我國核電站放射性廢物桶外測(cè)量方法概述

申伽奇 徐靈

摘 要 截至2019年底，我國已投運(yùn)核電機(jī)組47臺(tái)，裝機(jī)容量4875萬千瓦，在建核電機(jī)組15臺(tái)，裝機(jī)容量約1700萬千瓦。隨著核電站的長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生大量的放射性固體廢物，這些放射性廢物常被壓縮在廢物桶中，為了處理、運(yùn)輸和處置這些放射性固體廢物，必須估計(jì)廢物中的放射性核素的含量。但由于桶裝核廢物的分布不均勻、基體密度差異較大，很難取得具有代表性的樣品對(duì)核廢物進(jìn)行化學(xué)分析。目前國內(nèi)外通常采用的是運(yùn)用中子探測(cè)技術(shù)和射線探測(cè)技術(shù)相結(jié)合的非破壞性分析方法（NDA），對(duì)桶裝核廢物進(jìn)行整體檢測(cè)。

關(guān)鍵詞 核電站;放射性廢物;測(cè)量

1 整體γ掃描測(cè)量（IGS）原理

從機(jī)械上講，它們是最不復(fù)雜的化驗(yàn)系統(tǒng)類型，通常用于已知或可以假設(shè)檢測(cè)器樣品視野內(nèi)的基質(zhì)和活性分布的應(yīng)用中。單發(fā)系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的類型是單個(gè)伽馬射線檢測(cè)器，它可以查看樣品的全部體積。多探測(cè)器單次檢測(cè)方法的一個(gè)示例是總γ計(jì)數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由放置樣品的外殼組成。為了在大容器上進(jìn)行測(cè)量，可以使用檢測(cè)器陣列，每個(gè)檢測(cè)器分別觀察樣品的體積。由于所有檢測(cè)器均同時(shí)收集數(shù)據(jù)，因此將樣品測(cè)量到給定精度所需的時(shí)間得以最小化，但是覆蓋整個(gè)樣品量的要求可能意味著需要大量檢測(cè)器和獨(dú)立的計(jì)數(shù)鏈。實(shí)際上，在系統(tǒng)復(fù)雜性和使用多個(gè)檢測(cè)器提供的空間分辨率之間取得了平衡。通常，此類系統(tǒng)使用3～6個(gè)檢測(cè)器來覆蓋200升桶的高度。

2.1 整體計(jì)數(shù)的優(yōu)勢(shì)

①可以減少測(cè)量時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高樣品通量;②不需要復(fù)雜的掃描機(jī)制;機(jī)械制造和維護(hù)簡(jiǎn)單;③減輕操作員培訓(xùn)的負(fù)擔(dān)。

2.2 整體計(jì)數(shù)的局限性

①對(duì)于需要光譜分析的測(cè)量解決方案，存在相關(guān)的成本和復(fù)雜性問題;②需要先驗(yàn)知識(shí)/關(guān)于檢測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)基質(zhì)性質(zhì)和活性分布的假設(shè);③如果關(guān)于樣品特性的假設(shè)不正確，則可能存在明顯的測(cè)量偏差。整個(gè)廢物桶能夠同時(shí)被一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器探測(cè)到，測(cè)量的同時(shí)無需用外源透射測(cè)量，只需要定期在桶內(nèi)放入外源進(jìn)行校準(zhǔn)。適用于均勻的或者填充材料較清楚的低水平放射性廢物（LLW）的測(cè)量;探測(cè)效率大，測(cè)量時(shí)間短。

2 分層掃描γ掃描儀（SGS）

分段伽馬掃描器是最常見的掃描類型。SGS是一款軸向鼓式掃描儀，它使用一個(gè)或多個(gè)準(zhǔn)直的HPGe或NaI（Tl）檢測(cè)器來測(cè)量樣品不同水平切片（或部分）中的伽馬射線發(fā)射，其中假定基質(zhì)和活性為均勻且均質(zhì)（200升桶通常使用4至20段）。檢測(cè)器被視為完全準(zhǔn)直，也就是說，其響應(yīng)在其視場(chǎng)上是均勻的，并且視場(chǎng)被認(rèn)為是整個(gè)樣本的狹窄切片。可以使用與樣品另一側(cè)的檢測(cè)器在直徑上相對(duì)的傳輸源來測(cè)量每個(gè)段的伽馬射線衰減特性。在測(cè)量過程中，將檢測(cè)器（和透射源，如果有的話）垂直掃描到樣品上方（或?qū)悠窉呙柰ㄟ^檢測(cè)器/透射源），并檢查容器的伽馬射線光譜（有無暴露出透射源，如果有的話）旋轉(zhuǎn)樣品以減少由活度分布和基質(zhì)材料的異質(zhì)性引起的偏差。通常，每個(gè)單獨(dú)的分段測(cè)量都是使用固定高度的檢測(cè)器/樣品進(jìn)行的。在某些系統(tǒng)上，測(cè)量是在進(jìn)行掃描時(shí)進(jìn)行的，并且垂直掃描速度與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)聯(lián)。這種所謂的螺旋掃描方法可以系統(tǒng)地觀察樣品的整個(gè)垂直表面，并且經(jīng)常在預(yù)掃描過程中用于識(shí)別活動(dòng)的熱點(diǎn)。SGS分析最適合于低密度矩陣，但也可以用于高密度矩陣，前提是SGS分析的假設(shè)仍然有效。通常，對(duì)于廢物分析測(cè)量，可以通過獲得關(guān)于廢物來源和特征的可接受知識(shí)來確保。

