核電站事故后監(jiān)測電離室設(shè)計(jì)方法

2011-08-20 08:41孫光智王益元李亞堅(jiān)代傳波左亮周

艦船科學(xué)技術(shù) 2011年8期

孫光智，王益元，李亞堅(jiān)，代傳波，梁云，左亮周

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064;2.中廣核工程有限公司，廣東深圳 518045;3.北京賽思科系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司，北京 100079)

0 引言

隨著人們核安全意識的增強(qiáng)，對核電站等核設(shè)施可能的事故狀態(tài)下周邊輻射劑量率的監(jiān)測越來越重視。從世界上幾次大的核電站事故來看，在核反應(yīng)堆發(fā)生堆芯熔化等嚴(yán)重的事故后，反應(yīng)堆周圍的劑量率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常水平，同時(shí)整個安全殼內(nèi)處于高溫、高濕、高壓環(huán)境，常規(guī)監(jiān)測通道均已失去監(jiān)測作用。而通過監(jiān)測安全殼內(nèi)空氣中的γ輻射劑量率，從而判定事故的大小和發(fā)展趨勢，并作為有關(guān)部門處理事故、控制安全殼內(nèi)輻射水平和防止放射性物質(zhì)大量向環(huán)境釋放的依據(jù)是必要的。因此要求有一種在高溫、高濕、高放射性環(huán)境中能正常、長期工作的監(jiān)測通道［1］。

電離室探測器是核輻射現(xiàn)場劑量監(jiān)測中應(yīng)用相當(dāng)廣泛、可靠性非常高的一種探測裝置。在核電站的輻射監(jiān)測中使用的電離室通常采用不銹鋼等耐腐蝕、強(qiáng)度高的金屬材料作保護(hù)外殼，做成密封的球體或圓柱體形狀，充入一定壓力的氣體作為工作介質(zhì)，通過測量射線在氣體中電離產(chǎn)生的電流大小來監(jiān)測探頭周圍空間劑量率的大小。由于其結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械性能好、使用壽命長、測量上限高、耐輻照、能量響應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)［2］，是目前核電站事故后監(jiān)測通道的最佳選擇。

1 事故后電離室結(jié)構(gòu)

由于事故后電離室主要用于測量反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)安全殼內(nèi)強(qiáng)輻射場的測量，因此電離室不需要太大的靈敏體積和高的工作氣壓。但為了使其能長時(shí)間在強(qiáng)輻射場下穩(wěn)定工作，與其匹配的前置放大電路不能置于安全殼內(nèi)，只能安裝在安全殼外輻射劑量較低的區(qū)域，電離室輸出的原始信號需要經(jīng)過較長路徑傳輸后才能被放大測量。為了避免探頭輸出的信號在傳輸過程中受外界干擾，探頭輸出的信號強(qiáng)度不能太小。因此，本工作設(shè)定電離室的靈敏體積為0.1 L，采用圓柱形結(jié)構(gòu)，電離室外殼及耐壓體(高壓極)均采用不銹鋼材料，收集電極則采用質(zhì)量較輕的純鋁，這幾種材料的熱中子截面均較小，并且暴露在外面的外殼在高溫高濕環(huán)境下化學(xué)性質(zhì)和抗沖擊性能優(yōu)良。

