我国核电站放射性废物桶外测量方法概述

申伽奇 徐灵

摘 要 截至2019年底，我国已投运核电机组47台，装机容量4875万千瓦，在建核电机组15台，装机容量约1700万千瓦。随着核电站的长期运行，会产生大量的放射性固体废物，这些放射性废物常被压缩在废物桶中，为了处理、运输和处置这些放射性固体废物，必须估计废物中的放射性核素的含量。但由于桶装核废物的分布不均匀、基体密度差异较大，很难取得具有代表性的样品对核废物进行化学分析。目前国内外通常采用的是运用中子探测技术和射线探测技术相结合的非破坏性分析方法（NDA），对桶装核废物进行整体检测。

关键词 核电站;放射性废物;测量

1 整体γ扫描测量（IGS）原理

从机械上讲，它们是最不复杂的化验系统类型，通常用于已知或可以假设检测器样品视野内的基质和活性分布的应用中。单发系统中最简单的类型是单个伽马射线检测器，它可以查看样品的全部体积。多探测器单次检测方法的一个示例是总γ计数系统，该系统由放置样品的外壳组成。为了在大容器上进行测量，可以使用检测器阵列，每个检测器分别观察样品的体积。由于所有检测器均同时收集数据，因此将样品测量到给定精度所需的时间得以最小化，但是覆盖整个样品量的要求可能意味着需要大量检测器和独立的计数链。实际上，在系统复杂性和使用多个检测器提供的空间分辨率之间取得了平衡。通常，此类系统使用3～6个检测器来覆盖200升桶的高度。

2.1 整体计数的优势

①可以减少测量时间，从而实现高样品通量;②不需要复杂的扫描机制;机械制造和维护简单;③减轻操作员培训的负担。

2.2 整体计数的局限性

①对于需要光谱分析的测量解决方案，存在相关的成本和复杂性问题;②需要先验知识/关于检测器视场内基质性质和活性分布的假设;③如果关于样品特性的假设不正确，则可能存在明显的测量偏差。整个废物桶能够同时被一个或多个探测器探测到，测量的同时无需用外源透射测量，只需要定期在桶内放入外源进行校准。适用于均匀的或者填充材料较清楚的低水平放射性废物（LLW）的测量;探测效率大，测量时间短。

2 分层扫描γ扫描仪（SGS）

分段伽马扫描器是最常见的扫描类型。SGS是一款轴向鼓式扫描仪，它使用一个或多个准直的HPGe或NaI（Tl）检测器来测量样品不同水平切片（或部分）中的伽马射线发射，其中假定基质和活性为均匀且均质（200升桶通常使用4至20段）。检测器被视为完全准直，也就是说，其响应在其视场上是均匀的，并且视场被认为是整个样本的狭窄切片。可以使用与样品另一侧的检测器在直径上相对的传输源来测量每个段的伽马射线衰减特性。在测量过程中，将检测器（和透射源，如果有的话）垂直扫描到样品上方（或将样品扫描通过检测器/透射源），并检查容器的伽马射线光谱（有无暴露出透射源，如果有的话）旋转样品以减少由活度分布和基质材料的异质性引起的偏差。通常，每个单独的分段测量都是使用固定高度的检测器/样品进行的。在某些系统上，测量是在进行扫描时进行的，并且垂直扫描速度与转盘旋转速度相关联。这种所谓的螺旋扫描方法可以系统地观察样品的整个垂直表面，并且经常在预扫描过程中用于识别活动的热点。SGS分析最适合于低密度矩阵，但也可以用于高密度矩阵，前提是SGS分析的假设仍然有效。通常，对于废物分析测量，可以通过获得关于废物来源和特征的可接受知识来确保。

2.1 SGS的优势

①提高了垂直异质性样品的测量精度;②仅需要一个检测器和/或传输源（尽管通过使用多个检测器可以提高吞吐量）;③用于测量桶中的核废料系统完善方法成熟的主要设备。

2.2 SGS的局限性

①提供良好的样品覆盖率需要更长的测量时间（尽管如果使用其他检测器，则可以减少测量时间）;②具有中等复杂性和高成本的扫描机制;③检测和校正段内径向异质性影响的能力有限（基质密度和活性分布均）;④维护成本较高;⑤操作员培训负担比一站式系统高;⑥需要注意避免由于检测器扫描平台的移动而引起的振动（以及随之而来的能量分辨率损失）引起的微音干扰。

3 层析γ扫描仪（TGS）

对于常规的SGS，其中样品在检测器的每个片段中以固定的视场连续旋转，则数据将不支持假设样品gamma活性在给定片段中均匀的替代方法。通常，此假设不能代表要测量的材料。SGS分析算法假设的限制原则上可以通过使用层析扫描成像技术来克服。

层析X射线扫描仪具有与SGS相同的基本组件，但是它具有更严格的检测器准直，转盘增量旋转和附加的机械运动，使检测器可以沿与样品轴垂直的方向移动。这使得TGS可以获取三维透射和放射断层摄影投影数据。

3.1 TGS的优势

①通常可提高具有垂直和径向异质性样品的测量精度;②仅需要一个检测器和/或传输源，但是如果使用更多的检测器，则吞吐量可能会增加;③根据观察到的实际信号源分布获取3-D映射和3-D矩阵补偿。

3.2 TGS的局限性

①测量时间长（比同等SGS至少长两倍）;②扫描机制增加了机械复杂性，因此增加了维护要求;③如果不注意为准直仪设置建立响应矩阵，则复杂的数据分析算法可能会引起“幻像”活动;④专业化程度高，成本高，培训负担重。

4 结束语

目前，国内核电厂主要应用的仪器类型为SGS和IGS技术，通过对基本理论进行研究和比较，认为SGS系统对测量结果的分析主要基于每层样品的转动测量及填充样品的密度分布假设，但由于样品内部减弱系数分布未知，对减弱系数分布的不同假设将对放射性活度重建的理论计算公式带来不同的误差，从而影响分析结果。而IGS技术，不需要复杂的扫描机制，同时可以减少测量时间，从而实现高样品通量，从而更广泛地应用于电厂的废物测量工作中。

參考文献

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