大物件放射性测量仪器测量条件的确定

陆丽燕　熊扣红

【摘 要】大物件放射性测量仪器是一种非常灵敏的放射性测量仪器，能快速检测放射性废物中放射性核素活度。本文通过分析国内某核电厂的大物件放射性测量仪器的功能和原理，结合该核电厂放射性固体废物的特点，以及国家放射性材料解控相关标准的要求，从效率刻度、空间响应校正、自吸收校正、报警值设置等4个方面确定关键测量条件，从而为放射性废物活度测量建立完整方法，定量解决电站废物准确测量问题。

【关键词】放射性固体废物;大物件测量仪器;效率刻度;自吸收校正

中图分类号： X837 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0064-003

0 前言

核电厂放射性废物解控的关键在于极低水平放射性活度的测量。国外核电厂一般使用大物件放射性测量仪器，来检测来自于辐射控制区内的固体废物是否存在放射性，判断是否作为放射性固体废物处理。但是由于核电厂产生的固体废物非单一核素组成、形状不规则、材质多样化、放射性分布不均匀，由设备厂家设置的相关参数无法满足测量要求，仍需根据各自需求设置或根据实验确定相关个性参数。本文以某核电厂大物件放射性测量仪为例，根据该电厂典型固体废物的核素组成、形状、材质以及能量，分析确定仪器的测量效率，进行空间响应修正和自吸收校正，并设置合理的污染报警阈值，建立国内核电厂放射性废物测量方法。

1 大物件放射性测量仪器简介

本文中讨论的大物件放射性测量仪器如图1所示，型号为LAM12，由THERMO FISHER公司生产，具备称重、自动本底测量、快速扫描（QuickScan）、本底自动扣除等功能。该仪器在前、后、左、右配置了4个大面积塑料闪烁体探测器，采用单开门形式。为降低探测下限，全方位配备了25mm的铅屏蔽。该仪器为总活度测量装置，活度测量不具备核素能谱识别、被测量废物自吸收校正等功能，需要在下文中进行讨论。

2 大物件放射性测量仪器的关键参数设置

使用大物件放射性测量仪器检测物件污染水平时，影响仪器的关键因素包括本底、效率、测量时间、自吸收、空间响应、置信度、污染报警阈值等。其中本底由仪器本身及所在环境所确定;测量时间和置信度按既定原则由使用者简单设定或由仪器自动计算;效率、自吸收校正、空间响应校正需使用特定的方法才能确定;污染报警阈值根据相关标准并结合仪器特点确定。下文将分别介绍如何先用合适的刻度源、空间响应校正、自吸收校正因子、污染报警阈值的确定方法。

2.1选用合适的刻度源

放射性核素组成是影响辐射测量仪表测量效率的关键因素之一，仪器效率刻度所用标准源中的核素组成应尽量与被测量样品一致，但核电站放射性材料中往往可能含有数十种乃至数百种放射性核素，无法制作与待测样品核素组份一致的刻度源。本文选取某核电厂运行期间的系统源项，与该电厂放射性废物数据库中随机选取的28种废物典型核素进行比較，发现放射性固体废物中长半衰期的核素组成基本相同，主要核素为Zr-95、Nb-95、Co-60等，短于8天放射性核素份额很小可忽略，且可能解控废物中主要核素不超过5种，能量基本为Cs-137（平均能量为661kev）和Co-60（平均能量为 1252kev，）所覆盖，因此本文讨论时选用Cs-137、Co-60作为仪器的刻度源。

2.2 空间响应的不均匀性

放射性测量时，对于多探测器组合的辐射测量仪器来说，通过探测器几何位置的优化布置，可以展平点放射源的空间响应。可根据仪器出厂时的效率刻度报告，来确定测量装置在无吸收材料的情况下计数效率的空间响应特性。对于本文中大物件测量装置，从出厂报告的空间响应分布图中不同核素Co-57（0.122MeV）、Cs-137（0.661MeV）、Co-60（平均能量1.25MeV）计数效率的空间响应可知，射线能量越小，空间响应不均匀性越大。而在射线能量0.661MeV或1.25MeV时，计数效率空间响应差别不大，而电站所测量的放射性核素的射线恰在这一能量区域。因此，在解控废物活度测量中，通过规范所测量废物体的形状可以确保活度测量保守性及一定准确性。基于此，本文讨论废物体自吸收校正中，可假定废物体为圆柱形，尺寸为φ500×500mm。