當(dāng)γ輻射場很強(qiáng)時(shí)，γ射線與電離室內(nèi)壁及內(nèi)部靈敏氣體相互作用，產(chǎn)生次級電子，這些電子在工作介質(zhì)(氣體)中引起進(jìn)一步電離，產(chǎn)生大量電子和離子，帶電粒子在電極間運(yùn)動時(shí)，在外部回路中形成流信號［3］。由于次級電子的區(qū)域是隨機(jī)的，因此電離產(chǎn)生的電荷在靈敏區(qū)內(nèi)的分布也是隨機(jī)的，它們在向兩極運(yùn)動過程中有可能和異種電荷發(fā)生碰撞而復(fù)合形成中性原子，從而使探頭產(chǎn)生的電流減小，這種幾率隨著靈敏區(qū)內(nèi)電荷密度的增加而增大，而工作氣壓越大、輻射劑量率越高，則電離電荷的密度也越大。同時(shí)，隨著電極間距離的增大，帶電粒子在兩極間運(yùn)動路徑增大，相互間碰撞幾率增大，電荷復(fù)合的幾率也將明顯增大。另外，負(fù)電性的氣體(如氧原子)容易吸附電子，也會使電荷復(fù)合幾率增大。綜合考慮上述因素，以及事故后電離室的量程范圍，本工作設(shè)定2個電極間距離為3 mm，工作氣體選擇高純度氮?dú)饣驓鍤猓ぷ鳉鈮嚎刂圃趲讉€大氣壓。

2 電離室靈敏度模擬計(jì)算方法

在核輻射監(jiān)測中，一般都將測量結(jié)果換算為等效空氣吸收劑量率。因此，分析電離室的靈敏度必須將電離室的輸出信號與等效空氣吸收劑量率聯(lián)系起來。由吸收劑量率的定義可知，如果在空氣中某區(qū)域僅存在一束能量為E的單能平行γ射線時(shí)，該區(qū)域任意一點(diǎn)的等效空氣吸收劑量率D'與γ射線注量率Φ'的關(guān)系為:

由式(2)可知，只要知道空氣吸收劑量率的大小和γ射線的能量，即可算出γ射線的注量率。

式中:w為靈敏氣體的電離能;e為電子電量。如果這部分電荷全部被電極收集，則電離室輸出的電流為:I=，綜合式(2)和式(3)，有:

因此，模擬計(jì)算時(shí)，設(shè)定γ射線源為發(fā)射面與電離室射線接收面一致、能量單一的平行束，記錄γ光子在探測器靈敏區(qū)的平均沉積能量，即可計(jì)算出電離室在該輻射場下產(chǎn)生的電流，通過改變γ射線的能量，可得到電離室對不同能量的γ輻射場的響應(yīng)值。圖1給出了模擬計(jì)算采用的模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 事故后電離室模擬建模示意圖Fig.1 Illustration of accident condition ionization chamber simulated model

3 事故后電離室模擬計(jì)算

為了知道事故后電離室各種可能的結(jié)構(gòu)在不同能量的γ輻射場下的靈敏度，我們采用了蒙特卡羅模擬軟件MCNP程序模擬了改變電離室結(jié)構(gòu)、靈敏氣體時(shí)靈敏度能量響應(yīng)曲線。MCNP程序是美國Los Alamos實(shí)驗(yàn)室研制的一個大型多功能蒙特卡羅程序包，可用于計(jì)算中子、中子光子、光子電子及其組合的輸運(yùn)問題，以及臨界(包括次臨界和超臨界)系統(tǒng)的本征值計(jì)算問題。通過改變各個輸入卡的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對物理模型和輸出結(jié)果的控制，是目前國內(nèi)外普遍使用的程序包［5］。

在γ輻射監(jiān)測電離室設(shè)計(jì)時(shí)，除了要知道電離室在設(shè)定劑量率的輻射場中輸出電流的大小外，還需要特別關(guān)注電離室在相同劑量率、不同能量的γ輻射場下靈敏度的線性偏差［5］。圖2和圖3分別給出了靈敏區(qū)外徑約40 mm、靈敏體積約0.1 L、工作介質(zhì)分別為1 atm的氮?dú)夂蜌鍤獾牟讳P鋼電離室對各種能量的γ輻射場的響應(yīng)曲線。

圖2 外徑40 mm、靈敏體積0.1 L、內(nèi)充1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氬氣、高壓極、外殼分別為1 mm和1.5 mm厚不銹鋼的電離室靈敏度隨射線能量變化曲線Fig.2 Curves of sensitivity via gamma ray energy for chambers with 40 mm outside diameter，0.1 L sensitive volume，1 atm pressure argon，1 mm and 1.5 mm thick for high voltage electrode and shell respectively

