EAST聚變裝置長脈沖輻射監測及研究

李成勛 霍志鵬 鐘國強 胡立群

關鍵詞：EAST;中子;γ射線;輻射監測

目前可控核聚變研究途徑主要包括磁約束聚變與慣性約束聚變這兩種[1]。經過長時間的探索，科學家發現利用磁約束實現可控核聚變是實驗路徑中最具有希望的一種，目前磁約束核聚變的研究主要集中在托卡馬克裝置上[2]。

EAST（ExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak）托卡馬克裝置是由中科院等離子體物理研究所自主設計并建造的全超導托卡馬克，又稱為“東方超環”[3]。2021年12月30日，EAST托卡馬克裝置成功實現電子溫度近7000萬℃條件下1056s長脈沖高參數等離子體運行。EAST聚變裝置采用脈沖放電模式，脈沖持續時間由毫秒至千秒級別不等。在放電運行期間，會釋放大量放射性物質，其中以放射性中子和γ射線為重點關注對象之一。對于短脈沖而言，由于放電時間有限，釋放出的輻射影響也相對較小。但2021年EAST聚變裝置創造長脈沖高參數等離子體運行記錄，脈沖持續時間達到千秒之久。在這種運行條件下，會持續釋放大量中子及次級γ射線，因此需要了解EAST聚變裝置在長脈沖高參數等離子體運行期間輻射場中子與γ射線的分布及強度，確保運行期間人員及環境的輻射安全。

本文運用EAST聚變裝置輻射在線監測系統，實現對長脈沖高參數等離子體運行期間場所與環境中子與γ射線的實時監測與存儲。通過對EAST聚變裝置輻射監測，不僅可以有效獲得放射性數據，同時為輻射安全防護提供了數據支撐，保障聚變能安全開發利用。對后續實驗順利開展以及保護實驗與工作人員都具有重要意義，同時也是對EAST聚變裝置輻射防護水平的一種驗證[4]。

1輻射源項分析

EAST托卡馬克裝置主要進行氘氘等離子體聚變反應，核反應過程如下：

D+D→3He（0.82MeV）+n（2.45MeV）

D+D→T（1.01MeV）+p（3.02MeV）

氘氘聚變反應直接產生平均能量為2.45MeV的中子，是聚變中子產生的最主要來源。EAST裝置放射性來源主要包括以下方面：

（1）中子來源包括D-D直接聚變反應產生中子、高能逃逸電子與次級高能硬X射線作用某種物質發生光致核反應產生光致中子兩部分。

（2）γ射線來源包括高能離子與裝置第一壁和偏濾器等雜質核反應、中子與材料在輸運時非彈性散射和輻射俘獲、中子活化設備與材料產生放射性核素衰變等途徑[5]。

（3）EAST裝置采用多種加熱系統使聚變反應一直運行于高溫與高壓環境中，當采用中性束注入輔助加熱系統時，該加熱系統自身就是輻射源，在中性束出束運行期間會產生大量的韌致輻射、γ射線以及聚變中子[6]。

為了降低電離輻射帶來的影響，EAST裝置建立了有效的屏蔽體結構。裝置大廳屏蔽墻體長31m，寬28m，高23m，由鋼筋混凝土建造而成。裝置主機四周屏蔽墻的墻體厚度為1.5m，頂層也是鋼筋混凝土結構，厚度達到1m，通道大門是注入水的屏蔽水門。通過核輻射監測系統實時監測，可以準確地獲得不同監測點處的中子和γ射線劑量率，進而可以準確判斷大廳外部不同監測點處的輻射屏蔽效果，以及時對薄弱處加強相應的屏蔽處理工作。

在EAST裝置周圍環境中，利用移動式中子和γ射線探測設備對實驗前的本底環境進行多次測量并取平均值。測量結果表明，EAST裝置中子環境本底劑量率約為0.003μSv/h，γ射線環境本底劑量率約為0.1μSv/h。EAST裝置等離子體放電期間，EAST大廳內部脈沖式輻射場中子和γ射線劑量率遠遠大于本底值，可直接用于EAST放電期間中子和γ射線輻射場的研究。大廳外由于絕大部分輻射被鋼筋混凝土屏蔽墻屏蔽，僅有極少量輻射通過門縫、管道、天空反散射等到達外部環境，在EAST大廳外部也能測到放電產生中子和γ射線，但是劑量率較低。按照《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB18871—2002）要求，放射性物質向環境排放量保持在排放管理限值以下可合理達到的盡量低水平。當前，EAST裝置輻射在線監測系統對大廳內外邊界輻射報警閾值均設為100μSv/h，當超過此閾值，及時報警以免工作人員誤入強輻射環境中。聚變中子和γ射線是影響工作人員與環境安全的主要因素，是實現聚變能安全可控利用的一大難點，因此針對EAST聚變裝置主要的運行工況和源項建立輻射在線監測系統十分必要[7]。

