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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