高温气冷堆燃料装卸系统管道辐射源项在线测量系统

1.本发明是关于一种高温气冷堆燃料装卸系统管道辐射源项在线测量系统，涉及核辐射技术领域。


背景技术：

2.高温气冷堆采取在线不停堆换料的燃料循环方式，这使得其厂房内的辐射场分布、设备与管道布置和压水堆有显著差别。因此，燃料装卸系统管道辐射源项在线测量系统的设计无法套用现有成熟的产品设备，必须根据高温堆的特点展开专门设计。
3.目前缺少在线测量设备，只能切开管道进行取样送到实验室分析，这种方法不仅造成管道破坏，而且无法获取管道中关心位置的辐射源分布信息。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够对管道源项进行原位测量的高温气冷堆燃料装卸系统管道辐射源项在线测量系统。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供的是技术方案为：一种高温气冷堆燃料装卸系统管道辐射源项在线测量系统，该系统包括：
6.czt探测单元，用于探测管道中沉积放射性物质；
7.扫描旋转机构，设置在管道外部，用于承载所述czt探测单元；
8.控制处理单元，用于控制所述czt探测单元沿着所述扫描旋转机构实现沿管道径向与轴向的扫描旋转探测，完成管道辐射源项在线测量。
9.进一步地，所述czt探测单元采用czt半球型探测器。
10.进一步地，所述扫描旋转机构包括两个半圆形导轨和两个直线导轨，两个所述直线导轨沿管道轴向平行间隔设置；两个所述半圆形导轨在两个所述直线导轨内侧相对设置成弧形轨道，且能够沿着直线轨道直线运动；每一所述半圆形导轨上均通过滑块滑动设置所述czt半球形探测器，所述控制处理单元控制所述czt半球形探测器沿着所述直线导轨和弧形轨道运动实现沿管道径向与轴向的扫描旋转探测。
11.进一步地，每一所述半圆形导轨的滑块上还设置有剂量探测单元，所述控制处理单元获取所述剂量探测单元探测的数据，当所述剂量探测单元探测到的剂量率大于设定值时，所述控制处理单元控制所述czt半球形探测器停止采集。
12.进一步地，每一所述半圆形导轨的滑块上还设置屏蔽体，所述屏蔽体通过销轴设置在所述czt半球形探测器的前端，当所述剂量探测单元探测到剂量超标时，所述控制处理单元控制所述屏蔽体旋转置于所述czt半球形探测器的前端，以降低所述czt半球形探测器接受到的射线照射。
13.进一步地，该在线测量系统还包括数据处理单元，用于对所述czt探测单元探测结果进行分析处理。
14.进一步地，所述数据处理单元包括测量分析系统；所述测量分析系统包括数据采
集模块、能量刻度模块、能谱分析模块和核素识别模块；所述数据采集模块，用于完成数据的采集传输显示与实时刷新；所述能谱分析模块，用于对采集的谱线数据进行处理；所述能量刻度模块，用于将获得多通道的信号转换成对应的能量，得到能谱数据；所述核素识别模块，用于对能谱数据进行分析处理，完成核素的活度计算、气载源项与沉积源项区分以及计算石墨粉尘沉积水平与燃料故障水平。
15.进一步地，根据气载源项与沉积源项不同的γ能谱特征峰的能量不同对气载源项与沉积源项区分进行区分。
16.进一步地，计算石墨粉尘的沉积质量，包括：根据标准样品中活度与石墨粉尘的质量关系，通过沉积活度测量结果，折算管道中石墨粉尘的沉积质量。
17.进一步地，计算燃料故障水平包括：
18.利用同一循环周期中燃耗测量系统测得的完整燃料球的活度水平、在线测量的沉积活度，计算单个燃料球的粉尘沉积比率、评估管道磨蚀给燃料球造成的质量亏损；
19.根据燃料球工艺制造的参数，选取反应故障水平的质量亏损数值，根据过球数及质量亏损，计算燃料球的故障水平。
20.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：1、本发明的扫描旋转机构设置在管道外部，控制处理单元控制czt探测单元沿着扫描旋转机构实现沿管道径向与轴向的扫描旋转探测，完成管道辐射源项在线测量，因此本发明通过czt探测单元旋转和移动，可以获取管道源项的分布信息，对管道源项进行原位测量，获取系统不同工况下的源项信息。2、本发明可拆卸，能够测量不同位置管道的源项信息。3、本发明的czt半球形探测器的前端通过销轴活动设置屏蔽体，避免管道中流动燃料球的高辐射剂量对czt半球形探测器产生的辐照损伤情况，用以降低在大剂量时czt半球形探测器所照射的剂量率。综上，本发明可以广泛应用于高温气冷堆燃料装卸系统管道辐射源项在线测量。
