無源效率刻度在核電站廢物分揀中的應(yīng)用

寇子琦，李緒平，朱晨晨

(中核四○四有限公司第二分公司，甘肅 蘭州 732850)

溴化鑭探測(cè)器探測(cè)器是今年來研制成功的新型鹵化物閃爍體探測(cè)器，由LaBr3摻雜少量激活劑Ce3+(鈰)組成，與常用的NaI探測(cè)器相比較，該類型探測(cè)器有對(duì)γ射線更高的阻止本領(lǐng)；更快的閃爍時(shí)間，更高能量分辨率以及更穩(wěn)定的溫度特性[1-2]。與高純鍺探測(cè)器比較，分辨率較低，但是高純鍺探測(cè)器需要在低溫(77 k)下工作，需要用致冷設(shè)備對(duì)探頭降溫，而溴化鑭探測(cè)器可以在常溫下工作。因此，所以溴化鑭探測(cè)器有較好的環(huán)境適應(yīng)性，更加適用于野外或室外工作。在放射性廢物分揀的過程中，由于放射性廢物堆積的所在的環(huán)境比較復(fù)雜，若用高純鍺探測(cè)器，需要不斷添加液氮，若用風(fēng)致冷降溫，則由于儀器需要經(jīng)常搬動(dòng)，冷卻器件容易損壞，從而造成工作不便。所以在對(duì)分辨率要求不高的前提下，用溴化鑭探測(cè)器，更容易適應(yīng)工作現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)完成工作任務(wù)。

本文針對(duì)核電放射性廢物分揀的工作現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)溴化鑭探測(cè)器對(duì)2 m3廢物鋼箱中的廢物包進(jìn)行了無源效率刻度。γ輻射測(cè)量中，確定探測(cè)效率是關(guān)鍵技術(shù)，常用的刻度技術(shù)為有源刻度技術(shù)和無源刻度技術(shù)兩種。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無源效率刻技術(shù)因其具有方便、快捷等特點(diǎn)，在輻射測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其準(zhǔn)確性已經(jīng)得到科研工作者的廣泛驗(yàn)證[3～6]。目前，國(guó)外開發(fā)的無源刻度軟件有Canberra 公司生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室無源效率刻度軟件LabSOC。在國(guó)內(nèi)，開發(fā)的無源刻度軟件有Gammacalib，其核心算法的正確性已經(jīng)得到了200多塊不同能量和能量體源的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果檢驗(yàn)[7]。與有源刻度技術(shù)比較，無源刻度的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

(1)無源刻度技術(shù)具有很強(qiáng)的建模能力，可以針對(duì)不同屬性的放射源建立模型，計(jì)算簡(jiǎn)便，快速省時(shí)；

(2)無需使用標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行效率刻度，無需管理和處置放射源，不需要辦理放射源許可證，為放射源的管理工作帶來簡(jiǎn)便；

(3)實(shí)驗(yàn)室不設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)放射源，減小了污染實(shí)驗(yàn)室和危害工作人員的可能性，無需擔(dān)心丟失放射源，增加核安全；

(4)減小開支，節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

本文針對(duì)核電廢物收集過程中所用的2 m3放射性廢物收集鋼箱，利用國(guó)產(chǎn)Gammacalib軟件，建立了測(cè)量距離分別為1 m3和2 m3的廢物鋼箱模型，分別進(jìn)行了無源效率刻度，并根據(jù)刻度結(jié)果，對(duì)核電放射性廢物分揀后鋼箱廢物包的放射性進(jìn)行了測(cè)量。

1 探測(cè)器性能

本次實(shí)驗(yàn)采用北京中智核安科技有限公司生產(chǎn)用便攜式溴化鑭譜儀，其型號(hào)為Gemini-L-7575，探測(cè)器的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 探測(cè)器型號(hào)及主要指標(biāo)Table 1 Types and Main Indicators of Detectors

2 能量刻度

利用溴化鑭探測(cè)器自帶的放射源la138的 37.26 keV和1435.795 keV進(jìn)行能量刻度，對(duì)應(yīng)的道址分別為28和2457，刻度時(shí)的譜圖如圖1所示。

圖1 能量刻度譜圖Fig.1 Energy scale spectrum

3 無源效率刻度

用UG NX4.0三維軟件，建立廢物包模型，如圖4所示，其中廢物包的尺寸為長(zhǎng)×寬×高=2050 mm×1010 mm×1010 mm。

圖2 廢物包模型Fig.2 Waste bag model

由于廢物包的主要填充物為塑料，其化學(xué)組分為C2H6，密度設(shè)置為 0.15 g/cm3。設(shè)置探測(cè)器距離分別為1 m和2 m，其中當(dāng)廢物的放射性較低時(shí)可用將探測(cè)器放置在1m處測(cè)量，當(dāng)放射性較高時(shí)放置在2 m處測(cè)量。分別計(jì)算效率曲線(50～7000 keV)，如圖3所示。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于廢物包用鋼箱承載，故需要考慮鋼箱對(duì)γ射線也具有衰減作用。根據(jù)蒙特卡羅模擬結(jié)果，對(duì)于3 mm厚的鋼板，對(duì)與200～1200 keV以上的γ射線，其衰減系數(shù)近似按照0.3～0.4估計(jì)[8-9]，即對(duì)表3中的探測(cè)效率再除以0.3～0.4，作為放射性廢物包(包括鋼箱)的探測(cè)效率。

圖3 能量-效率刻度曲線Fig.3 Energy-efficiency calibration curve

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，典型的溴化鑭探頭測(cè)量的廢物包譜圖如圖4所示。

圖4 實(shí)際廢物包的測(cè)量譜圖Fig.4 Measurement spectrum of actual waste bags

考慮鋼板的吸收，測(cè)量過程中所使用的各個(gè)核素及其效率因子如表2所示。

表2 主要核素的能量及探測(cè)效率*Table 2 Energy and detection efficiency of main nuclides

*：考慮鋼板的吸收。

4 放射性活度濃度的計(jì)算

放射性廢物放射性活度濃度的計(jì)算方法按照式1計(jì)算：

(1)

式中：A—— 廢物包放射性活度濃度

C——測(cè)量核素某一能量的凈計(jì)數(shù)率

η——對(duì)應(yīng)能量效率

λ——對(duì)應(yīng)能量分支比

W——廢物包重量

5 實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，同時(shí)依據(jù)環(huán)保部發(fā)布《放射性廢物分類》( 2018年1月1日起施行)對(duì)廢物的類型進(jìn)行分類，部分結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)際測(cè)量的部分?jǐn)?shù)據(jù)Table 3 Partial data from actual measurements

由表3可以看出，該批次廢物中的主要核素主要為58Co、95Nb、60Co、154Eu等，廢物包主要為低放射性廢物。

6 結(jié) 論

通過本次研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)可以用無源效率刻度的方法，實(shí)現(xiàn)放射性廢物包的效率刻度，簡(jiǎn)化了工作流程，節(jié)約了時(shí)間及放射源管理成本；

(2)用溴化鑭探測(cè)器可以應(yīng)用于對(duì)分辨率要求不高，但是工作條件復(fù)雜的工況，特別是廢物分揀的場(chǎng)所。