大物件放射性測量儀器測量條件的確定

陸麗燕　熊扣紅

【摘 要】大物件放射性測量儀器是一種非常靈敏的放射性測量儀器，能快速檢測放射性廢物中放射性核素活度。本文通過分析國內某核電廠的大物件放射性測量儀器的功能和原理，結合該核電廠放射性固體廢物的特點，以及國家放射性材料解控相關標準的要求，從效率刻度、空間響應校正、自吸收校正、報警值設置等4個方面確定關鍵測量條件，從而為放射性廢物活度測量建立完整方法，定量解決電站廢物準確測量問題。

【關鍵詞】放射性固體廢物;大物件測量儀器;效率刻度;自吸收校正

中圖分類號： X837 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0064-003

0 前言

核電廠放射性廢物解控的關鍵在于極低水平放射性活度的測量。國外核電廠一般使用大物件放射性測量儀器，來檢測來自于輻射控制區內的固體廢物是否存在放射性，判斷是否作為放射性固體廢物處理。但是由于核電廠產生的固體廢物非單一核素組成、形狀不規則、材質多樣化、放射性分布不均勻，由設備廠家設置的相關參數無法滿足測量要求，仍需根據各自需求設置或根據實驗確定相關個性參數。本文以某核電廠大物件放射性測量儀為例，根據該電廠典型固體廢物的核素組成、形狀、材質以及能量，分析確定儀器的測量效率，進行空間響應修正和自吸收校正，并設置合理的污染報警閾值，建立國內核電廠放射性廢物測量方法。

1 大物件放射性測量儀器簡介

本文中討論的大物件放射性測量儀器如圖1所示，型號為LAM12，由THERMO FISHER公司生產，具備稱重、自動本底測量、快速掃描（QuickScan）、本底自動扣除等功能。該儀器在前、后、左、右配置了4個大面積塑料閃爍體探測器，采用單開門形式。為降低探測下限，全方位配備了25mm的鉛屏蔽。該儀器為總活度測量裝置，活度測量不具備核素能譜識別、被測量廢物自吸收校正等功能，需要在下文中進行討論。

2 大物件放射性測量儀器的關鍵參數設置

使用大物件放射性測量儀器檢測物件污染水平時，影響儀器的關鍵因素包括本底、效率、測量時間、自吸收、空間響應、置信度、污染報警閾值等。其中本底由儀器本身及所在環境所確定;測量時間和置信度按既定原則由使用者簡單設定或由儀器自動計算;效率、自吸收校正、空間響應校正需使用特定的方法才能確定;污染報警閾值根據相關標準并結合儀器特點確定。下文將分別介紹如何先用合適的刻度源、空間響應校正、自吸收校正因子、污染報警閾值的確定方法。

2.1選用合適的刻度源

放射性核素組成是影響輻射測量儀表測量效率的關鍵因素之一，儀器效率刻度所用標準源中的核素組成應盡量與被測量樣品一致，但核電站放射性材料中往往可能含有數十種乃至數百種放射性核素，無法制作與待測樣品核素組份一致的刻度源。本文選取某核電廠運行期間的系統源項，與該電廠放射性廢物數據庫中隨機選取的28種廢物典型核素進行比較，發現放射性固體廢物中長半衰期的核素組成基本相同，主要核素為Zr-95、Nb-95、Co-60等，短于8天放射性核素份額很小可忽略，且可能解控廢物中主要核素不超過5種，能量基本為Cs-137（平均能量為661kev）和Co-60（平均能量為 1252kev，）所覆蓋，因此本文討論時選用Cs-137、Co-60作為儀器的刻度源。

2.2 空間響應的不均勻性

放射性測量時，對于多探測器組合的輻射測量儀器來說，通過探測器幾何位置的優化布置，可以展平點放射源的空間響應。可根據儀器出廠時的效率刻度報告，來確定測量裝置在無吸收材料的情況下計數效率的空間響應特性。對于本文中大物件測量裝置，從出廠報告的空間響應分布圖中不同核素Co-57（0.122MeV）、Cs-137（0.661MeV）、Co-60（平均能量1.25MeV）計數效率的空間響應可知，射線能量越小，空間響應不均勻性越大。而在射線能量0.661MeV或1.25MeV時，計數效率空間響應差別不大，而電站所測量的放射性核素的射線恰在這一能量區域。因此，在解控廢物活度測量中，通過規范所測量廢物體的形狀可以確保活度測量保守性及一定準確性。基于此，本文討論廢物體自吸收校正中，可假定廢物體為圓柱形，尺寸為φ500×500mm。