附图说明
21.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
22.图1为本发明实施例的在线测量系统结构示意图；
23.图2(a)为本发明实施例的燃料装卸系统球管内粉尘源项的czt能谱模型；
24.图2(b)为本发明实施例的目标源项仿真数据；
25.图3为本发明实施例的czt半球探测器对
232
th的响应；
26.图4为本发明实施例的屏蔽体结构示意图；
27.图5为本发明实施例的czt探测单元结构与销轴安装示意图；
28.图6为本发明实施例czt探测单元及屏蔽体整体结构示意图；
29.图7为本发明实施例伺服系统组成示意图；
30.图8为本发明实施例测量分析系统的原理图。
具体实施方式
31.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进
行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
32.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
33.燃料装卸系统管道辐射源项在线测量系统设计需要考虑以下因素：空间有限、高本底辐射干扰和和核素种类多，其中：
34.空间有限：高温堆燃料装卸系统所经过的舱室内，管道走向复杂且管道周围异形设备居多，造成可用探测空间狭小。管道周围径向空间仅60cm，并且随着管道位置降低，该空间逐步缩小。因此，探测器的小型化，是首要需要考虑的问题。
35.高本底辐射干扰：测量管路中有极高放射性的燃料球通过，燃料球经过时，其瞬时剂量率超过20gy/h，即使在5米之外，也有0.1gy/h的本底剂量率。高本底的影响容易造成高效率探测器的堆积，所以需要降低其干扰。
36.核素种类多：管道内沉积的石墨粉尘和燃料球中含有多种放射性核素，对核素的识别和总活度定量也是必须的，因此，本发明需要具备一定的核素谱分辨率。
37.综上所述，由于管道内会存在高放射性的流动物质，而要测量的管道沉积物的剂量率要比流动的高放射性燃料球的剂量率水平要低5个数量级左右。在一高辐射环境干扰下要实现对低剂量沉积物的探测是本发明的一大技术难点。另外，在有限的狭小空间范围内要对管道在轴向与径向两个方向分别进行扫描测量，同时要保证扫描的精度也是本发明的另一大技术难点。
38.本发明提供的高温气冷堆燃料装卸系统管道辐射源项在线测量系统，该系统包括：czt探测单元，用于探测管道中沉积放射性物质；扫描旋转机构，设置在管道外部，用于承载所述czt探测单元；控制处理单元，用于控制czt探测单元沿着扫描旋转机构实现沿管道径向与轴向的扫描旋转探测，完成管道辐射源项在线测量。本发明利用czt探测单元实现对高温堆燃料装卸系统管道中沉积放射性物质的测量，本发明通过对管道源项进行原位测量，获取系统不同工况下的源项信息。
39.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
40.本实施例提供的高温气冷堆燃料装卸系统管道辐射源项在线测量系统，包括czt探测单元、控制单元和数据处理单元；
41.czt探测单元，用于探测管道中沉积放射性物质；
42.扫描旋转机构，设置在管道外部，用于承载czt探测单元；
43.控制处理单元，用于控制czt探测单元沿着扫描旋转机构运动实现沿管道径向与轴向的扫描旋转探测，完成管道辐射源项在线测量。
44.在一个优选的实施例中，如图1所示，由于测试环境中的核素特征峰较多，并且部分射线的能量较高。因此本实施例的czt探测单元可以采用能量分辨率较高的czt半球型探测器1。进一步地，考虑到管道中的沉积石墨粉尘剂量率在20usv/h左右以及空间尺寸的要求，本实施例优选采用10*10*5mm3的czt半球型探测器1。下面对czt半球型探测器1的能谱测量进行仿真模拟，模拟所采用的初步源项如表1所示。
45.表1 目标核素源项