2監測系統的設計

2.1設計要求

EAST周圍環境中，每一次等離子體聚變反應放電產生的中子和γ射線的輻射場強度在EAST大廳內外分布隨著空間位置不同而有所不同，并且隨著每一次等離子體聚變放電方式不同以及放電參數的不同在監測點的輻射場強度也表現出很大的不同。

首先，針對大廳內外輻射場強度的差異，需要選擇不同探測范圍、時間響應及靈敏度的探測器，使探測器適用于不同場所的探測要求。其次，由于大廳屏蔽墻的屏蔽隔離作用，將大廳內外分成場所與環境區域。此時監測點布局既要滿足EAST聚變裝置放電期間重點監測區域全面覆蓋，還要考慮監測點布局合理性，使輻射探測區域滿足實驗需求。接著，在線監測網絡結構要相對簡單，根據實際情況優化布線方式，要能實現監測數據的統一管理功能。通過采集機控制平臺能夠實現輻射監測數據實時劑量率及累積劑量的采集顯示與存儲，并且能夠長期穩定運行。最后，對超過一定閾值的輻射劑量率能夠及時準確報警，確保工作人員與周圍環境安全[8]。

2.2探測器選型

EAST聚變裝置在放電時，大廳場所內中子與γ射線在較短時間內輻射劑量達到較高水平，而放電結束后又在較短時間衰減到低輻射劑量。因此大廳場所內需要選擇能量響應動態范圍寬且時間響應較快的探測器，而大廳外的低劑量的環境區域則選擇靈敏度高且能夠長期穩定運行的探測器[9]。鑒于EAST運行期間高參數、持續時間短的“脈沖式”的輻射監測，大廳內部采用高量程的探測器，測量范圍0.1～100000μSv/h。大廳外輻射為本底水平，外部周圍環境采用高靈敏度的探測器，測量范圍0.01～10000μSv/h。

2.2.1中子探測器

EAST聚變裝置在D-D放電時產生大量中子，此時大廳內要求中子探測器必須能夠準確測量實驗場所大廳內短時間且高劑量的中子通量，響應及時且漏計數低。為了達到這種探測要求，經過綜合考慮，最終選擇了ANM型號的BF3正比計數管（?2.5cm×13.5cm）。探測器經過校準，標定后該探測器的主要技術指標：靈敏度為1.350nSv/脈沖，測量范圍為1～10000μSv/h，能量響應為0.025eV～17MeV，總不確定度小于15%。ANM型號的BF3正比計數管高度集成，電極收集輸出電流脈沖信號經過前置放大器、運算放大器、脈沖甄別、脈沖成形等電子學處理后輸出電壓脈沖信號，再通過單片機進一步處理得到計數率和劑量率等輻射信息[10]。中子探測器工作電路結構圖如圖1所示。

對于EAST聚變裝置主機大廳外環境中子的探測，選擇了ENM型號的BF3正比計數管（?5.0cm×35.0cm）。標定后該探測器的主要技術指標：靈敏度為0.0133nSv/脈沖，測量范圍為1.0×10-3～300μSv/h，能量響應為0.025eV～5MeV，總不確定度小于11%。BF3正比計數管對中子輻射產生的脈沖幅度比γ輻射大得多，因此能有效區分中子與γ射線脈沖，對混合場中的輻射產物有很好的甄別能力[11]。探測器能量響應范圍較寬且能在復雜惡劣的環境下長期穩定工作，被廣泛應用于核聚變實驗中。ANM與ENM型號中子探測器外觀及內部結構圖如圖2所示。

2.2.2γ射線探測器

EAST聚變裝置大廳內對高劑量γ輻射的探測選擇了測量范圍寬，時間響應快的AGM型號的圓柱形電離室。電離室內充有2MPa的氬氣，該探測器內部由收集電極、高壓電極以及保護環等共同組成[12]。圓柱形電離室原理示意圖如圖3所示。標定后該探測器的主要技術指標：靈敏度為0.291nSv/脈沖，測量范圍為0.1～15000μSv/h，能量響應為50keV～3MeV，總不確定度小于10%。

