CN109696700B - 极低水平超铀核素放射性废物包检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极低水平超铀核素放射性废物包检测系统，涉及核设施退役、放射性废物治理技术领域，以实现α比活度水平未达到超铀核素解控标准的放射性废物包进行有效检测，降低核素不均匀分布对测量结果的影响。该系统包括铅屏蔽室、铅屏蔽盖、铜屏蔽层、系统内部圆柱形支撑单元、探测器组件、数字化γ谱获取多道分析器、控制系统，所述探测器组件包括NaI闪烁体、NaI配套支撑架、光电倍增管。本发明能实现低水平乃至解控水平放射性废物监控、评估、分类等，且不限于含239Pu废物的高灵敏检测，可推广应用于核电废物的分类检测与处置技术领域，对含钚废物的最小可探测α比活度达到85Bq/kg以下，能够为放射性废物安全处置及最小化管理提供关键支撑。

Description

极低水平超铀核素放射性废物包检测系统

技术领域

本发明涉及核设施退役、放射性废物治理技术领域，具体为一种极低水平超铀核素放射性废物包检测系统。更具体地，本发明提供一种用于超铀核素的放射性废物包检测系统，可直接应用于核电厂、燃料元件加工厂、核设施退役、军用反应堆运行、核材料加工、放射性废物收贮等产生的极低水平放射性废物、环境土壤样品、植物样品等的α或γ辐射比活度的高灵敏分析与准确评估，满足含超铀核素低水平乃至解控水平放射性废物检测与判断标准的要求。

背景技术

在核设施运行、退役、核技术应用及放射性废物治理等过程中，必将产生大量包含超铀核素的放射性废物。而包含超铀核素的放射性废物的暂存库容压力、安全风险、废物分类、处置成本、废物分类检测技术的相对滞后，甚至是不平衡发展、最小化等问题，对我们赖以生存的环境辐射安全，及核事业的创新驱动力，构成严重威胁，要彻底解决这些问题的关键在于发展高灵敏、高效率的放射性废物检测技术。

基于传统的或现有的放射性废物测量技术、方法及处置方案等，往往是以重屏蔽（如铅）下的高纯锗、塑料闪烁体及其组合为探测器，实现对废物包内出射伽马的有效检测及其分析与评估。但现有的系统探测效率较低、空间不均匀性很差，体积庞大，主要存在以下几方面问题：①检测灵敏度低；②只能给废物包内出射伽马的比活度水平；③很难可靠获得满足放射性废物分类检测技术要求的α比活度水平；④废物包内核素不均匀分布对评估结果的不确定度影响很大；⑤不利于核活动现场推广应用。

如“New high-throughput measurement systems for radioactive wastessegregation and free release”、“Testing and Performance Validation of aShielded Waste Segregation and Clearance Monitor Designed for the Measurementof Low Level Waste-13043”文献中分别介绍了以高纯锗、塑料闪烁体及其组合为探测器的放射性废物测量系统的性能、γ辐射最小可探测比活度、探测效率的空间均匀性等，采用γ射线积分计数方法，在一定范围内能够满足低水平放射性废物测量要求，实现了对γ辐射在数十Bq/kg以下的废物的可靠检测。

然而，塑料闪烁体能量分辨本领较差，无法识别废物中的放射性核素种类，只能借助高纯锗（HPGe）完成核素种类判断。其次，因其探测效率低，要达到极低水平放射性废物的测量需较长的谱收集时间。同时，还需设计足够厚的屏蔽体。因此，不可避免地会造成系统体积庞大、成本高、移动性能差等问题，难以用于核活动现场检测乃至废物的α比活度分析与评估。

因此，研制一种体积小、精度高、兼顾α与γ比活度分析、测量时间短且具有快速移动性的极低水平超铀核素的放射性废物检测系统具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极低水平超铀核素放射性废物包检测系统，以实现α比活度水平未达到超铀核素解控标准的放射性废物包进行有效检测，降低核素不均匀分布对测量结果的影响。本发明能实现低水平乃至解控水平放射性废物监控、评估、分类等，且不限于含239Pu废物的高灵敏检测，可推广应用于核电废物的分类检测与处置技术领域，对含钚废物的最小可探测α比活度达到85Bq/kg以下，能够为放射性废物安全处置及最小化管理提供关键支撑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

