CN112331372B - 核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置及方法，装置包括：屏蔽装置、取样系统、取样容器以及就地伽马谱仪系统；所述取样容器包括样品进气口以及取样口；所述就地伽马谱仪系统包括探测器以及数字化谱仪；所述屏蔽装置罩设于所述取样容器外侧；所述取样系统与所述样品进气口连通以输送待检测的气态流出物至所述取样容器，所述探测器设置于靠近所述取样口处以对所述取样容器内的气态流出物进行检测，并将检测得到的检测信号发送至所述数字化谱仪。本发明可直接测量获得气态流出物样品中放射性核素的种类及其活度浓度，进而可计算出流出物中放射性惰性气体的活度浓度，以满足气态放射性流出物监测相关的要求。
Description
技术领域
本发明涉及核电领域，尤其涉及一种核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置及方法。
背景技术
核电作为一种安全可靠、清洁的能源，已成为电力工业的重要组成部分。目前国内核能事业迅速发展，中国在建核电机组数量位居世界第一，按照目前趋势，在未来中国新投入运行的核电机组的数量将会继续上升。
随着国内核电的大力发展以及2011年日本福岛核事故给世人敲响的警钟，气态放射性流出物对环境和公众造成的剂量影响也越来越受到国家的重视和电厂附近居民的关心。
目前，对气态流出物的监测手段主要分为在线测量和实验室取样测量两种方法。在线监测主要用于实时监测，主要通过β射线测量得到流出物中总放射性活度，并给出一个等效133Xe排放量。实验室取样为离线测量模式，核设施实验室会对流出物进行周期取样和伽马能谱测量，测量结果认为是这个周期的排放平均值。
对于在线测量，现有技术的主要问题在于在线β射线测量无法分辨核素种类，只能获得一个总排放活度，无法满足国际上相关导则及规定的要求。随着近几十年来大气中85Kr浓度的上升，核设施流出物中85Kr的排放量也越来越受到政府和相关部门的重视，故核素分辨成为了核设施气态流出物监测的一个重要改进项。
实验室取样测量的测量方法则有取样频率较低，无法实时评估核设施的气态放射性流出物活度且无法反应一些意外性排放的问题。根据国标GB6249-2011《核动力厂环境辐射防护规定》中相关规定，对于低于探测限的放射性核素，取探测限的1/2作为该核素的浓度。一些核电站的惰性气体的探测下限远大于实际放射性惰性气体活度(特别是针对85Kr的测量)，如果按照上述国标要求，相同堆型的机组排放量差值将会很大，造成环境和居民剂量评估的差异很大，而且也不符合国际上推荐的监测标准。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在问题和不足，提供一种核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置及方法，能够在线测量核设施气态流出物中惰性气体放射性核素的种类及活度浓度。
本发明实施例提供了一种核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，包括：
屏蔽装置、取样系统、取样容器以及就地伽马谱仪系统；所述取样容器包括样品进气口以及取样口；所述就地伽马谱仪系统包括探测器以及数字化谱仪；所述屏蔽装置罩设于所述取样容器外侧；所述取样系统与所述样品进气口连通以输送待检测的气态流出物至所述取样容器，所述探测器设置于靠近所述取样口处以对所述取样容器内的气态流出物进行检测，并将检测得到的检测信号发送至所述数字化谱仪。
优选地，所述取样系统包括适于连接至烟囱的取样管嘴、取样管线以及第一抽气装置；所述取样管线的一端连接所述取样管嘴，另一端连接所述样品进气口，所述第一抽气装置设置于所述取样管线上。
优选地，所述屏蔽装置呈圆柱形，其外壳包括第一金属层、第二金属层及第三金属层；所述第一金属层为厚度2mm的钢层，所述第二金属层为厚度100mm的铅层；所述第三金属层为厚度2mm的铜层。
优选地，所述取样容器为马林杯取样容器。
优选地，所述取样容器还包括氮气入口；所述在线测量装置还包括氮气吹扫管线以及第二抽气装置；所述氮气吹扫管线的一端用于连接至氮气分配系统，所述氮气吹扫管线的另一端连接至氮气入口；所述第二抽气装置设置于所述氮气吹扫管线上。
优选地，所述探测器为高纯锗探测器。
优选地，所述就地伽马谱仪系统还包括制冷装置以及UPS电源，所述制冷装置设置于所述探测器上，所述UPS电源与所述制冷装置以及所述探测器电连接以提供电源。