[0046][0047]
以表1中的目标能谱作为源项数据，按照htr-pm燃料装卸系统燃料球管道的直径和壁厚，利用蒙特卡洛程序包geant4，初步建立探测模型，通过仿真模拟得到的czt半球形探测器1的能谱响应如图2所示。从图2中可以看出：10*10*5mm3czt半球型探测器能够对表1中的目标核素特征能峰有能够很好的识别，同时利用10*10*5mm3半球型探测器对
232
th的能谱测试结果如图3所示，czt半球型探测器1能够很好地识别出
232
th中主要的特征峰，czt半球形探测器1的主要技术指标如表2所示：
[0048]
表2 czt半球形探测器主要技术指标
[0049][0050]
进一步地，由于现场辐射环境比较复杂，为了降低外部的射线照射对管道沉积物测量结果的影响，czt半球形探测器1的外面可以包裹屏蔽材料。
[0051]
在一个优选的实施例中，如图1所示，扫描旋转机构包括两个半圆形导轨2和两个直线导轨3，两个直线导轨3平行间隔设置在燃料球管道4两侧，两个半圆形导轨2相对设置在两个直线导轨3内侧成为弧形轨道。每一个半圆形导轨2上均设置有一czt半球形探测器1，czt半球形探测器1通过滑块5滑动设置在半圆形导轨2上。两个直线导轨3与两个半圆形导轨2共4个导轨通过控制装置的控制使得czt半球形探测器1实现沿燃料球管道4径向与轴
向方向的扫描运动，其中，本实施例的整个扫描旋转机构的长度小于1500mm，可以实现1000mm管道长度范围内的轴向步进测量，整套测量系统的总重量小于50kg。由于整个扫描旋转机构通过固定卡扣安装于管道4上，考虑到整套扫描旋转机构的重量，在扫描旋转机构的两端分别引入固定支架6的形式将整套探测装置的重量转移至地面，以减轻管道的沉重。
[0052]
进一步地，为了避免流动的高剂量率本底对管道沉积物测量的影响，在每一半圆形导轨2上的滑块5上均设置一剂量探测单元，由于管道沉积物的剂量率在10～20usv/h左右，当剂量探测单元探测到的剂量率大于20usv/h时，控制处理单元控制czt半球形探测器1停止采集。
[0053]
更进一步地，如图4～图6所示，本实施例的每一半圆形导轨2的滑块5上均设置有屏蔽体7，屏蔽体7采用不对称鞍形设计，屏蔽体7通过销轴8设置在czt半球形探测器1的前端，屏蔽体7与czt半球形探测器1同步运动。由于管道中的流动燃料球剂量非常大，考虑到大剂量率对czt半球形探测器1可能会造成辐照损伤等情况，因此当剂量探测单元探测到剂量率大于设定某一高的水平时，控制处理单元控制屏蔽体7旋转置于czt半球形探测器1的前端，用以降低管道中移动的燃料球对czt半球形探测器1可能会造成的辐照损伤情况。因此通过利用剂量探测单元的触发阈值对czt半球形探测器1的采集控制以及屏蔽体7的控制来实现管道燃料球高本底干扰的滤除，以及保证czt半球形探测器1在高剂量环境中的正常工作，以降低可能会造成的辐照损伤情况。
[0054]
进一步地，本实施例中管道轴向部分的机械控制可以采用伺服电机控制系统进行机械控制，该伺服控制系统的步进进度远小于0.5mm，在管道的径向旋转部分采用步进电机进行控制。例如：本实施例中可以选取200步步进电机步距角为1.8度，配1:20步进电机减速机，可实现0.09度精度输出，滑块5与弧形轨道传动比为1:10，则输入精度为0.9度，配机械回零开关，可提高重复定位精度。如图7所示，伺服控制系统是一种能够跟踪输入指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。伺服系统的结构类型繁多，通常包括控制器、功率放大器、执行机构和检测装置。控制器是伺服系统的关键所在，其主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略，常用的控制算法有pid(比例、积分、微分)控制和最优控制等，控制器可以是电子线路或计算机。功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成某种操作。执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置组成，执行机构广泛采用伺服电动机作为执行元件，目前常用的是交流伺服电动机或直流无刷伺服电动机。检测装置的任务是测量被控制量(即输出量)以实现反馈控制。伺服系统的种类很多，本实施例采用电气伺服系统进行说明，以此为例，不限于此。电气伺服系统包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统，按其结构形式划分，可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。