极低水平超铀核素放射性废物包检测系统，包括铅屏蔽室、用于为铅屏蔽室提供支撑的系统外层结构支撑组件、与铅屏蔽室相配合的铅屏蔽盖、铜屏蔽层、系统内部圆柱形支撑单元、探测器组件、数字化γ谱获取多道分析器、控制系统；

所述铅屏蔽盖设置在铅屏蔽室上端且铅屏蔽室与铅屏蔽盖构成屏蔽外腔体，所述屏蔽外腔体内部呈圆柱形，所述铜屏蔽层设置在屏蔽外腔体内壁上且形成铜铅复合屏蔽体结构，所述屏蔽外腔体与铜屏蔽层构成圆柱形的屏蔽主体；

所述系统内部圆柱形支撑单元设置在屏蔽主体内部；

所述探测器组件包括NaI闪烁体、NaI配套支撑架、光电倍增管；

所述探测器组件分为圆饼型探测器组件、环形探测器组件；

所述圆饼型探测器组件中的NaI闪烁体呈圆饼型，所述圆饼型探测器组件为两组，所述圆饼型探测器组件中的圆饼型NaI闪烁体通过NaI配套支撑架设置在系统内部圆柱形支撑单元上且圆饼型探测器组件分别位于屏蔽主体的上下两端；

所述环形探测器组件中的NaI闪烁体呈环形且至少由一个NaI闪烁体构成，所述环形探测器组件为两组，所述环形探测器组件中的环形NaI闪烁体通过NaI配套支撑架设置在系统内部圆柱形支撑单元上且环形探测器组件分别位于圆柱形的屏蔽主体中心平面的上侧和下侧；

所述系统外层结构支撑组件设置在铅屏蔽室外侧，所述数字化γ谱获取多道分析器设置在系统外层结构支撑组件内侧与铅屏蔽室外侧之间的空腔内，所述NaI闪烁体通过光电倍增管与数字化γ谱获取多道分析器相连；

所述数字化γ谱获取多道分析器与控制系统相连。

还包括称重单元，所述称重单元位于铅屏蔽室下方且能对待测废物包进行质量测定，所述称重单元与控制系统相连。

还包括助力单元，所述助力单元位于铅屏蔽室下方。

所述助力单元为助力车。

还包括与铅屏蔽盖相配合的铅盖移动控制单元，所述铅盖移动控制单元与控制系统相连。

所述铜屏蔽层采用紫铜材料制备而成。

所述屏蔽主体上设置有穿线孔，还包括与穿线孔相配合的穿线屏蔽件。

所述环形探测器组件中的环形NaI闪烁体由六个圆弧形NaI闪烁体构成。

所述屏蔽主体内的圆饼型探测器组件、环形探测器组件形成4π空间测量条件。

用于前述极低水平超铀核素放射性废物包检测系统的安装方法，包括如下步骤：

（1）将极低水平超铀核素放射性废物包检测系统置于含称重单元的助力单元上；

（2）将探测器组件、数字化γ谱获取多道分析器固定在系统内部圆柱形支撑单元上，并置于屏蔽主体内部；

（3）将光电倍增管的信号连接线与数字化γ谱获取多道分析器连接，并将数字化γ谱获取多道分析器与控制系统相连，再将待测定放射性废物包置于屏蔽主体内，最后将铅屏蔽盖盖在铅屏蔽室上，即可进行测量。

针对前述问题，本发明提供一种极低水平超铀核素放射性废物包检测系统，属于核设施退役、放射性废物治理技术领域，其目的在于实现对α比活度水平未达到超铀核素解控标准的放射性废物包进行有效检测，降低核素不均匀分布对测量结果的影响，同时初步获得废物包内源项分布信息。