2.3 自吸收校正

2.3.1 γ射線吸收原理

大物件測量裝置是通過測量全能γ放射性核素的裝置。廢物體的自吸收校正也是基于全能γ光子的作用過程。根據γ射線與物質作用的原理，衰減系數μ與γ射線的能量E、吸收體材料原子序數Z和材料密度ρ有關：

μ=μ（E，Z，ρ）

以某核電廠為例，放射性廢物的材質分類，技術廢物中防護用品的材質為棉、塑料、橡膠，設備工器具為鐵和不銹鋼;空氣過濾器拆解后的外殼為鋼，濾芯分為棉質和鋁質。從手冊查詢衰減系數后，可發現棉、塑料、橡膠μ值接近，鐵、不銹鋼μ值接近，因此在下文中考慮自吸收校正時可將待解控廢物按照μ值分為棉，鐵和鋁三類。

2.3.2 自吸收校正方法

（1）自吸收校正的原理

對于大物件測量裝置，測量的廢物體為φ500×500mm的圓柱形狀，探測器布置為600mm×300mm的四方形，可近似為圓環形，可使用2左圖模擬大物件環形探測器測量廢物體。圓柱形廢物體外任一點測量活度只與到圓柱體中心距離有關，若使用單一探測器測量廢物體外這一點的活度，可用2右圖模擬。

對于電站產生技術廢物，基本為可壓縮防護用品，自吸收比較小，該假定符合實際情況。對于金屬等自吸收比較大廢物，上述無自吸收假定不存在，需要進行自吸收校正。為校正的需要，均需要假定廢物體中放射性物質分布均勻。

（2）自吸收校正主要步驟

對技術廢物分類，確定自吸收校正中材料的原子序數Z，明確測量核素。

使用Monte Carlo模擬軟件計算圓柱形廢物體外一測量點活度測量的自吸收校正系數。

將自吸收校正系數編入測量裝置的測量文件中使用。

（3）Monte Carlo無源效率刻度

采用電廠臺式多道探測器接近的探測器進行無源效率刻度，輸入圓柱形容器的尺寸φ500×500mm，以及棉、鋁、鐵三種材質不同密度下計算探頭對樣品測量效率，能量區間為100-1400kev（本文中取典型核素Cs-137的661kev和Co-60的平均能量1225kev為例）。所取密度點的效率與密度為0.0012g/cm3的干空氣效率之比，即為各密度下的自吸收因子。

根據圖3，4，5，可以明確：無論是棉、鋁還是鐵，661keV和1225keV校正系數差別不大;如果密度相同，校正系數差別不大，這可降低廢物測量中分類要求;如果測量廢物密度比較大，如超過2g/cm3，則校正系數比較小，廢物中放射性物質不均勻的影響就會很大，可通過減少廢物體的直徑減輕該問題。

在實際測量中，大物件放射性測量儀器帶稱重功能，使用φ500×500mm的圓桶形容器裝滿內容物，則每次測量均可得到被測物的密度，由密度-自吸收曲線圖即可得出每次測量時的自吸收校正因子，編入儀器的測量文件中使用即可。

2.4 報警值設置

一般大物件放射性測量儀器具有自動報警功能，儀器管理人員可在軟件中設置固定的報警限值后，當被測物項放射性超過設置的限值后，儀器將自動報警。儀器報警限值可以以活度或比活度方式設置，具體的值參考GB27742-2011《可免于輻射防護監管的物料中的放射性核素的活度濃度》和電廠放射性廢物典型核素來確定。比如本文中舉例的某核電廠，可選擇Nb-95、Zr-95的豁免比活度限值1Bq/g作為儀器的設定報警值。

3 結論

本文根據核電廠廢物源頭和實際測量放射性組成，對大物件放射性儀器的測量參數進行了確定，建立了廢物體外單點測量來校正自吸收的方法。通過該方法可計算不同材料廢物體、不同核素自吸收校正系數，編入儀器中進行使用。并根據國內和國際的相關法規和標準，設置儀器的報警限值。利用大物件污染檢測儀進行放射性固體廢物清潔解控在國外比較普遍，但目前國內還沒有具體的實踐，應根據GB18871的要求，清潔解控還應征得審管部門的同意。

【參考文獻】

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