优选地，所述就地伽马谱仪系统还包括高压模块、第一前置放大器以及第一主放大器，所述高压模块以及所述第一前置放大器连接所述探测模块，所述第一主放大器连接于所述第一前置放大器与所述数字化谱仪之间。
优选地，所述就地伽马谱仪系统还包括信号分析主机，所述信号分析主机内安装有解谱软件和无源效率刻度软件，以对所述数字化谱仪存储的数字信号进行解谱分析获得样品中的核素种类及其放射性活度。
优选地，还包括测量控制台，所述测量控制台与所述信号分析主机连接，以用于工作人员远程操作所述就地伽马谱仪系统。
优选地，还包括反康普顿系统，所述反康普顿系统包括次级探测器以及反符合电路，所述次级探测器一端与所述高压模块连接，另一端与所述反符合电路连接；所述第一主放大器连接所述反符合电路，所述反符合电路的另一端连接所述数字化谱仪。
优选地，所述反康普顿系统还包括第二前置放大器、第二主放大器，所述第二前置放大器以及第二主放大器设置于所述次级探测器与所述反符合电路之间。
优选地，所述取样系统为预浓集取样系统；预浓集的方法包括加压浓集、中空纤维膜富集。
本发明实施例还提供了一种如上述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置的在线测量方法，包括：
对取样容器进行清扫，经测量达标后开始取样流程；
启动制冷装置，使探测器达到工作温度；
取样系统从烟囱取样，把气态流出物样品送至取样容器后关闭取样系统；
探测器启动，对样品进行测量，测量数据通过数字化谱仪处理后得到样品的伽马能谱；
就地伽马谱仪系统的解谱软件给出气态流出物中存在的放射性惰性气体的种类及其全能峰计数率；
信号分析主机根据解谱软件给出的放射性核素种类及其全能峰计数率，调用无源效率刻度软件中被测样品对应的效率刻度曲线，按以下公式计算得到气态流出物中惰性气体的活度浓度：
其中，E为某种放射性核素的特征射线能量，AV(E)为测量样品中特征射线能量为E的放射性核素的体积活度，C(E)为该能量全能峰计数率，p(E)特征射线的分支比，ε(E)为效率刻度因子，V为取样容器体积。
所有测量完成后，样品通过废气排放管线返回烟囱。
综上所述，本发明的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置具有如下优点：
1、可直接测量获得气态流出物样品中放射性核素的种类及其活度浓度，进而可计算出流出物中放射性惰性气体的活度浓度，以满足国家气态放射性流出物监测相关的要求。
2、可实现流出物监测的在线谱测量，核素识别和活度精确测量，提升流出物监测工作实力，满足核设施流出物监测的审管部门监督性监测的需求，有助于提高数据的时效性以及有效地反应核设施通风排放系统的运行状态。
3、本发明的取样容器体积和测量时间满足85Kr探测限104Bq/m3的要求。
4、本发明实施例采用自动远程控制，实现气态流出物惰性气体伽马谱的精确、自动、高效、可靠地测量。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供了一种核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置的示意图。
图2是取样系统的示意图。
图3是取样系统与取样容器的连接示意图。
图4是取样容器与探测器的连接示意图。
图5是第一实施例的就地伽马谱仪系统的部分电路示意图。
图6是本发明第二实施例提供了一种核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置的示意图。
图7是第二实施例的就地伽马谱仪系统的部分电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，包括：
屏蔽装置10、取样系统20、取样容器30以及就地伽马谱仪系统40；所述取样容器30包括样品进气口以及取样口；所述就地伽马谱仪系统40包括探测器41以及数字化谱仪42；所述屏蔽装置10罩设于所述取样容器30外侧；所述取样系统20与所述样品进气口连通以输送待检测的气态流出物至所述取样容器30，所述探测器41设置于靠近所述取样口处以对所述取样容器30内的气态流出物进行检测，并将检测得到的检测信号发送至所述数字化谱仪42。
请一并参阅图2至图4，在本实施例中，所述取样系统20包括适于连接至烟囱的取样管嘴21、取样管线22以及第一抽气装置23；所述取样管线22的一端连接所述取样管嘴21，另一端连接所述样品进气口，所述第一抽气装置23设置于所述取样管线22上。