對于EAST聚變裝置主機大廳外環境γ射線的探測，選擇了靈敏度高，工作穩定性強的EGM型號的球形電離室。電離室內充有2.5MPa的氬氣，該探測器內部同樣由收集電極、高壓電極以及保護環等共同組成。其中，收集電極和高壓電極分別由?50mm的小球和?250mm大球構成。球形電離室原理示意圖如圖4所示。標定后該探測器的主要技術指標：靈敏度為0.135nSv/脈沖，測量范圍為0.01～6000μSv/h，能量響應為50keV～3MeV，總不確定度小于7%。經過長期實驗檢驗，該探測器能夠很好地適應對EAST聚變裝置γ輻射的探測。

2.3監測點布局

EAST聚變裝置輻射監測系統共設置13個固定監測點[13]。其中，大廳內3個監測點用于探測實驗期間大廳內高輻射劑量信息，大廳外10個監測點用于探測大廳外低輻射劑量環境信息。每個監測點分別布設一個相鄰的中子與γ探測器。EAST聚變裝置監測點布局如圖5所示。其中，黑點代表中子探測器，白點代表γ探測器。

2.4輻射監測網絡

EAST裝置監測點探測器較為分散且距離相對較遠，為了將13個監測點的輻射信息集成到統一控制平臺上，設立了數據采集機。對于方便布線的探測器，采用RS-485串口通信的雙絞線連接到采集機，直接利用雙絞線通訊的監測點由采集點進行統一供電。對于遠距離且布線困難的11、12和13三個監測點的探測器，利用等離子體所公共以太網進行通信。這三個監測點的六個探測器分別采用網口的方式來進行數據讀取，采用C2000N220二串口設備聯網服務器。整個監測系統采用雙絞線與以太網混合組網方式。使用RS-485和RS-232相互轉換的MOXA-CP-118EL多串口卡，連接到采集機的DB9接口，實現通信數據的傳輸[14]。

EAST裝置基于LabVIEW開發了中子與γ射線輻射在線監測采集軟件，通過串口查詢方式獲取監測點中子與γ射線的輻射劑量。采集軟件由數據請求、數據顯示、數據保存等組成，能實現對輻射監測數據的采集、獲取和存儲等功能。采集軟件的工作界面有實時劑量率、累積劑量率、報警閾值等數據，能直觀獲得13處監測點聚變中子、γ輻射的時間、空間分布信息。

3輻射測量

2021年12月30日，EAST托卡馬克裝置第106915炮放電，EAST裝置放電時電流、環電壓、電子密度波形圖如圖6所示。放電時等離子體電流為337.39kA，平均電子密度為1.87×1019/m3，脈沖長度達到1056s。該裝置成功實現電子溫度近7000萬℃條件下1056s長脈沖高參數等離子體運行。

整個實驗過程中，輻射在線監測系統持續穩定工作，采集軟件及采集電腦未出現死機、通信等故障，系統運行穩定性較高，準確獲得了長脈沖放電過程的輻射監測數據。圖7為EAST托卡馬克裝置大廳內三個監測點γ劑量率變化情況。

由圖7可以看出，長脈沖放電前大廳內三個監測點的γ劑量率在0.10μSv/h附近，放電前的γ劑量率接近環境本底水平。聚變裝置內部等離子體快速發生聚變反應并釋放大量輻射，此時γ劑量率短時間內迅速達到最大值。其中，監測點1、2和3最大劑量率分別為106.90μSv/h，75.23μSv/h，38.11μSv/h，與放電前接近環境本底水平相比，此時大廳內γ最大輻射劑量率提高3個數量級以上。隨著放電繼續進行，γ劑量率也快速下降達到相對平衡狀態，此時監測點1、2和3劑量率分別在5.00μSv/h，1.10μSv/h，0.95μSv/h附近。當聚變裝置連續放電1056s后，等離子體電流、環電壓以及平均電子密度迅速降為0，此時脈沖放電結束。放電結束后，由于不再發生新的聚變反應，不再有新的輻射繼續產生。此外，裝置四周與頂層均采用大量屏蔽材料進行屏蔽吸收且高劑量率輻射維持時間較短，因此，γ劑量率經過一段時間又很快回到放電前0.10μSv/h低劑量輻射水平。長脈沖整個放電過程，大廳內三個監測點的γ劑量率波動變化趨勢完全一致，差異的只是劑量率大小的不同，產生這種差異的原因是徑向距離的不同。監測點1距離裝置最近，其次是監測點2，最遠的是監測點3。