2.1 SGS的優(yōu)勢(shì)

①提高了垂直異質(zhì)性樣品的測(cè)量精度;②僅需要一個(gè)檢測(cè)器和/或傳輸源（盡管通過使用多個(gè)檢測(cè)器可以提高吞吐量）;③用于測(cè)量桶中的核廢料系統(tǒng)完善方法成熟的主要設(shè)備。

2.2 SGS的局限性

①提供良好的樣品覆蓋率需要更長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間（盡管如果使用其他檢測(cè)器，則可以減少測(cè)量時(shí)間）;②具有中等復(fù)雜性和高成本的掃描機(jī)制;③檢測(cè)和校正段內(nèi)徑向異質(zhì)性影響的能力有限（基質(zhì)密度和活性分布均）;④維護(hù)成本較高;⑤操作員培訓(xùn)負(fù)擔(dān)比一站式系統(tǒng)高;⑥需要注意避免由于檢測(cè)器掃描平臺(tái)的移動(dòng)而引起的振動(dòng)（以及隨之而來的能量分辨率損失）引起的微音干擾。

3 層析γ掃描儀（TGS）

對(duì)于常規(guī)的SGS，其中樣品在檢測(cè)器的每個(gè)片段中以固定的視場(chǎng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，則數(shù)據(jù)將不支持假設(shè)樣品gamma活性在給定片段中均勻的替代方法。通常，此假設(shè)不能代表要測(cè)量的材料。SGS分析算法假設(shè)的限制原則上可以通過使用層析掃描成像技術(shù)來克服。

層析X射線掃描儀具有與SGS相同的基本組件，但是它具有更嚴(yán)格的檢測(cè)器準(zhǔn)直，轉(zhuǎn)盤增量旋轉(zhuǎn)和附加的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使檢測(cè)器可以沿與樣品軸垂直的方向移動(dòng)。這使得TGS可以獲取三維透射和放射斷層攝影投影數(shù)據(jù)。

3.1 TGS的優(yōu)勢(shì)

①通?？商岣呔哂写怪焙蛷较虍愘|(zhì)性樣品的測(cè)量精度;②僅需要一個(gè)檢測(cè)器和/或傳輸源，但是如果使用更多的檢測(cè)器，則吞吐量可能會(huì)增加;③根據(jù)觀察到的實(shí)際信號(hào)源分布獲取3-D映射和3-D矩陣補(bǔ)償。

3.2 TGS的局限性

①測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)（比同等SGS至少長(zhǎng)兩倍）;②掃描機(jī)制增加了機(jī)械復(fù)雜性，因此增加了維護(hù)要求;③如果不注意為準(zhǔn)直儀設(shè)置建立響應(yīng)矩陣，則復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析算法可能會(huì)引起“幻像”活動(dòng);④專業(yè)化程度高，成本高，培訓(xùn)負(fù)擔(dān)重。

4 結(jié)束語

目前，國內(nèi)核電廠主要應(yīng)用的儀器類型為SGS和IGS技術(shù)，通過對(duì)基本理論進(jìn)行研究和比較，認(rèn)為SGS系統(tǒng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析主要基于每層樣品的轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量及填充樣品的密度分布假設(shè)，但由于樣品內(nèi)部減弱系數(shù)分布未知，對(duì)減弱系數(shù)分布的不同假設(shè)將對(duì)放射性活度重建的理論計(jì)算公式帶來不同的誤差，從而影響分析結(jié)果。而IGS技術(shù)，不需要復(fù)雜的掃描機(jī)制，同時(shí)可以減少測(cè)量時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高樣品通量，從而更廣泛地應(yīng)用于電廠的廢物測(cè)量工作中。

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