具体地，在本实施例中，所述第一抽气装置23工作时启动抽气，从而取样管嘴21可以从所述烟囱内抽取出气态流出物，所述气态流出物通过取样管线22流入所述取样容器30内。
在本实施例中，所述取样容器30可为马林杯取样容器，其中，为了实现对气态流出物的探测效率优化，根据模拟计算可以得到最佳结构为马林杯形。在本实施例中，所述马林杯取样容器的半径为161.5mm，高为230.7mm。其中心设在有用于放置探测器41的孔洞，该孔洞半径可为48.0mm。当然，需要说明的是，在本发明的其他实施例中，可根据实际需要设计所述取样容器30的尺寸，本发明不做具体限定。
在本实施例中，为了拥有良好的低能光子透过率，所述取样容器30的材料选择为铝合金，厚度为2mm。当然，需要说明的是，在本发明的其他实施例中，可根据实际需要选择所述取样容器30的材料以及厚度，本发明不做具体限定。
需要说明的是，在本实施例中，所述取样容器30的体积选择配合取样时间以在预留20％的设计裕度的同时满足85Kr探测限104Bq/m3的要求。同时取样容器30的径向尺寸和轴向尺寸经过蒙特卡罗软件模拟，在相同体积下达到最优的探测效率。
在本实施例中，所述取样容器30的外侧还罩设有屏蔽装置10，其中，所述屏蔽装置10可呈圆柱形，其外壳包括第一金属层11、第二金属层12及第三金属层13；所述第一金属层11为厚度2mm的钢层，所述第二金属层12为厚度100mm的铅层；所述第三金属层13为厚度2mm的铜层。其中，采用钢、铅、铜的多层屏蔽设计，在气态流出物惰性气体伽马能谱测量时屏蔽环境本底中的伽马射线以及屏蔽材料在与光子相互作用的过程中放出的特征X射线，达到降低环境本底同时降低探测限的目的。
在本实施例中，所述取样容器30还包括氮气入口；所述在线测量装置还包括氮气吹扫管线24以及第二抽气装置25；所述氮气吹扫管线24的一端用于连接至氮气分配系统，所述氮气吹扫管线24的另一端连接至氮气入口；所述第二抽气装置25设置于所述氮气吹扫管线24上。
其中，氮气吹扫管线24用于从氮气分配系统获取氮气并通过所述第二抽气装置25抽送至所述取样容器30内，其主要用于两次测量之间对取样容器30内部进行吹扫，防止前一次测量的样品残留在取样容器30内，吹扫后的氮气通过管线送至烟囱排放进入环境。
在本实施例中，所述探测器41可为高纯锗探测器。
其中，高纯锗(HPGe)探测器能够与被测气态流出物中惰性气体释放的γ射线相互作用产生电脉冲信号。特别的，在本实施例中，所述探测器41选型为HPGe探测器，其能量分辨率为：2.2keV(60Co源1332keV的γ射线)，1.0keV(60Co源122keV的γ射线)。
在本实施例中，所述就地伽马谱仪系统40还包括制冷装置43以及UPS电源44，所述制冷装置43设置于所述探测器41上，所述UPS电源44与所述制冷装置43以及所述探测器41电连接以提供电源。
其中，制冷装置43为探测器41提供低温工作条件，特别地，所述制冷装置43采用电制冷技术。
其中，UPS电源44能够在发生供电故障的时候继续为高纯锗探测器及制冷装置43供电，保证在事故情况下仍然能够监测烟囱气态流出物的排放。
请一并参阅图5，在本实施例中，所述就地伽马谱仪系统40还包括高压模块45、第一前置放大器46、第一主放大器47以及信号分析主机48，其中，所述高压模块45以及所述第一前置放大器46连接所述探测器41，所述第一主放大器47连接于所述第一前置放大器46与所述数字化谱仪42之间。所述信号分析主机48内安装有解谱软件和无源效率刻度软件，以对所述数字化谱仪41存储的数字信号进行解谱分析获得样品中的核素种类及其放射性活度。
其中，所述探测器41采集的信号依次经第一前置放大器46、第一主放大器47放大成形后，可送往数模转换器和多道脉冲幅度分析器将电脉冲信号转换成数字信号存储至所述数字化谱仪42，所述数字化谱仪将数字信号发送至信号分析主机48，以通过所述信号分析主机48内的软件进行分析和计算。
其中，所述软件包括解谱软件和无源效率刻度软件，数字化谱仪输出的数字信号通过解谱软件和无源效率刻度软件可分析获得样品中的核素种类及其放射性活度等信息。
在本实施例中，还包括测量控制台50，所述测量控制台50与所述信号分析主机48连接，以用于工作人员远程操作所述就地伽马谱仪系统40。
请参阅图6以及图7，图6是本发明第二实施例提供的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，与第一实施例相比，第二实施例主要是增加了反康普顿系统，同时取样系统20为预浓集取样系统；预浓集的方法包括加压浓集、中空纤维膜富集。