EAST聚變裝置是整個電離輻射的最終來源，越靠近裝置輻射強度越大。對于大廳內中子劑量率的監測選擇了大廳內距離裝置最近的監測點1和最遠的監測點3進行對比，這兩個監測點的中子劑量率如圖8所示。長脈沖放電前中子劑量率處于較低水平，隨著不斷放電，中子劑量率也不斷升高，監測點1和3最大劑量率分別達到24.53μSv/h和5.58μSv/h。與放電前環境本底水平相比，此時大廳內中子最大輻射劑量率提高3個數量級以上。大廳內1和3監測點的中子劑量率波動變化趨勢左右呈現對稱性，放電結束后，中子劑量率也很快回到放電前水平。

為了獲得EAST聚變裝置大廳外部環境的輻射數據，選擇了監測點7和監測點10的數據進行分析。圖9為大廳外監測點7和10的γ劑量率變化情況。從圖9可以看出，監測點10的γ劑量率要略高于監測點7，這是因為監測點10位于屏蔽門旁邊，EAST聚變裝置在長脈沖放電運行時少量γ射線透過屏蔽門進入外部環境中。整個放電過程監測點10最大劑量率是0.128μSv/h，γ劑量率仍然是較低水平，不會對外部環境造成影響。監測點7位于大廳外北墻，由于屏蔽墻的作用，輻射劑量一直處于極低水平，最大劑量率是0.119μSv/h，再次驗證了屏蔽墻的屏蔽效果滿足輻射防護要求。

圖10為大廳外監測點7和10中子劑量率變化情況，可以看出監測點7和10最大劑量率分別達到0.00368μSv/h和0.0026μSv/h。整個放電過程兩個監測點的中子劑量率均處于極低水平，對外界環境輻射影響幾乎可以忽略不計。通過數據分析可知，EAST聚變裝置輻射防護水平較高，完全能保證工作人員與環境輻射安全。

4結論

本文基于輻射在線監測系統實現了對EAST裝置在長脈沖高參數等離子體運行條件下大廳內外區域中子和γ射線的有效監測。在硬件方面，根據裝置大廳內外輻射強度與實際需求的不同分別選擇了測量范圍寬，時間響應快和靈敏度高，工作穩定性強的探測器。由于監測點距離遠近和布線難易程度不同，輻射監測系統采用雙絞線與以太網混合組網方式。距離較近且布線簡便的探測器直接采用雙絞線組網連接，而遠距離且布線困難的探測器采用C2000N220二串口設備聯網服務器，通過以太網進行傳輸。輻射監測系統采用RS-485串口通信，通過MOXA-CP-118EL多串口卡直接與采集機進行連接，實現對通信數據的傳輸。軟件方面使用自行編寫的LabVIEW控制采集軟件對13個固定監測點進行實時采集、顯示以及數據存儲[15]。

EAST裝置在等離子體電流為337.39kA，平均電子密度為1.87×1019/m3長脈沖高參數等離子體運行條件下，大廳內的中子和γ射線輻射很快達到較高水平。以監測點1為例，該監測點中子和γ射線最大劑量率分別達到24.53μSv/h和106.90μSv/h。與放電前環境本底水平（中子環境本底的劑量率約為0.003μSv/h，γ射線環境本底的劑量率約為0.1μSv/h）相比，中子和γ射線最大劑量率均迅速提高3個數量級以上。放電結束后又很快回到放電前的低劑量率水平。此外，大廳內監測點的輻射劑量率波動變化趨勢大致一致，差異只是劑量率大小的不同。產生這種差異的原因是徑向距離的不同，監測點距離主機裝置越近，輻射劑量率越大。整個運行過程，大廳外部環境區域監測點7和10中子最大劑量率分別達到0.00368μSv/h和0.0026μSv/h，γ射線最大劑量率分別達到0.119μSv/h和0.128μSv/h，中子和γ射線電離輻射始終處于接近環境本底水平。通過對EAST裝置長脈沖高參數等離子體運行時輻射中子和γ射線監測，獲得了寶貴的輻射原始數據，確保了整個實驗過程中工作人員與周圍環境輻射安全，保障了EAST托卡馬克聚變裝置安全有效運行。