本发明中，检测系统包括铅屏蔽室、用于为铅屏蔽室提供支撑的系统外层结构支撑组件、铅屏蔽盖、铜屏蔽层、系统内部圆柱形支撑单元、探测器组件、数字化γ谱获取多道分析器、控制系统。其中，铅屏蔽盖与铅屏蔽室相配合，铅屏蔽盖设置在铅屏蔽室上；铅屏蔽室内壁与铅屏蔽盖之间形成屏蔽外腔体，屏蔽外腔体内部呈圆柱形。同时，本发明在屏蔽外腔体内壁上设置铜屏蔽层，从而形成铜-铅复合屏蔽体结构，屏蔽外腔体与铜屏蔽层共同构成内部呈圆柱形的屏蔽主体。本发明中，铜-铅复合屏蔽体结构构成低本底铅屏蔽室，其主要用作环境辐射屏蔽的主体，呈圆柱形，能够用于环境本底的主动屏蔽。进一步，还包括设置在屏蔽主体上的穿线孔、与穿线孔相配合的穿线屏蔽件。

同时，本发明在屏蔽主体内部设置系统内部圆柱形支撑单元，其主要用于为探测器组件及数字化γ谱获取多道分析器提供支撑。本发明中，探测器组件包括NaI闪烁体、用于为NaI闪烁体提供的NaI配套支撑架、光电倍增管。同时，本发明对探测器的空间测量条件进行了全新的设计。本发明中，所有探测器组件均有NaI配套支撑架、光导单元及光电倍增管，且随探测器组件尺寸大小及位置不同而有所差别。

本发明中，探测器组件分为圆饼型探测器组件、环形探测器组件两类。其中，圆饼型探测器组件为两组，其中的NaI闪烁体呈圆饼型；圆饼型的NaI闪烁体置于NaI配套支撑架上，一并设置在系统内部圆柱形支撑单元上。环形探测器组件为两组，每组环形探测器组件呈圆环形，其由至少由一个NaI闪烁体构成，且环形探测器组件中的环形NaI闪烁体通过NaI配套支撑架设置在系统内部圆柱形支撑单元上；作为优选，每组环形探测器组件中的环形NaI闪烁体由六个圆弧形NaI闪烁体构成。

本发明中，两组圆饼型探测器组件分别位于屏蔽主体的上部和下部，两组环形探测器组件分别设置在圆柱形的屏蔽主体中心平面的上侧和下侧，且数字化γ谱获取多道分析器设置在系统外层结构支撑组件内侧与系统内部圆柱形屏蔽主体外侧之间的空腔内。该结构中，屏蔽主体内的圆饼型探测器组件、环形探测器组件形成4π空间测量条件。

同时，NaI闪烁体通过光电倍增管与数字化γ谱获取多道分析器相连（即数字化γ谱获取多道分析器与光电倍增管配合使用），数字化γ谱获取多道分析器与控制系统相连。

进一步，本发明还包括称重单元、助力单元，称重单元、助力单元分别位于铅屏蔽室下方，称重单元用于对待测废物包进行质量测定，助力单元用于为系统移动提供动力。本发明中，数字化γ谱获取多道分析器、称重单元、控制系统等，能够实现数据的采集、分析及处理。

进一步，还包括与铅屏蔽盖相配合的铅盖移动控制单元，铅盖移动控制单元与控制系统相连。作为优选，本发明中，铜屏蔽层采用紫铜材料制备而成。

与现有技术不同，本发明具有如下优点：

（1）本发明中，采用Cu、Pb复合屏蔽体与控制γ射线积分计数能量区间（30keV-800keV）相结合的方法，遏制环境中⁴⁰k、²¹⁴Bi及铅体内²¹⁴Pb、²²⁰Ra等核素辐射射线对放射性废物包检测系统本底计数的贡献，排除废物包内γ射线与Cu、Pb相互作用产生的73KeV、8.9keV特征射线及电子学噪声引起的本底计数，大幅降低系统本底水平，进而提升系统最低可检测超铀核素比活度水平，并大幅降低屏蔽1.46MeV、2.614MeV等高能射线所需铅层厚度；