[0055]
在一个优选的实施例中，该在线测量系统还包括数据处理单元，czt探测单元与数据处理单元可以通过定制线缆连接，并且该定制线缆的长度可根据使用需求进行定制。数据处理单元的输出可通过千兆网线与pc机相连并在上位机上显示相关核素识别数据，数据处理单元的主要技术指标如表3所示：
[0056]
表3 主要性能参数
[0057][0058]
数据处理单元包括用户操作界面和测量分析系统。用户操作界面可以采用标准界面风格，用户可通过操作菜单或按钮实现主要功能，界面能够显示实时显示采集、测量、核素识别等过程。
[0059]
如图8所示，测量分析系统包括文件模块、数据采集模块、能谱分析模块、能量刻度模块和核素识别模块。
[0060]
文件模块，用于打开文件和保存谱线数据；
[0061]
数据采集模块，用于完成谱线数据的采集、传输、显示与实时刷新，将采集的谱数据以及计数率死时间等信息进行显示，可以包括采集设置子模块和采集控制子模块，采集设置子模块用于进行采集定时、γ能量探测道数选择(γ能量探测的跨度与能量分辨率)和模式选择(数据采集间隔时间)的设置；采集控制子模块用于对开始采集、暂停采集、继续采集和终止采集进行设置；
[0062]
能谱分析模块，用于对采集的谱线数据进行平滑、寻峰、计算峰面积和稳谱等处理，稳谱是对峰漂的抑制是便携式γ谱仪系统的重要指标，温度变化可影响迁移率以及电子学系统，是发生峰漂移最主要的原因，iaea-2006标准规定，便携式γ谱仪的工作温度范围是-10℃～50℃，且必须具备稳谱功能；
[0063]
能量刻度模块，用于将获得多通道的谱线数据转换成对应的能量，得到能谱数据；
[0064]
核素识别模块，用于对能谱数据进行分析处理，完成核素分析与计算，包括核素库和定量分析，其中，核素库用于γ谱分析，求解管道中核素的组成信息，定量分析用于核素的分析和计算，其中，核素的分析和计算包括核素的活度计算、气载源项与沉积源项区分、计算石墨粉尘的沉积质量与燃料故障水平，其中：
[0065]
1、核素的活度计算
[0066]
假设单能窄束光子穿过厚度为x的均匀密度物质到达探测器，该射线在到达探测器之前可能会被作用对象完全衰减吸收，也可能会发生散射碰撞而偏离原射束轨迹，当然还可能不会与作用对象发生任何相互作用。
[0067]
根据beer-lambert定律，能量为e的入射平行γ射线束在穿过作用对象前、后时强度i0(e)和i(e)满足指数衰减规律：
[0068]
i(e)＝i0(e)*e-μ(e)*x
ꢀꢀꢀ
(1)
[0069]
式中，μ(e)为能量为e的γ射线穿过作用对象材料的线衰减系数，cm-1
，它是γ光子穿过单位厚度作用对象各种相互作用的总几率，x为作用对象的厚度，cm。
[0070]
若γ射线的作用对象为非均匀或混合成分材料时，(1)将改写为：
[0071][0072]
式中，n为γ射线在衰减路径上穿过的材料种类数；xi为不同材料的作用厚度；μi为
不同材料的线衰减系数。
[0073]
探测器沿纵向分段和径向旋转的测量方式使非均匀分布的核沉积物近似“分段均匀化”，即可近似看作某一分段内样品材料的线衰减系数相同。发射测量过程中，由于放射源发出的射线会与样品介质产生相互作用，因而使射线衰减，带来样品自吸收的影响，因此需要引入自吸收校正因子对测量结果进行修正，该方法定义s(e)为自吸收校正因子：
[0074]
s(e)＝e-μ(e)*d
ꢀꢀꢀ
(3)
[0075]
式中，d为射线在样品中的衰减厚度。
[0076]
该分段测量得到的计数除以探测效率、自吸收校正因子、γ射线分支比和测量时间的乘积，计算得到该层的放射性核素的活度ai(e)：
[0077]ai