其主要功能为在加压富集下的直接测量，具有探测精度高，可有效减少康普顿散射光子对85Kr特征峰的影响。适用于通过加压等富集手段预浓集样品，同时样品在514keV(85Kr特征峰)处的康普顿散射光子本底较高的情况。
具体地，在本实施例中，所述反康普顿系统包括次级探测器61、反符合电路62、第二前置放大器63、第二主放大器64，所述次级探测器61一端与所述高压模块45连接，另一端通过第二前置放大器63、第二主放大器64与所述反符合电路62连接；所述第一主放大器47连接所述反符合电路62，所述反符合电路62的另一端连接所述数字化谱仪42。
其中，次级探测器61可选用BGO锗酸铋闪烁体探测器，环形厚度为55mm，长度为165.8mm，并配备3-4支光电倍增管。次级探测器61可经过蒙特卡罗代码优化，使得次级光子接收率在可接受的体积下达到最优，最终达到最优的反康效率。
其中，取样容器为圆柱形，高251.5mm，半径150.9mm，经蒙特卡罗软件模拟优化，相同体积下拥有最高的探测效率。
其中，反符合电路62用于处理次级探测器61和高纯锗探测器41的输出信号，达到降低康普顿坪的作用。
以下详述本发明第一实施例和第二实施例的在线测量过程：
(1)、氮气吹扫系统首先对取样容器30进行清扫，经测量达标后开始取样流程，使用过的氮气经管线送至烟囱。
(2)、启动制冷装置43，使高纯锗探测器达到工作温度。
(3)、取样系统20从烟囱取样，把气态流出物样品送至取样容器30后关闭取样系统20。如果是预浓集取样系统，则还包括对样品进行预浓集后送至取样容器30。
(4)、探测器41启动，对样品进行测量，测量时间为7小时，测量数据通过数字化谱仪42处理后得到样品的伽马能谱。
(5)、就地伽马谱仪系统40的解谱软件给出气态流出物中存在的放射性惰性气体的种类及其全能峰计数率。
(6)、信号分析主机48的控制软件根据解谱软件给出的放射性核素种类及其全能峰计数率，调用无源效率刻度软件中被测样品对应的效率刻度曲线，按以下公式计算得到气态流出物中惰性气体的活度浓度。
其中，E为某种放射性核素的特征射线能量，AV(E)为测量样品中特征射线能量为E的放射性核素的体积活度，C(E)为该能量全能峰计数率，p(E)特征射线的分支比，ε(E)为效率刻度因子，V为取样容器体积。数据和报警信息将会传送至测量控制台50。
(7)、测量结束，将样品经过管道排放至烟囱。
表1是本发明第一实施例的在线测量装置与第二实施例的在线测量装置的理论性能参数对照表
表1在线伽马谱测量装置理论性能参数
其中，MDAC1代表第二实施例的最低探测限，MDAC2代表第一实施例的最低探测限。
综上所述，本发明第一实施例以及第二实施例提供的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置具有如下优点：
1、采用本发明的两个实施例可直接测量获得气态流出物样品中放射性核素的种类及其活度浓度，进而可计算出流出物中放射性惰性气体的活度浓度，以满足国家气态放射性流出物监测相关的要求。
2、采用本发明的两个实施例可实现流出物监测的在线谱测量，核素识别和活度精确测量，提升流出物监测工作实力，满足核设施流出物监测的审管部门监督性监测的需求，有助于提高数据的时效性以及有效地反应核设施通风排放系统的运行状态。
3、本发明的两个实施例的取样容器30体积和测量时间满足85Kr探测限104Bq/m3的要求。
4、本发明的两个实施例采用自动远程控制，实现气态流出物惰性气体伽马谱的精确、自动、高效、可靠地测量。
5、本发明的两个实施例可以应对不同的测量要求，第一实施例可应用于514keV处康普顿本底较低的情况，优点为常压操作，85Kr的探测限较低。第二实施例则可以大大削减康普顿散射的影响，使得85Kr的514keV特征峰更容易被识别，适用于514keV处康普顿本底较高的情况。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，包括：
