核燃料组件无损检测系统设计论文

时间:2021-08-31

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。

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