由圖2和圖3可以看出，該結(jié)構(gòu)的電離室無論是采用與空氣平均原子量接近的氮?dú)膺€是采用原子序數(shù)較高的氬氣做工作介質(zhì)，靈敏度能量線性均很差，尤其在200 keV左右與常用的標(biāo)準(zhǔn)源137Cs 662 keVγ射線的靈敏度偏差較大(約為+200%)。如果單純采用這種結(jié)構(gòu)的電離室監(jiān)測輻射劑量，當(dāng)輻射場中200 keV附近的射線份額很大時(shí)，勢必帶來數(shù)倍的偏差。為了使電離室對各個能量的γ射線響應(yīng)一致性較好，常用的做法有采用低Z原子序數(shù)的材料做外殼、貼錫補(bǔ)償?shù)绒k法［6］?？紤]到有機(jī)材料的耐輻照及高溫性能差、鋁在高溫下容易與水反應(yīng)生成氫氣、貼錫補(bǔ)償需要增加電離室的體積，因此碳質(zhì)材料或鋁質(zhì)材料做電離室外殼均不可取。本文嘗試了采用在耐壓體內(nèi)壁添加原子序數(shù)較低的壁材料的做法，盡量減小耐壓體內(nèi)壁與γ射線相互作用時(shí)釋放到靈敏氣體的自由電子對電離室輸出電流的影響。圖4為在電離室耐壓體(高壓極)內(nèi)壁襯1 mm厚的鋁層，工作氣體分別為1 atm的氬氣和氮?dú)鈺r(shí)，電離室的相對靈敏度能量響應(yīng)曲線。

圖3 外徑40 mm、靈敏體積0.1 L、內(nèi)充1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氮?dú)?、高壓極、外殼分別為1 mm、1.5 mm厚的不銹鋼電離室靈敏度隨射線能量變化曲線Fig.3 Curves of sensitivity via gamma ray energy for chambers with 4 mm outside diameter，0.1 L sensitive volume，1 atm press azote，1 mm and 1.5 mm thick for high voltage electrode and shell respectively

圖4 在高壓極內(nèi)襯1 mm厚純鋁的電離室，靈敏氣體分別為1 atm的氮?dú)夂蜌鍤鈺r(shí)相對靈敏度響應(yīng)曲線。其中，137Cs 662keVγ射線的靈敏度認(rèn)為是1Fig.4 Curves of sensitivity via gamma ray energy for chambers with 1 atm azote and argon respectively.A 1 mm thick aluminum underlay in high voltage electrode.In the figure，sensitive of the chamber for 137Cs 662keVγ ray was considered as 1

從圖4可以看出，在電離室高壓極內(nèi)壁添加鋁襯底以后，能量線性均得到了明顯的改善。分析為射線在與不銹鋼壁作用后產(chǎn)生的次級電子受到鋁襯底的阻擋，對電離室電離電流無額外貢獻(xiàn)。而鋁原子序數(shù)較低，與γ射線相互作用產(chǎn)生的次級電子接近等效空氣產(chǎn)生的次級電子，因此對電離室的能量線性破壞較小。

為了進(jìn)一步研究該電離室的能量線性和氣體種類、壓強(qiáng)(密度)的關(guān)系，我們模擬了在氮?dú)庵屑尤胍欢ǚ蓊~的氬氣后，不同壓強(qiáng)下電離室的能量響應(yīng)性能。圖5給出了靈敏氣體為氮?dú)?、氬氣原子?shù)比為9:1的混合氣體，壓強(qiáng)分別為0.5 atm，1 atm，2 atm和10 atm時(shí)電離室的相對靈敏度能量響應(yīng)曲線。由該圖可以看出，采用氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w作為工作介質(zhì)并沒有改變該電離室的能量響應(yīng)特性。同時(shí)，改變氣體的壓強(qiáng)，電離室的能量線性無明顯變化。表1為各種壓強(qiáng)下該電離室對137Cs 662 keVγ射線的靈敏度。由表中計(jì)算數(shù)據(jù)可知，電離室的靈敏度與氣體壓強(qiáng)幾乎成正比關(guān)系，即當(dāng)氣體壓強(qiáng)增大1倍時(shí)，電離室靈敏度也增大1倍。

