核燃料組件無損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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燃料組件是反應(yīng)堆的核心部分，燃料組件的安全性對(duì)于整個(gè)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行有著重要的意義。在高溫、高壓及強(qiáng)中子輻射場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境條件下，燃料棒中芯塊會(huì)出現(xiàn)腫脹、變形甚至包殼破裂，嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。為了研究核反應(yīng)堆燃料組件的安全性和完整性，了解其熱力學(xué)性能和機(jī)械性能非常重要。通過傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，如金相學(xué)，來檢測(cè)燃料棒中心空洞和裂紋，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，且需要破壞燃料組件自身的結(jié)構(gòu)，無法檢測(cè)燃料棒的形變。X射線無損檢測(cè)技術(shù)可以簡(jiǎn)易且快速的檢測(cè)燃料組件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并且費(fèi)用低，不產(chǎn)生廢物。探測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)燃料組件無損檢測(cè)系統(tǒng)中的核心部分，其性能對(duì)于重建圖像的質(zhì)量有著重要的影響。為了提高高能X射線在探測(cè)器中的能量沉積率，一般選用鎢酸鎘（CdWO4）晶體。鎢酸鎘晶體具有密度大（ρ＝7．9g／cm3）、原子序數(shù)高（Z＝64．2）、熒光轉(zhuǎn)換率（1．2×104～1．5×104光子／MeV）高等優(yōu)點(diǎn)，且其熒光波長(zhǎng)（470／540nm）與一般的光電二極管敏感波長(zhǎng)相匹配，在高能X射線無損檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)核燃料組件探測(cè)的特殊性，本文通過蒙特卡羅方法，研究了在9MeV直線加速器下，不同尺寸的CdWO4晶體的能量沉積率和串?dāng)_率，得到了最佳的晶體尺寸；模擬了燃料組件自身強(qiáng)輻射對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響，優(yōu)化后準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)從而將燃料組件自身輻射的影響降至最低。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的探測(cè)系統(tǒng)將為改善重建圖像的質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1模擬計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)

1．1蒙特卡羅方法

蒙特卡羅方法是以概率統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)的一種數(shù)學(xué)計(jì)算方法。蒙卡方法可以真實(shí)地模擬實(shí)際粒子運(yùn)動(dòng)的物理過程，其仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較吻合，可以得到滿意的結(jié)果。MCNP可以解決電子、光子以及中子的聯(lián)合運(yùn)輸問題，光子和電子的能量范圍從1keV到1000MeV，選用MCNP5版本，抽樣次數(shù)為一百萬次，準(zhǔn)直器孔徑選用0．4mm。

1．2CdWO4晶體能量沉積率的估算

在以往的文獻(xiàn)中，采用蒙特卡羅方法研究探測(cè)器的能量沉積率，大多采用單能的X射線。對(duì)于9MeV直線加速器，其產(chǎn)生的X射線為連續(xù)譜，為了更好地接近實(shí)際，采用麥克斯韋譜模擬加速器所產(chǎn)生的連續(xù)譜（，并在此基礎(chǔ)上估算晶體的能量沉積率。所采用的模型如圖2，CdWO4晶體高為5mm，X射線沿x軸入射改變CdWO4晶體截面寬度和晶體長(zhǎng)度進(jìn)行模擬，可以得到其能量沉積率與截面寬度和晶體長(zhǎng)度之間的關(guān)系，隨著晶體截面寬度和晶體長(zhǎng)度的變大，能量沉積率隨之增大。從圖中可以得出，在晶體尺寸為2mm×5mm×30mm時(shí)，能量沉積率為38％。當(dāng)進(jìn)一步增加晶體的橫截面積時(shí)發(fā)現(xiàn)，CdWO4晶體截面尺寸對(duì)能量沉積率的影響逐步減小。因此，進(jìn)一步模擬當(dāng)長(zhǎng)度一定時(shí)（30mm），晶體能量沉積率與晶體截面寬度之間的關(guān)系。當(dāng)截面寬度較小時(shí)，隨著截面寬度的增長(zhǎng)，能量沉積率快速的增長(zhǎng)，當(dāng)截面寬度大于3mm時(shí)，增長(zhǎng)變緩。截面寬度從1mm增加到2mm時(shí)，能量沉積率增長(zhǎng)了19．1％；截面寬度從3mm增加倒4mm時(shí)，能量沉積率僅增長(zhǎng)了2．6％。因此，綜合考慮能量沉積率以及系統(tǒng)空間分辨率，最佳晶體尺寸選擇為3mm×5mm×30mm。

