我國核電站放射性廢物桶外測量方法概述

申伽奇 徐靈

摘 要 截至2019年底，我國已投運核電機組47臺，裝機容量4875萬千瓦，在建核電機組15臺，裝機容量約1700萬千瓦。隨著核電站的長期運行，會產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、運輸和處置這些放射性固體廢物，必須估計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核廢物進行化學分析。目前國內外通常采用的是運用中子探測技術和射線探測技術相結合的非破壞性分析方法（NDA），對桶裝核廢物進行整體檢測。

關鍵詞 核電站;放射性廢物;測量

1 整體γ掃描測量（IGS）原理

從機械上講，它們是最不復雜的化驗系統類型，通常用于已知或可以假設檢測器樣品視野內的基質和活性分布的應用中。單發系統中最簡單的類型是單個伽馬射線檢測器，它可以查看樣品的全部體積。多探測器單次檢測方法的一個示例是總γ計數系統，該系統由放置樣品的外殼組成。為了在大容器上進行測量，可以使用檢測器陣列，每個檢測器分別觀察樣品的體積。由于所有檢測器均同時收集數據，因此將樣品測量到給定精度所需的時間得以最小化，但是覆蓋整個樣品量的要求可能意味著需要大量檢測器和獨立的計數鏈。實際上，在系統復雜性和使用多個檢測器提供的空間分辨率之間取得了平衡。通常，此類系統使用3～6個檢測器來覆蓋200升桶的高度。

2.1 整體計數的優勢

①可以減少測量時間，從而實現高樣品通量;②不需要復雜的掃描機制;機械制造和維護簡單;③減輕操作員培訓的負擔。

2.2 整體計數的局限性

①對于需要光譜分析的測量解決方案，存在相關的成本和復雜性問題;②需要先驗知識/關于檢測器視場內基質性質和活性分布的假設;③如果關于樣品特性的假設不正確，則可能存在明顯的測量偏差。整個廢物桶能夠同時被一個或多個探測器探測到，測量的同時無需用外源透射測量，只需要定期在桶內放入外源進行校準。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）的測量;探測效率大，測量時間短。

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，它使用一個或多個準直的HPGe或NaI（Tl）檢測器來測量樣品不同水平切片（或部分）中的伽馬射線發射，其中假定基質和活性為均勻且均質（200升桶通常使用4至20段）。檢測器被視為完全準直，也就是說，其響應在其視場上是均勻的，并且視場被認為是整個樣本的狹窄切片?？梢允褂门c樣品另一側的檢測器在直徑上相對的傳輸源來測量每個段的伽馬射線衰減特性。在測量過程中，將檢測器（和透射源，如果有的話）垂直掃描到樣品上方（或將樣品掃描通過檢測器/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）旋轉樣品以減少由活度分布和基質材料的異質性引起的偏差。通常，每個單獨的分段測量都是使用固定高度的檢測器/樣品進行的。在某些系統上，測量是在進行掃描時進行的，并且垂直掃描速度與轉盤旋轉速度相關聯。這種所謂的螺旋掃描方法可以系統地觀察樣品的整個垂直表面，并且經常在預掃描過程中用于識別活動的熱點。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分析的假設仍然有效。通常，對于廢物分析測量，可以通過獲得關于廢物來源和特征的可接受知識來確保。

2.1 SGS的優勢

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

2.2 SGS的局限性

①提供良好的樣品覆蓋率需要更長的測量時間（盡管如果使用其他檢測器，則可以減少測量時間）;②具有中等復雜性和高成本的掃描機制;③檢測和校正段內徑向異質性影響的能力有限（基質密度和活性分布均）;④維護成本較高;⑤操作員培訓負擔比一站式系統高;⑥需要注意避免由于檢測器掃描平臺的移動而引起的振動（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）

對于常規的SGS，其中樣品在檢測器的每個片段中以固定的視場連續旋轉，則數據將不支持假設樣品gamma活性在給定片段中均勻的替代方法。通常，此假設不能代表要測量的材料。SGS分析算法假設的限制原則上可以通過使用層析掃描成像技術來克服。

層析X射線掃描儀具有與SGS相同的基本組件，但是它具有更嚴格的檢測器準直，轉盤增量旋轉和附加的機械運動，使檢測器可以沿與樣品軸垂直的方向移動。這使得TGS可以獲取三維透射和放射斷層攝影投影數據。

3.1 TGS的優勢

①通常可提高具有垂直和徑向異質性樣品的測量精度;②僅需要一個檢測器和/或傳輸源，但是如果使用更多的檢測器，則吞吐量可能會增加;③根據觀察到的實際信號源分布獲取3-D映射和3-D矩陣補償。

3.2 TGS的局限性

①測量時間長（比同等SGS至少長兩倍）;②掃描機制增加了機械復雜性，因此增加了維護要求;③如果不注意為準直儀設置建立響應矩陣，則復雜的數據分析算法可能會引起“幻像”活動;④專業化程度高，成本高，培訓負擔重。

4 結束語

目前，國內核電廠主要應用的儀器類型為SGS和IGS技術，通過對基本理論進行研究和比較，認為SGS系統對測量結果的分析主要基于每層樣品的轉動測量及填充樣品的密度分布假設，但由于樣品內部減弱系數分布未知，對減弱系數分布的不同假設將對放射性活度重建的理論計算公式帶來不同的誤差，從而影響分析結果。而IGS技術，不需要復雜的掃描機制，同時可以減少測量時間，從而實現高樣品通量，從而更廣泛地應用于電廠的廢物測量工作中。

參考文獻

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