核燃料元件無損檢測系統設計論文

　　燃料元件是反應堆的核心部分，燃料元件的安全性對於整個反應堆的安全執行有著重要的意義。在高溫、高壓及強中子輻射場等複雜環境條件下，燃料棒中芯塊會出現腫脹、變形甚至包殼破裂，嚴重威脅反應堆的安全執行。為了研究核反應堆燃料元件的安全性和完整性，瞭解其熱力學效能和機械效能非常重要。透過傳統的檢測方法，如金相學，來檢測燃料棒中心空洞和裂紋，需要花費大量的時間，且需要破壞燃料元件自身的結構，無法檢測燃料棒的形變。Ｘ射線無損檢測技術可以簡易且快速的檢測燃料元件內部的結構，並且費用低，不產生廢物。探測系統是整個燃料元件無損檢測系統中的核心部分，其效能對於重建影象的質量有著重要的影響。為了提高高能Ｘ射線在探測器中的能量沉積率，一般選用鎢酸鎘（ＣｄＷＯ４）晶體。鎢酸鎘晶體具有密度大（＝７．９ｇ／ｃｍ３）、原子序數高（Ｚ＝６４．２）、熒光轉換率（１．２×１０４～１．５×１０４光子／ＭｅＶ）高等優點，且其熒光波長（４７０／５４０ｎｍ）與一般的光電二極體敏感波長相匹配，在高能Ｘ射線無損檢測中得到了廣泛的應用。針對核燃料元件探測的特殊性，本文通過蒙特卡羅方法，研究了在９ＭｅＶ直線加速器下，不同尺寸的ＣｄＷＯ４晶體的能量沉積率和串擾率，得到了最佳的晶體尺寸；模擬了燃料元件自身強輻射對資料採集的影響，最佳化後準直器的設計從而將燃料元件自身輻射的影響降至最低。經過最佳化設計的探測系統將為改善重建影象的質量奠定基礎。

　　１模擬計算和最佳化設計

　　１．１蒙特卡羅方法

　　蒙特卡羅方法是以機率統計為理論基礎的一種數學計算方法。蒙卡方法可以真實地模擬實際粒子運動的物理過程，其模擬結果與實際結果比較吻合，可以得到滿意的結果。ＭＣＮＰ可以解決電子、光子以及中子的聯合運輸問題，光子和電子的能量範圍從１ｋｅＶ到１０００ＭｅＶ，選用ＭＣＮＰ５版本，抽樣次數為一百萬次，準直器孔徑選用０．４ｍｍ。

　　１．２ＣｄＷＯ４晶體能量沉積率的估算

　　在以往的文獻中，採用蒙特卡羅方法研究探測器的能量沉積率，大多采用單能的Ｘ射線。對於９ＭｅＶ直線加速器，其產生的Ｘ射線為連續譜，為了更好地接近實際，採用麥克斯韋譜模擬加速器所產生的連續譜（，並在此基礎上估算晶體的能量沉積率。所採用的模型如圖２，ＣｄＷＯ４晶體高為５ｍｍ，Ｘ射線沿ｘ軸入射改變ＣｄＷＯ４晶體截面寬度和晶體長度進行模擬，可以得到其能量沉積率與截面寬度和晶體長度之間的關係，隨著晶體截面寬度和晶體長度的變大，能量沉積率隨之增大。從圖中可以得出，在晶體尺寸為２ｍｍ×５ｍｍ×３０ｍｍ時，能量沉積率為３８％。當進一步增加晶體的橫截面積時發現，ＣｄＷＯ４晶體截面尺寸對能量沉積率的影響逐步減小。因此，進一步模擬當長度一定時（３０ｍｍ），晶體能量沉積率與晶體截面寬度之間的關係。當截面寬度較小時，隨著截面寬度的增長，能量沉積率快速的增長，當截面寬度大於３ｍｍ時，增長變緩。截面寬度從１ｍｍ增加到２ｍｍ時，能量沉積率增長了１９．１％；截面寬度從３ｍｍ增加倒４ｍｍ時，能量沉積率僅增長了２．６％。因此，綜合考慮能量沉積率以及系統空間解析度，最佳晶體尺寸選擇為３ｍｍ×５ｍｍ×３０ｍｍ。

