无源效率刻度在核电站废物分拣中的应用

寇子琦，李绪平，朱晨晨

(中核四○四有限公司第二分公司，甘肃 兰州 732850)

溴化镧探测器探测器是今年来研制成功的新型卤化物闪烁体探测器，由LaBr3掺杂少量激活剂Ce3+(铈)组成，与常用的NaI探测器相比较，该类型探测器有对γ射线更高的阻止本领；更快的闪烁时间，更高能量分辨率以及更稳定的温度特性[1-2]。与高纯锗探测器比较，分辨率较低，但是高纯锗探测器需要在低温(77 k)下工作，需要用致冷设备对探头降温，而溴化镧探测器可以在常温下工作。因此，所以溴化镧探测器有较好的环境适应性，更加适用于野外或室外工作。在放射性废物分拣的过程中，由于放射性废物堆积的所在的环境比较复杂，若用高纯锗探测器，需要不断添加液氮，若用风致冷降温，则由于仪器需要经常搬动，冷却器件容易损坏，从而造成工作不便。所以在对分辨率要求不高的前提下，用溴化镧探测器，更容易适应工作现场，及时完成工作任务。

本文针对核电放射性废物分拣的工作现场，对溴化镧探测器对2 m3废物钢箱中的废物包进行了无源效率刻度。γ辐射测量中，确定探测效率是关键技术，常用的刻度技术为有源刻度技术和无源刻度技术两种。随着计算机技术的不断发展，无源效率刻技术因其具有方便、快捷等特点，在辐射测量领域得到了广泛的应用，其准确性已经得到科研工作者的广泛验证[3～6]。目前，国外开发的无源刻度软件有Canberra 公司生产的实验室无源效率刻度软件LabSOC。在国内，开发的无源刻度软件有Gammacalib，其核心算法的正确性已经得到了200多块不同能量和能量体源的实验测量结果检验[7]。与有源刻度技术比较，无源刻度的优点主要表现在：

(1)无源刻度技术具有很强的建模能力，可以针对不同属性的放射源建立模型，计算简便，快速省时；

(2)无需使用标准源进行效率刻度，无需管理和处置放射源，不需要办理放射源许可证，为放射源的管理工作带来简便；

(3)实验室不设置标准放射源，减小了污染实验室和危害工作人员的可能性，无需担心丢失放射源，增加核安全；

(4)减小开支，节省经费。

本文针对核电废物收集过程中所用的2 m3放射性废物收集钢箱，利用国产Gammacalib软件，建立了测量距离分别为1 m3和2 m3的废物钢箱模型，分别进行了无源效率刻度，并根据刻度结果，对核电放射性废物分拣后钢箱废物包的放射性进行了测量。

1 探测器性能

本次实验采用北京中智核安科技有限公司生产用便携式溴化镧谱仪，其型号为Gemini-L-7575，探测器的主要性能指标如表1所示。

表1 探测器型号及主要指标Table 1 Types and Main Indicators of Detectors

2 能量刻度

利用溴化镧探测器自带的放射源la138的 37.26 keV和1435.795 keV进行能量刻度，对应的道址分别为28和2457，刻度时的谱图如图1所示。

图1 能量刻度谱图Fig.1 Energy scale spectrum

3 无源效率刻度

用UG NX4.0三维软件，建立废物包模型，如图4所示，其中废物包的尺寸为长×宽×高=2050 mm×1010 mm×1010 mm。

图2 废物包模型Fig.2 Waste bag model

由于废物包的主要填充物为塑料，其化学组分为C2H6，密度设置为 0.15 g/cm3。设置探测器距离分别为1 m和2 m，其中当废物的放射性较低时可用将探测器放置在1m处测量，当放射性较高时放置在2 m处测量。分别计算效率曲线(50～7000 keV)，如图3所示。

在实际应用过程中，由于废物包用钢箱承载，故需要考虑钢箱对γ射线也具有衰减作用。根据蒙特卡罗模拟结果，对于3 mm厚的钢板，对与200～1200 keV以上的γ射线，其衰减系数近似按照0.3～0.4估计[8-9]，即对表3中的探测效率再除以0.3～0.4，作为放射性废物包(包括钢箱)的探测效率。

图3 能量-效率刻度曲线Fig.3 Energy-efficiency calibration curve

根据现场实际，典型的溴化镧探头测量的废物包谱图如图4所示。

图4 实际废物包的测量谱图Fig.4 Measurement spectrum of actual waste bags

考虑钢板的吸收，测量过程中所使用的各个核素及其效率因子如表2所示。

表2 主要核素的能量及探测效率*Table 2 Energy and detection efficiency of main nuclides

*：考虑钢板的吸收。

4 放射性活度浓度的计算

放射性废物放射性活度浓度的计算方法按照式1计算：

(1)

式中：A—— 废物包放射性活度浓度

C——测量核素某一能量的净计数率

η——对应能量效率

λ——对应能量分支比

W——废物包重量

5 实际应用

经过现场实际测量，同时依据环保部发布《放射性废物分类》( 2018年1月1日起施行)对废物的类型进行分类，部分结果如表3所示。

表3 实际测量的部分数据Table 3 Partial data from actual measurements

由表3可以看出，该批次废物中的主要核素主要为58Co、95Nb、60Co、154Eu等，废物包主要为低放射性废物。

6 结 论

通过本次研究，可以得到以下结论：

(1)可以用无源效率刻度的方法，实现放射性废物包的效率刻度，简化了工作流程，节约了时间及放射源管理成本；

(2)用溴化镧探测器可以应用于对分辨率要求不高，但是工作条件复杂的工况，特别是废物分拣的场所。