(e)＝n(e)/(ε(e)*s(e)*p*t)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0078]
式(4)和(5)中，n(e)为探测器所探测到的计数；s(e)为自吸收校正因子；p为相对应射线的分支比；t为某一分段单层测量时间，s；n为管道分层数；ε(e)为探测效率，可表示为：
[0079]
ε(e)＝n(e)/(a*p*t)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0080]
式中，a为标准刻度源活度，bq。
[0081]
沿管道轴线方向将其分为n段进行测量，可通过式(6)和(7)求得管道内各分段的相应放射性核素的活度：
[0082][0083][0084]
式中，εij为探测器扫描至第i层对均匀分布在第j层的放射性核素的探测效率；ai和a分别为每层和管道中放射性核素的活度，bq；ni为探测器扫描至第i层时测得的特征峰净计数。式(6)乘号左边为探测效率矩阵，是基于每个分段介质材料和放射性核素均匀分布的条件，通过蒙特卡罗模拟软件来获得。
[0085]
假设将管道等高的分为n层，探测器放置在每一层的中间位置，依据探测器视野完全覆盖管道直径的条件，确定探测器到管道中心的距离。将放射性核素均匀的填充在管道的第一层，然后从第一层到第n层依次移动探测器进行模拟测量，得到相应测量条件下的探测效率；再将放射性核素均匀填充在第二层，探测器重复第一层的测试，以此方式测试，直到放射性核素填充完n层为止，从而获得整个管道的效率矩阵。在进行发射测量时，将探测器由第一层依次移动至第n层测量得到相应的计数，通过式(6)解方程组即可得到每层中核素的活度。
[0086]
2、气载源项与沉积源项区分
[0087]
根据气载源项与沉积源项不同的γ能谱特征峰的能量不同进行气载源项与沉积源项区分。根据htr-pm当前的运行经验，燃料装卸系统管道中气载源项的主要放射性核素
为活化的ar-41气体，该核素的主要γ能谱特征峰在1293kev。从图2中可以看出，沉积源项的czt测量能谱在150-1335kev之间没有特征峰，气载源项的特征峰(1293kev)有显著区别。据此，本实施例选取1293kev特征峰计算气载源项的活度。选取低能段其他核素计算沉积源项的活度，由此将管道中的气载源项和沉积源项分离，获取两者的独立源项信息。
[0088]
3、计算石墨粉尘的沉积质量
[0089]
用在线源项测量系统的测量结果，并结合源项计算、在线源项测量、管道取样，燃耗测量等多个手段，探索石墨粉尘沉积规律及其与燃料球故障的关系，具体为：通过管道取样分析，获取单位质量石墨粉尘的核素组成与活度水平(比活度)，并与源项计算结果互相校验，将测量结果与基于物理模型的预测结果进行对比，对测量系统参数进行优化，降低误差，提高准确性。
[0090]
计算石墨粉尘的沉积质量：根据标准样品中活度与石墨粉尘的质量关系，通过沉积活度测量结果，折算管道中石墨粉尘的沉积质量。其中，沉积活度测量结果：将本系统测量结果进行空间积分，得到与标准样品体积相同的粉尘源项累计γ谱测量结果，计算该γ谱的特征峰计数与标准样品的γ谱特征峰计数的比值，依据该比值和标准样品的活度，在线测量沉积的活度。
[0091]
4、计算燃料故障水平：
[0092]
利用同一循环周期中燃耗测量系统测得的完整燃料球的活度水平、在线测量的沉积活度，计算单个燃料球的粉尘沉积比率、评估管道磨蚀给燃料球造成的质量亏损，具体为：根据所得的管道中石墨粉尘沉积质量，与运行时段的过球数量，折算出每个燃料球的平均粉尘沉积质量，该质量除以完整燃料球质量，得到质量亏损；计算燃料故障水平，具体为：根据燃料球工艺制造的参数，选取反应故障水平的质量亏损数值，根据过球数和质量亏损，计算燃料球的故障水平。
[0093]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实现”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0094]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。