核燃料组件无损检测系统设计论文

核燃料组件无损检测系统设计论文

　　燃料组件是反应堆的核心部分，燃料组件的安全性对于整个反应堆的安全运行有着重要的意义。在高温、高压及强中子辐射场等复杂环境条件下，燃料棒中芯块会出现肿胀、变形甚至包壳破裂，严重威胁反应堆的安全运行。为了研究核反应堆燃料组件的安全性和完整性，了解其热力学性能和机械性能非常重要。通过传统的检测方法，如金相学，来检测燃料棒中心空洞和裂纹，需要花费大量的时间，且需要破坏燃料组件自身的结构，无法检测燃料棒的形变。Ｘ射线无损检测技术可以简易且快速的检测燃料组件内部的结构，并且费用低，不产生废物。探测系统是整个燃料组件无损检测系统中的核心部分，其性能对于重建图像的质量有着重要的影响。为了提高高能Ｘ射线在探测器中的能量沉积率，一般选用钨酸镉（ＣｄＷＯ４）晶体。钨酸镉晶体具有密度大（＝７．９ｇ／ｃｍ３）、原子序数高（Ｚ＝６４．２）、荧光转换率（１．２×１０４～１．５×１０４光子／ＭｅＶ）高等优点，且其荧光波长（４７０／５４０ｎｍ）与一般的光电二极管敏感波长相匹配，在高能Ｘ射线无损检测中得到了广泛的应用。针对核燃料组件探测的特殊性，本文通过蒙特卡罗方法，研究了在９ＭｅＶ直线加速器下，不同尺寸的ＣｄＷＯ４晶体的能量沉积率和串扰率，得到了最佳的晶体尺寸；模拟了燃料组件自身强辐射对数据采集的影响，优化后准直器的设计从而将燃料组件自身辐射的影响降至最低。经过优化设计的探测系统将为改善重建图像的质量奠定基础。

　　１模拟计算和优化设计

　　１．１蒙特卡罗方法

　　蒙特卡罗方法是以概率统计为理论基础的一种数学计算方法。蒙卡方法可以真实地模拟实际粒子运动的物理过程，其仿真结果与实际结果比较吻合，可以得到满意的结果。ＭＣＮＰ可以解决电子、光子以及中子的联合运输问题，光子和电子的能量范围从１ｋｅＶ到１０００ＭｅＶ，选用ＭＣＮＰ５版本，抽样次数为一百万次，准直器孔径选用０．４ｍｍ。

　　１．２ＣｄＷＯ４晶体能量沉积率的估算

　　在以往的文献中，采用蒙特卡罗方法研究探测器的能量沉积率，大多采用单能的Ｘ射线。对于９ＭｅＶ直线加速器，其产生的Ｘ射线为连续谱，为了更好地接近实际，采用麦克斯韦谱模拟加速器所产生的连续谱（，并在此基础上估算晶体的能量沉积率。所采用的模型如图２，ＣｄＷＯ４晶体高为５ｍｍ，Ｘ射线沿ｘ轴入射改变ＣｄＷＯ４晶体截面宽度和晶体长度进行模拟，可以得到其能量沉积率与截面宽度和晶体长度之间的关系，随着晶体截面宽度和晶体长度的变大，能量沉积率随之增大。从图中可以得出，在晶体尺寸为２ｍｍ×５ｍｍ×３０ｍｍ时，能量沉积率为３８％。当进一步增加晶体的横截面积时发现，ＣｄＷＯ４晶体截面尺寸对能量沉积率的影响逐步减小。因此，进一步模拟当长度一定时（３０ｍｍ），晶体能量沉积率与晶体截面宽度之间的关系。当截面宽度较小时，随着截面宽度的增长，能量沉积率快速的增长，当截面宽度大于３ｍｍ时，增长变缓。截面宽度从１ｍｍ增加到２ｍｍ时，能量沉积率增长了１９．１％；截面宽度从３ｍｍ增加倒４ｍｍ时，能量沉积率仅增长了２．６％。因此，综合考虑能量沉积率以及系统空间分辨率，最佳晶体尺寸选择为３ｍｍ×５ｍｍ×３０ｍｍ。