圖5 高壓極內(nèi)襯1 mm厚純鋁的電離室，分別充0.5 atm，1 atm，2 atm和10 atm氮、氬原子數(shù)為9:1的混合氣后相對靈敏度能量響應(yīng)曲線。其中，探測器對137Cs 662 keVγ射線的靈敏度認(rèn)為是1Fig.5 Curves of sensitivity via gamma ray energy for chambers with 0.5 atm，1atm，2 atm and 10 atm 9:1 azote-argon mixture gas respectively.A 1 mm thick aluminum underlay in high voltage electrode.In this figure，sensitive of the chamber for137Cs 662 keVγ ray was considered as 1

表1 幾種壓強(qiáng)的電離室對137Cs 662 keVγ射線的靈敏度Tab.1 Sensitivity of chamber for137Cs 662 keVγ ray with gas of various pressure

由上述模擬計(jì)算可以看出，在電離室高壓極內(nèi)側(cè)添加鋁襯底后，電離室的能量線性得到了明顯的改善，同時(shí)受氣體種類、壓強(qiáng)變化影響不大。而事故后電離室高壓極可通過焊接的辦法密封成一個整體，鋁襯底被密封在高壓極內(nèi)，不會暴露在大氣環(huán)境中，因此不會因?yàn)榉磻?yīng)堆周圍存在高溫、高濕蒸汽后與水反應(yīng)生成氫氣，所以該方法在事故后電離室的設(shè)計(jì)中是可行的。而考慮到電離室輸出信號測量的穩(wěn)定性，以及高劑量率時(shí)電荷復(fù)合的影響，工作氣壓選擇在1～2個大氣壓，1 mGy/h的輻射場下輸出電流在皮安量級比較合適。

4 結(jié)語

通過對事故后電離室?guī)追N可能的結(jié)構(gòu)模擬，得到了能量線性較好的電離室結(jié)構(gòu)，并得到了探測器靈敏度的理論計(jì)算值，為事故后電離室的具體設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］王恒德，中島敬行.核事故和輻射事故的應(yīng)急干預(yù)水平和應(yīng)急防護(hù)措施決策問題［J］.輻射防護(hù)，1999，19(4):289－295.WANG Heng-de，NAKASHIMA Y.On intervention levels for nuclear or radiological emergency and decision-marking on protective measures［J］Radiation Protection，1999，19(4):289－295.

［2］安繼剛，卿上玉，馬海峰.充氣電離室［M］.北京:原子能出版社，1997.211 －215.AN Ji-gang，et al.Gas-pressurized ion chamber［M］.Beijing:Atomic Energy Press，1997.211 －215.

［3］劉金匯，安繼剛，劉以思.充氣電離室動態(tài)特性物理模型研究［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2002，36(3):253 －256.LIU Jin-hui，AN Ji-gang，LIU Yi-si.Physical model study on the dynamical characteristic of gas-filled ionization chamber［J］.Atomic Energy Science and Technology，2002，36(3):253 －256.

［4］方杰，李士駿.輻射防護(hù)導(dǎo)論［M］.北京:原子能出版社，1991.6 －20.FANG Jie，LI Shi-jun.Introduction of radiation protection［M］.Beijing:Atomic Energy Press，1991.6 －20.

［5］孫吉兵，張玉敏.蒙特卡羅模擬計(jì)算電離室的能量響應(yīng)特性［J］.艦船防化，2008，(1):28 －32.SUN Ji-bing， ZHANG Yu-min. Energy response of ionization chamber calculated by monte carlo method［J］.Chemical Defence on Ships，2008，(1):28 －32.