核电站在线活度测量装置计量技术研究

2015-09-22

国内外核电发展的经验和教训表明，核安全是核电的生命。核电站在线活度测量装置是洞察核电运行中风险与故障的“眼睛”，对于保障核安全极其重要。这些设备的可靠计量校准是确保“眼睛”明亮、保持洞察能力的基础。核电站在线活度测量装置既包括一回路、二回路、反应堆厂房、核电站周边等各个区域的计量监测设备（用于发现可能的异常工况或放射性泄漏，以便及时采取应对措施），又包括用于核电站工作人员安全防护和核电站周边环境的在线监测计量设备（用于监测和评估对人与环境的影响）。这些计量设备有相当一部分属于大型设备，不便拆卸与移动送检，比如核电站一回路监测用高纯锗谱仪、在线惰性气体监测系统以及用于人员防护检测的全身计数系统等等；还有的设备可能受到一定程度的放射性污染，也不便送检到计量实验室。长期以来，这些设备的可靠计量校准是困扰核电站、监管部门与计量部门的难题。

随着核安全要求越来越高，主管部门对相关设备的测量可靠性也愈加重视，其检测校准引起了核安全主管部门、核电站现场工作人员、疾病预防控制部门以及环境监测与保护部门的极大关注。在中国计量科学研究院基本科研业务费支持下，中国计量科学研究院梁珺成研究团队从核电站在线活度测量装置计量溯源的实际需求出发，针对这些计量设备的复杂测量对象（包括核反应堆产生的复杂核素源项以及这些核素分布于其中的各种管道、异形容器等等），开展了放射性核素活度计术研究、现场校准量值传递标准源研究和校准影响量修正方法研究，研制形成了多核素放射性活度计量标准器，解决了多γ核素活度在线测量设备校准等难题。这些标准器及相关校准方法已在大亚湾、秦山等核电站，高温气冷堆、快堆等研究堆，以及核安全、疾控等监管部门获得了广泛应用，取得了良好的社会经济效益。

一、研究内容

1．十余种核素的活度精确测量

为建立现场校准量值传递标准，结合测量对象中典型核素和在线测量装置的能量与效率校准要求，综合利用各项高核素活度绝对测量技术，精确测量了Am-241、Co-57、Y-88等十余种放射性核素的活度，使得其中每种核素的不扩展不确定度都好于2%（k=2）。这些核素的精确测量是量值传递标准建立的基础。

　　2．量值传递标准源研制

　　结合在线活度测量装置的校准要求，如测量核素的能量覆盖范围、活度量程、校准的准确度要求等，建立了多种规格的量值传递标准源。

　　3．校准影响量修正方法研究

　　针对HPGeγ谱仪及测量源项特点，开展了蒙特卡洛效率计算与校准影响量修正技术研究，对实验结果不能覆盖的范围进行模拟计算修正，从而使得校准结果更能适应现场测量要求。

二、解决的技术难点

在满足核电站在线设备基本要求的情况下，研制可行、可靠的计量标准器具，分别满足反应堆安全监测、人员安全和环境安全监测具有较大难度。首先是因为被校准对象测量的核素种类多，标准器难以针对全部测量对象核素进行校准。其次是核素分布的介质复杂，核素测量时存在一定程度的相互干扰，这给现场精确校准带来困难。

项目组通过客观分析在线检测设备测量精度的不确定度影响因素，提炼出关键点，综合利用蒙特卡罗效率计算修正和标准源实验校准计量技术，解决了在线复杂核素测量系统的探测效率校准问题。

三、主要成果

1．高温气冷堆一回路监测系统在线检测标准

一回路监测系统重点测量燃料包壳破损后产生的放射性核素，如Kr-85、Kr-85m、Kr-87、Kr-88、Xe-133、Xe-133m、Xe-135m、Xe-135、Xe-138等核素的放射性活度，以此来评价燃料包壳破损率，这是关系反应堆安全性和先进性的重要参数。项目研究结合一回路监测核素能量分布、活度分布和空间分布特点，建立了高温气冷堆检测标准。

　　2．核电站（反应堆）工作人员体内核素活度测量仪在线检测方法

　　为满足核电站工作人员疾病预防控制需要，研究了工作人员全身计数仪的在线检测方法，满足了该类设备的溯源需求。

　　3．核与辐射环境安全相关关键量传标准器

　　核与辐射安全监测的重点核素分布在土壤、水和气溶胶介质中，项目结合相关仪器的测量特点，研制了相应的量值传递标准器（源）和检测方法。

四、主要技术创新

核电站（研究堆）的反应堆内中子辐照会产生大量的放射性核素，这些核素的能量分布宽，活度范围广，主要通过在线分析计量仪器确定核素种类及活度大小。在线分析设备所处的环境条件复杂，测量可靠性评价及校准是公认难点。

项目组结合反应堆核素的能量分布与活度分布特点，研究建立了由Am-241、Cd-109、Cr-51、Ba-133、Co-57、Sr-85、Sn-113、Cs-137、Ce-139、Mn-54、Co-60、Y-88共12种核素组成的高精度校准系列标准，综合应用了4πβ-γ符合、液体闪烁计数、HPGe γ谱仪等基标准方法，精确确定以上各种核素活度，并以此为基础制备成量值传递标准（源），使得校准的能量范围能覆盖59.5keV～1.836MeV，适应反应堆内的重点监测需求。对于部分不能覆盖的能量与探测效率点，项目通过蒙特卡罗方法辅助计算，减少了效率拟合与外推的误差，使得全能量范围内的探测效率能得到精确确定。

该项目研究成果较好地解决了核电站在线计量设备的溯源问题。研制的检测标准源的能量覆盖范围达到59.5keV～1.84MeV，核素活度的扩展不确定度好于5%（k=2），多套在线检测标准器填补了国内空白。项目完成后至今，研究成果先后在清华核能与新能源技术研究院、广东核电合营有限公司、岭澳核电有限公司、福清核电有限公司以及各核与辐射监测中心、疾病预防控制中心、辐射环境监测站等单位获得应用，为我国核电安全、核电人员安全和环境安全作出了贡献，取得了良好的社会经济效益。