屏蔽装置、取样系统、取样容器以及就地伽马谱仪系统；所述取样容器包括样品进气口以及取样口，所述取样容器为马林杯取样容器，所述马林杯取样容器的半径为161.5mm，高为230.7mm，其中心设有用于放置探测器的孔洞，所述孔洞半径为48.0mm；所述就地伽马谱仪系统包括探测器、数字化谱仪，所述就地伽马谱仪系统还包括高压模块、第一前置放大器以及第一主放大器，所述高压模块以及所述第一前置放大器连接探测器，所述第一主放大器连接于所述第一前置放大器与所述数字化谱仪之间，还包括反康普顿系统，所述反康普顿系统包括次级探测器以及反符合电路，所述次级探测器一端与所述高压模块连接，另一端与所述反符合电路连接；所述第一主放大器连接所述反符合电路，所述反符合电路的另一端连接所述数字化谱仪，所述次级探测器选用BGO锗酸铋闪烁体探测器，环形厚度为55mm，长度为165.8mm，并配备光电倍增管；所述屏蔽装置罩设于所述取样容器外侧；所述取样系统与所述样品进气口连通以输送待检测的气态流出物至所述取样容器，所述探测器设置于靠近所述取样口处以对所述取样容器内的气态流出物进行检测，并将检测得到的检测信号发送至所述数字化谱仪。
2.根据权利要求1所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，所述取样系统包括适于连接至烟囱的取样管嘴、取样管线以及第一抽气装置；所述取样管线的一端连接所述取样管嘴，另一端连接所述样品进气口，所述第一抽气装置设置于所述取样管线上。
3.根据权利要求1所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，所述屏蔽装置呈圆柱形，其外壳包括第一金属层、第二金属层及第三金属层；所述第一金属层为厚度2mm的钢层，所述第二金属层为厚度100mm的铅层；所述第三金属层为厚度2mm的铜层。
4.根据权利要求1所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，所述取样容器还包括氮气入口；所述在线测量装置还包括氮气吹扫管线以及第二抽气装置；所述氮气吹扫管线的一端用于连接至氮气分配系统，所述氮气吹扫管线的另一端连接至氮气入口；所述第二抽气装置设置于所述氮气吹扫管线上。
5.根据权利要求1所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，所述探测器为高纯锗探测器。
6.根据权利要求1所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，所述就地伽马谱仪系统还包括制冷装置以及UPS电源，所述制冷装置设置于所述探测器上，所述UPS电源与所述制冷装置以及所述探测器电连接以提供电源。
7.根据权利要求1所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，所述就地伽马谱仪系统还包括信号分析主机，所述信号分析主机内安装有解谱软件和无源效率刻度软件，以对所述数字化谱仪存储的数字信号进行解谱分析获得样品中的核素种类及其放射性活度。
8.根据权利要求7所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，还包括测量控制台，所述测量控制台与所述信号分析主机连接，以用于工作人员远程操作所述就地伽马谱仪系统。
9.根据权利要求1所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，所述反康普顿系统还包括第二前置放大器、第二主放大器，所述第二前置放大器以及第二主放大器设置于所述次级探测器与所述反符合电路之间。
10.根据权利要求1所述的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置，其特征在于，所述取样系统为预浓集取样系统；预浓集的方法包括加压浓集、中空纤维膜富集。
11.一种如权利要求1至10任意一项的核设施气态流出物中惰性气体的在线测量装置的在线测量方法，其特征在于，包括：
对取样容器进行清扫，经测量达标后开始取样流程；
启动制冷装置，使探测器达到工作温度；
取样系统从烟囱取样，把气态流出物样品送至取样容器后关闭取样系统；
探测器启动，对样品进行测量，测量数据通过数字化谱仪处理后得到样品的伽马能谱；
就地伽马谱仪系统的解谱软件给出气态流出物惰性气体中存在的放射性核素的种类及其全能峰计数率；
信号分析主机根据解谱软件给出的放射性核素种类及其全能峰计数率，调用无源效率刻度软件中被测样品对应的效率刻度曲线，按以下公式计算得到气态流出物中惰性气体的活度浓度：
其中，E为某种放射性核素的特征射线能量，AV(E)为测量样品中特征射线能量为E的放射性核素的体积活度，C(E)为该能量全能峰计数率，p(E)特征射线的分支比，ε(E)为效率刻度因子，V为取样容器体积。
所有测量完成后，样品通过废气排放管线返回烟囱。
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