SGS技術在核設施退役中的應用范文

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《核電子學與探測技術雜志》2016年第二期

摘要:

為解決核設施退役中高密度桶裝廢物的測量問題，對sgs技術進行了適當地簡化。采用探測效率與介質對外源吸收一一對應的方法刻度系統，利用MC程序評估串擾影響，針對主要影響因素利用介質對外源的吸收來校正串擾影響。實驗結果顯示:在放射源隨機分布、介質密度低于1．8g/cm3的情況下，對137Cs計算結果誤差在±20%內。實驗表明:根據實際需求，對SGS技術進行適當地簡化應用是可行的。

關鍵詞:

SGS技術;串擾影響;隨機分布

隨著核技術的廣泛應用，放射性廢物量與日俱增［1］，國家逐步加強了廢物管理，制定了相應的標準，強化對核廢物的監管。業主最終需將放射性廢物送至廢物處置場貯存或處理，為了運輸和處置這些中低放廢物的需要，對產生的中低放廢物必須用標準的圓柱型容器(鋼桶200L)或矩形容器(鋼箱、水泥箱)進行包裝，經整備后形成標準的廢物包裝體，并給出包裝容器內的放射性核素及活度［2］。非破壞分析方法(NDA)是解決這一問題的有效方法［3］，而分段γ掃描技術(SGS)是NDA方法中目前應用比較廣泛的［4－5］。該技術利用廢物的γ放射性特性，通過測定廢物包裝體發射γ射線的能量特征來判別核素種類和活度，具有非破壞性、快速測量、操作相對較簡單等優點。本工作以SGS技術的基本原理為理論依據，分析了標準設備在實際應用存在局限性的原因，在對系統探測效率刻度方法和串擾影響校正方法進行實驗研究的基礎上，對SGS測量技術進行適當簡化，以滿足非破壞性分析核設施退役工程中中高密度桶裝廢物的需求。

1SGS技術基本原理

SGS技術沿廢物桶中軸線將廢物分層，并假定各層的介質密度與放射性均勻分布。而實際情況不可能均勻分布，則通過勻速旋轉廢物桶來減小介質密度與放射性分布不均的影響，并用外源來校正介質密度。采用γ譜儀逐層測量，獲得每層某核素某個特征γ射線的計數率，結合探測器的響應函數建立一個矩陣關系式，解矩陣算出每層的核素量，求和獲得廢物桶內的核素總量［6］。一般情況下，準直器不能完全排除上下鄰近層發出的射線入射到探測器，如圖1所示，探測器不僅能接收到準直器張口對應的當前層發出的γ射線，也能接收到其它層的γ射線。將其它層對當前層探測器計數的影響稱為串擾。

2SGS技術應用局限

目前已有依據SGS技術開發出的標準設備用于核廢物的測量，例如，堪培拉WM2900廢物分析系統，對密度最高可達1g/cm3的200L桶，其不確定度為±20%;ORTEC的AURAS－3001桶裝放射性核廢物檢測計數器，對于均勻分布的放射源或者矩陣分布的放射源，其測量不確定度在10%以下。其指標只針對密度低于1g/cm3的輕質介質，對密度大的介質則不適用。而在核設施退役工程中，絕大多數核廢物的介質密度高于1g/cm3，甚至達到7．8g/cm3，這些標準設備在核設施退役工程中并不適用，只能解決極少數核廢物的測量問題。本實驗室根據需求，搭建了一臺樣機(見圖2)，用于核設施退役產生的桶裝廢物的測量。

3主要參數的獲取方法與實驗驗證

3.1探測效率獲取方法根據桶內的平均密度計算探測器的探測效率，利用介質對152Eu的吸收采用線性插入法進行校正。在幾十eV或幾百keV的低能段，若桶內存在結塊或空隙則對152Eu的吸收影響較大，采用線性插入法進行校正獲得的探測效率值的誤差也變大。這可能是原標準設備只適用介質密度低于1g/cm3廢物的原因之一，故該系統外源選定為60Co，利用其1．33MeV特征射線進行密度校正。定義參數介質吸收因子K，其與介質密度相關。通過介質對外源的吸收實驗獲得介質密度與吸收因子K的關系，由無源效率刻度軟件可得到介質密度與探測效率η的關系，利用中間量介質密度可以擬合出探測效率η與吸收因子K的關系。圖3是某高純鍺γ譜儀通過實驗值與無源效率刻度軟件計算值擬合的探測效率η與吸收因子K的關系。

3.2計數校正SGS技術通過解矩陣扣除串擾影響，而實際測量過程中情況復雜，可能矩陣是奇異的，導致結果存在數倍或更大的誤差。若要結果準確，則條件需更加明確，致使適用范圍變小。而在工程應用中，一個模型需要解決許多廢物的測量問題，故串擾影響的扣除需簡化。利用MCNP程序計算了均勻分布情況下每層打入探測器所在空間的光子數來考查串擾影響，圖例見圖4，計算條件見表1，結果見表2。以第4層為當前被測層，第3層串擾為19．7%，第5層串擾為18．8%，其它層串擾和6．4%，由此可知串擾主要來自被測層的上、下層。測量結果主要用于廢物分級，如含有半衰期大于30年的廢物，比活度小于或等于4×106Bq/kg的是低放廢物;比活度大于4×106Bq/kg，且釋熱率小于或等于2kW/m3的是中放廢物;比活度大于4×1010Bq/kg，且釋熱率大于2kW/m3的是高放廢物［7］，由此可估計，結果可接受的誤差范圍較大，故除被測層上、下層外，其它層的串擾無需作為主要因素考慮，可忽略。在SGS基礎上，作兩假設來簡化串擾校正:(1)被測層的計數影響主要來自于上、下層;(2)局部一致，即當某層定為被測層，其上、下層與該層分布完全相同。放射源按固定分布(如沿直徑分布)與某均勻介質模擬一高度為10cm的廢物，放置于旋轉臺上測量，被測核素感興趣區凈計數率為n1;測量完畢后，探測器升高10cm再測量，被測核素感興趣區凈計數率為n2，定義f(f=n2/n1)為影響因子。實驗數據見表3，擬合的影響因子與吸收因子曲線見圖5。

3.3實驗驗證利用137Cs標液(總活度為83250Bq)、均勻介質、鋁棒(模擬存在結塊情況)、廢物桶隨機制作模擬廢物，模擬樣測量結果見表4。結果表明:介質密度低于1．761g/cm3的情況下，

4結論

實驗結果表明:該技術適用于介質密度在1．8g/cm3內的桶裝廢物非破壞測量，保障了部分放射性廢物外運送貯的順利實施。根據實際需求，對SGS技術進行適當地簡化是可行的。今后將根據核設施退役工程的實際需要開展驗證實驗，確定該技術適用的介質密度極限范圍，更大程度地滿足核退役工程需求。

作者：蘇容波 李濤文 夏文友 胡碧濤 單位：蘭州大學核科學與技術學院 中國工程物理研究院核物理與化學研究所