1．3串?dāng)_率

通過輻照后核燃料組件的探測(cè)環(huán)境十分復(fù)雜，各種背景干擾都將對(duì)探測(cè)成像產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，其中探測(cè)單元之間的串?dāng)_也是不容忽視的問題。經(jīng)過準(zhǔn)直器入射到CdWO4晶體內(nèi)的X射線，其中的一部分散射光子、光電子以及X射線等會(huì)被相鄰的探測(cè)器采集到，形成串?dāng)_信號(hào)，對(duì)重建圖像的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。改變相鄰兩塊CdWO4晶體之間的隔離層的厚度，模擬串?dāng)_率與隔離層厚度之間的關(guān)系，隔離層采用鉛作為屏蔽材料。通過蒙特卡羅模擬，選用寬度為0．4mm的準(zhǔn)直器，隨著隔離層厚度的改變，串?dāng)_率隨之改變。，在沒有隔離層的情況下，串?dāng)_率為11．5％，當(dāng)隔離層為0．8mm時(shí)，串?dāng)_率下降為1．6％。改變隔離層的材料，用Wu代替Pb進(jìn)行模擬計(jì)算。在隔離層厚度處于0．2mm到0．4mm之間時(shí)，由于Wu的密度大于鉛，可以更好地隔離X射線，減小串?dāng)_率。當(dāng)隔離層厚度大于0．6mm時(shí)，兩者的隔離作用趨同，0．6mm時(shí)僅相差0．41％。因此，隔離層最佳厚度選為0．6mm，隔離材料選用鉛。

2準(zhǔn)直器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于輻照后的燃料組件具有很強(qiáng)的放射性，乏燃料經(jīng)冷卻后，大部分放射性源自銫－137和鍶－90。鍶－90發(fā)生β衰變，其半衰期為28．1a，銫－137的半衰期為30．17a。銫－137衰變放出的能量為662keV的光子是輻照后燃料組件強(qiáng)輻射的主要來源。燃料組件每秒約產(chǎn)生1013個(gè)光子，其輻射出的光子進(jìn)入探測(cè)器，形成背景輻射，對(duì)信號(hào)采集和圖像重建產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。采用的模型中，燃料組件活性區(qū)長(zhǎng)度為1．5m，其輻射出的一部分光子可以不經(jīng)過后準(zhǔn)直器而直接進(jìn)入探測(cè)器，從而產(chǎn)生很大的噪聲信號(hào)。因此，需要對(duì)后準(zhǔn)直器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減弱燃料組件自身輻射帶來的影響。通常情況下，后準(zhǔn)直器，前縫板縫寬5mm，中縫板垂直縫寬為0．4mm，若采用此種設(shè)計(jì)，經(jīng)模擬，每秒鐘燃料組件輻射出的光子進(jìn)入探測(cè)器的數(shù)量約為3×107，若不加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，將對(duì)圖像重建產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了降低燃料組件輻射的影響，加速器工作在脈沖狀態(tài)，探測(cè)器與加速器同步工作。當(dāng)加速器脈沖頻率為250Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為2．5μs時(shí)，中心軸線上距離靶1m處X射線劑量率為3000cGy／min，加速器距離探測(cè)器的1．4m，晶體尺寸為4mm×7mm×30mm。經(jīng)計(jì)算，單個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)，單個(gè)探測(cè)單元接受到的由加速器產(chǎn)生的X射線光子數(shù)為2．7×106。由于燃料組件自身的強(qiáng)輻射，單個(gè)探測(cè)單元接受到的來自燃料組件的光子數(shù)約為75。優(yōu)化后準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)模型示于。在中縫板的后方，增加后縫板，即在探測(cè)模塊上下兩側(cè)增加屏蔽板，以屏蔽燃料組件輻射出的直接被探測(cè)器接收的光子。屏蔽板采用鎢鐵鎳合金，厚度為15mm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，一個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入探測(cè)器的光子數(shù)量減小為7．6。減小了背景輻射在探測(cè)器中的貢獻(xiàn)，有利于圖像重建質(zhì)量改善。

3結(jié)論

通過對(duì)燃料組件無損檢測(cè)探測(cè)系統(tǒng)的模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過模擬計(jì)算，綜合考慮CdWO4晶體截面寬度、晶體厚度、晶體之間隔離材料、隔離材料厚度等因素，可以得出，在晶體截面寬度為3mm，晶體厚度為30mm，隔離材料選用鉛，且隔離層厚度為0．6mm時(shí)，由CdWO4晶體構(gòu)成的線性陣列探測(cè)器的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。通過模擬，對(duì)后準(zhǔn)直器進(jìn)行優(yōu)化，增加了后縫板，減小了背景輻射在探測(cè)器中的貢獻(xiàn)。

作者：崔堯 張向陽 何高魁 單位：中國原子能科學(xué)研究院