2.3 自吸收校正

2.3.1 γ射线吸收原理

大物件测量装置是通过测量全能γ放射性核素的装置。废物体的自吸收校正也是基于全能γ光子的作用过程。根据γ射线与物质作用的原理，衰减系数μ与γ射线的能量E、吸收体材料原子序数Z和材料密度ρ有关：

μ=μ（E，Z，ρ）

以某核电厂为例，放射性废物的材质分类，技术废物中防护用品的材质为棉、塑料、橡胶，设备工器具为铁和不锈钢;空气过滤器拆解后的外壳为钢，滤芯分为棉质和铝质。从手册查询衰减系数后，可发现棉、塑料、橡胶μ值接近，铁、不锈钢μ值接近，因此在下文中考虑自吸收校正时可将待解控废物按照μ值分为棉，铁和铝三类。

2.3.2 自吸收校正方法

（1）自吸收校正的原理

对于大物件测量装置，测量的废物体为φ500×500mm的圆柱形状，探测器布置为600mm×300mm的四方形，可近似为圆环形，可使用2左图模拟大物件环形探测器测量废物体。圆柱形废物体外任一点测量活度只与到圆柱体中心距离有关，若使用单一探测器测量废物体外这一点的活度，可用2右图模拟。

对于电站产生技术废物，基本为可压缩防护用品，自吸收比较小，该假定符合实际情况。对于金属等自吸收比较大废物，上述无自吸收假定不存在，需要进行自吸收校正。为校正的需要，均需要假定废物体中放射性物质分布均匀。

（2）自吸收校正主要步骤

对技术废物分类，确定自吸收校正中材料的原子序数Z，明确测量核素。

使用Monte Carlo模拟软件计算圆柱形废物体外一测量点活度测量的自吸收校正系数。

将自吸收校正系数编入测量装置的测量文件中使用。

（3）Monte Carlo无源效率刻度

采用电厂台式多道探测器接近的探测器进行无源效率刻度，输入圆柱形容器的尺寸φ500×500mm，以及棉、铝、铁三种材质不同密度下计算探头对样品测量效率，能量区间为100-1400kev（本文中取典型核素Cs-137的661kev和Co-60的平均能量1225kev为例）。所取密度点的效率与密度为0.0012g/cm3的干空气效率之比，即为各密度下的自吸收因子。

根据图3，4，5，可以明确：无论是棉、铝还是铁，661keV和1225keV校正系数差别不大;如果密度相同，校正系数差别不大，这可降低废物测量中分类要求;如果测量废物密度比较大，如超过2g/cm3，则校正系数比较小，废物中放射性物质不均匀的影响就会很大，可通过减少废物体的直径减轻该问题。

在实际测量中，大物件放射性测量仪器带称重功能，使用φ500×500mm的圆桶形容器装满内容物，则每次测量均可得到被测物的密度，由密度-自吸收曲线图即可得出每次测量时的自吸收校正因子，编入仪器的测量文件中使用即可。

2.4 报警值设置

一般大物件放射性测量仪器具有自动报警功能，仪器管理人员可在软件中设置固定的报警限值后，当被测物项放射性超过设置的限值后，仪器将自动报警。仪器报警限值可以以活度或比活度方式设置，具体的值参考GB27742-2011《可免于辐射防护监管的物料中的放射性核素的活度浓度》和电厂放射性废物典型核素来确定。比如本文中举例的某核电厂，可选择Nb-95、Zr-95的豁免比活度限值1Bq/g作为仪器的设定报警值。

3 結论

本文根据核电厂废物源头和实际测量放射性组成，对大物件放射性仪器的测量参数进行了确定，建立了废物体外单点测量来校正自吸收的方法。通过该方法可计算不同材料废物体、不同核素自吸收校正系数，编入仪器中进行使用。并根据国内和国际的相关法规和标准，设置仪器的报警限值。利用大物件污染检测仪进行放射性固体废物清洁解控在国外比较普遍，但目前国内还没有具体的实践，应根据GB18871的要求，清洁解控还应征得审管部门的同意。

【参考文献】

[1]王斌.秦山三期无源效率刻度法在γ能谱分析中的应用.

[2]周志波.桶装核废物快速检测方法研究[D];中国原子能科学研究院;2007年.

[3]吴斌.放射性废物清洁解控水平初探; 《中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集（第一卷·第3册）》2009年.