（2）本发明中，探测器组件采用NaI闪烁体探测器，其对γ射线本征探测效率很高（接近100%），并通过设计并优化探测器布局方式，构建4π空间测量条件，获得系统本底水平与探测限、探测效率及其空间均匀性之间的最佳匹配，改善放射性废物包内核素不均匀分布对测量结果的影响；

（3）另外，基于探测器组件、数字化γ谱获取多道分析器、称重单元等的配合，本发明结合数字化多通道谱获取技术、系统内NaI探测器能量分辨水平与位置状态、射线衰减规律、超铀核素的伽马、α发射率及其与材料年龄和组份之间的关系，以此可靠获得放射性废物包的α或伽马比活度水平及其核素分布信息。

综上所述，本发明融合有限厚度的Cu、Pb复合屏蔽体与控制低分辨NaI积分计数能区两种降噪技术措施，大幅降低了环境本底辐射、结构材料的特征X射线辐射及电子学噪声对比活度测量结果的影响，且有利于核活动现场灵活使用与推广。经实际验证，（1）本发明的系统总体重量不超过1000kg，具备助力移动功能，便于核活动现场灵活使用；（2）系统最低探测效率优于15%，最高探测效率优于75%，空间效率不均匀性可控制在5%~10%范围内；（3）当系统探测效率为30%、测量时间1000s时，对含钚废物的最小可探测α比活度达到85Bq/kg以下。

本发明能实现低水平乃至解控水平放射性废物监控、评估、分类等，且不限于含²³⁹Pu废物的高灵敏检测，可推广应用于核电废物的分类检测与处置技术领域，对含钚废物的最小可探测α比活度达到85Bq/kg以下，能够为放射性废物安全处置及最小化管理提供关键支撑。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为系统外部示意图。

图2为图1的A-A向剖视图。

图3为数据获取与分析单元示意图。

图4为系统各单元布局纵剖面示意图。

图5为系统工作流程图。

图中标记：1、穿线孔，2、铅屏蔽室，3、铅屏蔽盖，4、圆饼型探测器组件，5、环形探测器组件，6、光电倍增管，7、称重单元。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例的极低水平超铀核素放射性废物包检测系统包括铅屏蔽室、用于为铅屏蔽室提供支撑的系统外层结构支撑组件、铅屏蔽盖、铜屏蔽层、系统内部圆柱形支撑单元、探测器组件、数字化γ谱获取多道分析器、控制系统、称重单元。本实施例中，铅屏蔽室呈一端开口的桶状。其中，铅屏蔽盖设置在铅屏蔽室上，铅屏蔽室与铅屏蔽盖构成屏蔽外腔体，屏蔽外腔体内部呈圆柱形。铜屏蔽层设置在屏蔽外腔体内壁上，从而形成Cu-Pb复合屏蔽体结构，且屏蔽外腔体与铜屏蔽层共同构成圆柱形的屏蔽主体（即低本底铅屏蔽室，用于环境本底的主动屏蔽）。

本实施例中，系统内部圆柱形支撑单元设置在屏蔽主体内部，用于为其他部件提供支撑。探测器组件包括NaI闪烁体、NaI配套支撑架、光电倍增管（简称PMT）。本实施例中，采用两种不同构型的探测器组件，分别为圆饼型探测器组件、环形探测器组件。其中，圆饼型探测器组件中的NaI闪烁体呈圆饼型，圆饼型探测器组件中的圆饼型NaI闪烁体通过NaI配套支撑架设置在系统内部圆柱形支撑单元上。环形探测器组件中的NaI闪烁体呈环形，单个环形探测器组件中的NaI闪烁体由六个圆弧形NaI闪烁体构成。

本实施例中，圆饼型探测器组件、环形探测器组件分别为两组，且圆饼型探测器组件分别位于屏蔽主体的上下两端，环形探测器组件分别位于圆柱形的屏蔽主体中心平面的上侧和下侧。该结构中，屏蔽主体内的圆饼型探测器组件、环形探测器组件形成4π空间测量条件。同时，NaI闪烁体通过光电倍增管与数字化γ谱获取多道分析器相连，数字化γ谱获取多道分析器设置在系统外层结构支撑组件内侧与系统内部圆柱形屏蔽体外侧之间的空腔内。进一步，称重单元位于铅屏蔽室内侧下方，且称重单元能对屏蔽主体内的待测废物包的质量进行测定。本实施例中，称重单元、数字化γ谱获取多道分析器分别与控制系统相连。