　　１．３串扰率

　　通过辐照后核燃料组件的探测环境十分复杂，各种背景干扰都将对探测成像产生严重的影响，其中探测单元之间的串扰也是不容忽视的问题。经过准直器入射到ＣｄＷＯ４晶体内的Ｘ射线，其中的一部分散射光子、光电子以及Ｘ射线等会被相邻的探测器采集到，形成串扰信号，对重建图像的质量产生很大影响。改变相邻两块ＣｄＷＯ４晶体之间的隔离层的厚度，模拟串扰率与隔离层厚度之间的关系，隔离层采用铅作为屏蔽材料。通过蒙特卡罗模拟，选用宽度为０．４ｍｍ的准直器，随着隔离层厚度的改变，串扰率随之改变。，在没有隔离层的情况下，串扰率为１１．５％，当隔离层为０．８ｍｍ时，串扰率下降为１．６％。改变隔离层的材料，用Ｗｕ代替Ｐｂ进行模拟计算。在隔离层厚度处于０．２ｍｍ到０．４ｍｍ之间时，由于Ｗｕ的密度大于铅，可以更好地隔离Ｘ射线，减小串扰率。当隔离层厚度大于０．６ｍｍ时，两者的隔离作用趋同，０．６ｍｍ时仅相差０．４１％。因此，隔离层最佳厚度选为０．６ｍｍ，隔离材料选用铅。

　　２准直器的优化设计

　　由于辐照后的燃料组件具有很强的放射性，乏燃料经冷却后，大部分放射性源自铯－１３７和锶－９０。锶－９０发生β衰变，其半衰期为２８．１ａ，铯－１３７的半衰期为３０．１７ａ。铯－１３７衰变放出的能量为６６２ｋｅＶ的光子是辐照后燃料组件强辐射的主要来源。燃料组件每秒约产生１０１３个光子，其辐射出的光子进入探测器，形成背景辐射，对信号采集和图像重建产生严重的影响。采用的模型中，燃料组件活性区长度为１．５ｍ，其辐射出的一部分光子可以不经过后准直器而直接进入探测器，从而产生很大的噪声信号。因此，需要对后准直器进行优化设计，减弱燃料组件自身辐射带来的影响。通常情况下，后准直器，前缝板缝宽５ｍｍ，中缝板垂直缝宽为０．４ｍｍ，若采用此种设计，经模拟，每秒钟燃料组件辐射出的光子进入探测器的数量约为３×１０７，若不加以优化设计，将对图像重建产生严重影响。为了降低燃料组件辐射的影响，加速器工作在脉冲状态，探测器与加速器同步工作。当加速器脉冲频率为２５０Ｈｚ，脉冲持续时间为２．５μｓ时，中心轴线上距离靶１ｍ处Ｘ射线剂量率为３０００ｃＧｙ／ｍｉｎ，加速器距离探测器的１．４ｍ，晶体尺寸为４ｍｍ×７ｍｍ×３０ｍｍ。经计算，单个脉冲时间内，单个探测单元接受到的由加速器产生的Ｘ射线光子数为２．７×１０６。由于燃料组件自身的强辐射，单个探测单元接受到的来自燃料组件的光子数约为７５。优化后准直器的设计模型示于。在中缝板的后方，增加后缝板，即在探测模块上下两侧增加屏蔽板，以屏蔽燃料组件辐射出的直接被探测器接收的光子。屏蔽板采用钨铁镍合金，厚度为１５ｍｍ。在此基础上进行模拟，一个脉冲时间内，进入探测器的光子数量减小为７．６。减小了背景辐射在探测器中的贡献，有利于图像重建质量改善。

　　３结论

　　通过对燃料组件无损检测探测系统的模拟计算，实现了对探测系统的优化设计。通过模拟计算，综合考虑ＣｄＷＯ４晶体截面宽度、晶体厚度、晶体之间隔离材料、隔离材料厚度等因素，可以得出，在晶体截面宽度为３ｍｍ，晶体厚度为３０ｍｍ，隔离材料选用铅，且隔离层厚度为０．６ｍｍ时，由ＣｄＷＯ４晶体构成的线性阵列探测器的性能达到最佳状态。通过模拟，对后准直器进行优化，增加了后缝板，减小了背景辐射在探测器中的贡献。