　　１．３串擾率

　　透過輻照後核燃料元件的'探測環境十分複雜，各種背景干擾都將對探測成像產生嚴重的影響，其中探測單元之間的串擾也是不容忽視的問題。經過準直器入射到ＣｄＷＯ４晶體內的Ｘ射線，其中的一部分散射光子、光電子以及Ｘ射線等會被相鄰的探測器採集到，形成串擾訊號，對重建影象的質量產生很大影響。改變相鄰兩塊ＣｄＷＯ４晶體之間的隔離層的厚度，模擬串擾率與隔離層厚度之間的關係，隔離層採用鉛作為遮蔽材料。通過蒙特卡羅模擬，選用寬度為０．４ｍｍ的準直器，隨著隔離層厚度的改變，串擾率隨之改變。，在沒有隔離層的情況下，串擾率為１１．５％，當隔離層為０．８ｍｍ時，串擾率下降為１．６％。改變隔離層的材料，用Ｗｕ代替Ｐｂ進行模擬計算。在隔離層厚度處於０．２ｍｍ到０．４ｍｍ之間時，由於Ｗｕ的密度大於鉛，可以更好地隔離Ｘ射線，減小串擾率。當隔離層厚度大於０．６ｍｍ時，兩者的隔離作用趨同，０．６ｍｍ時僅相差０．４１％。因此，隔離層最佳厚度選為０．６ｍｍ，隔離材料選用鉛。

　　２準直器的最佳化設計

　　由於輻照後的燃料元件具有很強的放射性，乏燃料經冷卻後，大部分放射性源自銫－１３７和鍶－９０。鍶－９０發生β衰變，其半衰期為２８．１ａ，銫－１３７的半衰期為３０．１７ａ。銫－１３７衰變放出的能量為６６２ｋｅＶ的光子是輻照後燃料元件強輻射的主要來源。燃料元件每秒約產生１０１３個光子，其輻射出的光子進入探測器，形成背景輻射，對訊號採集和影象重建產生嚴重的影響。採用的模型中，燃料元件活性區長度為１．５ｍ，其輻射出的一部分光子可以不經過後準直器而直接進入探測器，從而產生很大的噪聲訊號。因此，需要對後準直器進行最佳化設計，減弱燃料元件自身輻射帶來的影響。通常情況下，後準直器，前縫板縫寬５ｍｍ，中縫板垂直縫寬為０．４ｍｍ，若採用此種設計，經模擬，每秒鐘燃料元件輻射出的光子進入探測器的數量約為３×１０７，若不加以最佳化設計，將對影象重建產生嚴重影響。為了降低燃料元件輻射的影響，加速器工作在脈衝狀態，探測器與加速器同步工作。當加速器脈衝頻率為２５０Ｈｚ，脈衝持續時間為２．５μｓ時，中心軸線上距離靶１ｍ處Ｘ射線劑量率為３０００ｃＧｙ／ｍｉｎ，加速器距離探測器的１．４ｍ，晶體尺寸為４ｍｍ×７ｍｍ×３０ｍｍ。經計算，單個脈衝時間內，單個探測單元接受到的由加速器產生的Ｘ射線光子數為２．７×１０６。由於燃料元件自身的強輻射，單個探測單元接受到的來自燃料元件的光子數約為７５。最佳化後準直器的設計模型示於。在中縫板的後方，增加後縫板，即在探測模組上下兩側增加遮蔽板，以遮蔽燃料元件輻射出的直接被探測器接收的光子。遮蔽板採用鎢鐵鎳合金，厚度為１５ｍｍ。在此基礎上進行模擬，一個脈衝時間內，進入探測器的光子數量減小為７．６。減小了背景輻射在探測器中的貢獻，有利於影象重建質量改善。

　　３結論

　　透過對燃料元件無損檢測探測系統的模擬計算，實現了對探測系統的最佳化設計。透過模擬計算，綜合考慮ＣｄＷＯ４晶體截面寬度、晶體厚度、晶體之間隔離材料、隔離材料厚度等因素，可以得出，在晶體截面寬度為３ｍｍ，晶體厚度為３０ｍｍ，隔離材料選用鉛，且隔離層厚度為０．６ｍｍ時，由ＣｄＷＯ４晶體構成的線性陣列探測器的效能達到最佳狀態。透過模擬，對後準直器進行最佳化，增加了後縫板，減小了背景輻射在探測器中的貢獻。