进一步，还包括设置在屏蔽主体上的穿线孔、与穿线孔相配合的穿线屏蔽件。进一步，铜屏蔽层采用紫铜材料制备而成；还包括与铅屏蔽盖相配合的铅盖移动控制单元，铅盖移动控制单元与控制系统相连。

进一步，还包括助力车，助力车位于铅屏蔽室下方。

该装置使用时，先将铅屏蔽室置于包含称重单元的助力车上；其次，将探测器组件固定在系统内部圆柱形支撑单元上，再将其置于铅屏蔽室内；第三，通过PMT的信号连接线与数字化γ谱获取多道分析器有效连接；第四，将铅屏蔽盖固定于铅屏蔽室上，实现密封，并进行相应的测量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.极低水平超铀核素放射性废物包检测系统，其特征在于，包括铅屏蔽室、用于为铅屏蔽室提供支撑的系统外层结构支撑组件、与铅屏蔽室相配合的铅屏蔽盖、铜屏蔽层、系统内部圆柱形支撑单元、探测器组件、数字化γ谱获取多道分析器、控制系统；

所述铅屏蔽盖设置在铅屏蔽室上端且铅屏蔽室与铅屏蔽盖构成屏蔽外腔体，所述屏蔽外腔体内部呈圆柱形，所述铜屏蔽层设置在屏蔽外腔体内壁上且形成铜铅复合屏蔽体结构，所述屏蔽外腔体与铜屏蔽层构成圆柱形的屏蔽主体；

所述系统内部圆柱形支撑单元设置在屏蔽主体内部；

所述探测器组件包括NaI闪烁体、NaI配套支撑架、光电倍增管；

所述探测器组件分为圆饼型探测器组件、环形探测器组件；

所述圆饼型探测器组件中的NaI闪烁体呈圆饼型，所述圆饼型探测器组件为两组，所述圆饼型探测器组件中的圆饼型NaI闪烁体通过NaI配套支撑架设置在系统内部圆柱形支撑单元上且圆饼型探测器组件分别位于屏蔽主体的上下两端；

所述环形探测器组件中的NaI闪烁体呈环形且至少由一个NaI闪烁体构成，所述环形探测器组件为两组，所述环形探测器组件中的环形NaI闪烁体通过NaI配套支撑架设置在系统内部圆柱形支撑单元上且环形探测器组件分别位于圆柱形的屏蔽主体中心平面的上侧和下侧；

所述系统外层结构支撑组件设置在铅屏蔽室外侧，所述数字化γ谱获取多道分析器设置在系统外层结构支撑组件内侧与内部铅屏蔽室外侧之间的空腔内，所述NaI闪烁体通过光电倍增管与数字化γ谱获取多道分析器相连；

所述数字化γ谱获取多道分析器与控制系统相连；

所述屏蔽主体上设置有穿线孔，还包括与穿线孔相配合的穿线屏蔽件；

所述屏蔽主体内的圆饼型探测器组件、环形探测器组件形成4π空间测量条件。

2.根据权利要求1所述检测系统，其特征在于，还包括称重单元，所述称重单元位于铅屏蔽室下方且能对待测废物包进行质量测定，所述称重单元与控制系统相连。

3.根据权利要求1所述检测系统，其特征在于，还包括助力单元，所述助力单元位于铅屏蔽室下方。

4.根据权利要求3所述检测系统，其特征在于，所述助力单元为助力车。

5.根据权利要求1所述检测系统，其特征在于，还包括与铅屏蔽盖相配合的铅盖移动控制单元，所述铅盖移动控制单元与控制系统相连。

6.根据权利要求1所述检测系统，其特征在于，所述铜屏蔽层采用紫铜材料制备而成。

7.根据权利要求1~6任一项所述检测系统，其特征在于，所述环形探测器组件中的环形NaI闪烁体由六个圆弧形NaI闪烁体构成。

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