線等均對測量探測器計數(shù)率造成影響[9]，為了降低這種雜質(zhì)射線對測量結(jié)果的影響，在準直孔壁采取內(nèi)襯錫層和銅層來吸收這些干擾射線[10]。準直孔設(shè)計示于圖3。

圖3 準直孔設(shè)計

2 模擬計算

2.1 計算模型

當放射性氣體流進安全殼卸壓排氣測量管道時，各向同性地向外發(fā)射γ射線，γ射線通過探測裝置的準直孔與NaI(Tl)閃爍體作用。NaI(Tl)閃爍體將探測到的光子轉(zhuǎn)化成脈沖信號，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計算時，放射源抽樣長度為500 mm、抽樣半徑為195 mm。其中NaI閃爍晶體的尺寸為φ50 mm×50 mm。準直器的長度、孔徑及屏蔽體厚度隨設(shè)計過程不斷調(diào)整，具體模型示于圖4。

圖4 安全殼卸壓排氣活度監(jiān)測儀MCNP粒子抽樣圖

2.2 計算結(jié)果與分析

1) 屏蔽體設(shè)計計算

采用鉛對探測器進行屏蔽可降低環(huán)境本底對測量探測器計數(shù)率的影響，為此，計算了不同鉛屏蔽體厚度下(160～320 mm)環(huán)境本底對測量探測器計數(shù)率的影響(圖5)。從圖5可看出，本底引起的計數(shù)率與鉛厚度呈指數(shù)遞減關(guān)系。屏蔽體越厚固然對初級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射線的干擾[9]，所以主屏蔽體不宜過厚。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)計厚度。同時，在屏蔽體內(nèi)采用了差分式的測量原理，即如圖2利用2只探測器，其中測量探測器用于記錄來自測量準直孔、主屏蔽體(包括特征X射線)及高輻射環(huán)境γ放射性活度，補償探測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，達到進一步降低高輻射環(huán)境及主屏蔽鉛散射出的雜質(zhì)射線對測量探測器計數(shù)率的影響。

圖5 鉛屏蔽體厚度對本底計數(shù)率的影響

2) 過濾器設(shè)計計算

為使過濾器對低能γ射線(200 keV以下)實現(xiàn)最佳剝離效果，需合理設(shè)計過濾器厚度。為此，對不同厚度過濾器的過濾效果進行了模擬計算，如圖6所示。從圖6可看出，錫片越厚對低能γ射線過濾效果越明顯。為了盡量保證高能部分(大于200 keV)γ射線不被濾去，又達到對低能γ射線很好的剝離效果，采用30 mm厚的錫片作過濾器可滿足設(shè)備對能量的測量要求。

圖6 錫片厚度對不同能量的過濾效果

3) 準直孔設(shè)計計算

在準直孔設(shè)計過程中需合理控制探測效率以保證測量探測器計數(shù)率不超過后續(xù)電子學(xué)所承受的計數(shù)率限值。由于準直孔長度對探測效率有影響，為此，在保證其他條件不變情況下，計算了不同長度準直孔與探測器探測效率的關(guān)系，如圖7所示。圖7表明，隨準直孔長度的增大，探測器向低探測效率過渡，準直孔越長探測效率的降低速度越趨于平緩。因此在實際設(shè)計中，必須保證準直孔有足夠長度，確保并實現(xiàn)探測效率有效控制。綜合考慮準直孔長度與探測器探測效率的控制效益，選擇280 mm為設(shè)備設(shè)計參考準直孔長度。

圖7 探測效率與準直孔長度關(guān)系

為了確定過濾器最佳安放位置，在計算過程中控制準直孔長度不變，不斷調(diào)整過濾器在準直孔的位置，得到圖8所示計算結(jié)果。結(jié)果表明，過濾器的放置位置對探測效率影響不大?？紤]到探測裝置因放置時間過長灰塵對準直孔的堵塞及維修方便，應(yīng)將過濾器置于設(shè)備準直孔口處。

圖8 過濾器相對準直孔口位置與探測效率的關(guān)系

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

表1 安全殼卸壓排放氣體總γ探測效率

3 驗證計算

為了驗證MCNP的計算結(jié)果，模擬計算了探測裝置對137Cs放射源的單核素測量能譜并與實驗測量結(jié)果進行了比較。由于卸壓排放氣體核素復(fù)雜、試驗源制作難度較大，所以采用了137Cs點狀源來驗證，結(jié)果示于圖9。結(jié)果表明，模擬計算的能譜與實驗測到的137Cs能譜吻合較好，得出MCNP用于卸壓排氣在線監(jiān)測儀的設(shè)計研究是可信的，上文模擬計算結(jié)果對設(shè)備研發(fā)具有很好的參考價值。

表2 準直孔直徑對131I、134Cs、總γ最小可探測活度濃度的影響

圖9 模擬計算能譜與實驗?zāi)茏V對比

4 結(jié)語

通過對屏蔽體、準直器的模擬計算，得出合理的設(shè)計屏蔽體及準直器對安全殼卸壓排放氣體放射性活度監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計至關(guān)重要。

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

2) 合理設(shè)計過濾器可實現(xiàn)對低能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，滿足過濾器對低能γ射線的剝離要求。

3) 準直孔對探測效率的影響非常大，可通過對準直孔的設(shè)計來實現(xiàn)對探測效率的控制，從而控制探測裝置的靈敏度，滿足測量范圍要求。

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

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