反应堆宇宙线缪子成像蒙特卡罗模拟研究

芯状态 。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ４—０ ５—１ １
基金项 目： 国家 自然科学 基金 资 助项 目（ １ １ ０ ３ ５ ０ ０ ２，
１ １ １ ７ ５ ０ ９ ９ ） 。
作者简 介： 以恒冠 （ １ ９ ８ ７一） ， 男， 回族 ， 广西 桂林人 ，
博士研究生 ， 从事核科学 与技 术研 究。
（ １ ．Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｉ ｇ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ， Ｔ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｓ ｒ ｉ ｔ ｙ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
量高活度放射性物质 ， 人员无法进人 ， ｘ射线成
像方法等常规成像方法也无法从外部对堆芯进 行 成像 ， 目前 尚未有 成熟技 术能 监控 堆芯 状态 ，
判 断堆芯是 否熔化 。
宇宙线缪子具有强穿透力 、 并对高 ｚ材料 敏感 ， ２ ０ ０ ３年 ， 美 国洛斯 阿拉 莫 斯 国家 实 验 室
故， 大 量放 射性 物 质发 生泄 漏 ， 时 至今 日， 反应 堆堆 芯状 态 仍 无 法 探 知 。２ ０ １ ２年 ， Ｌ Ａ Ｎ Ｌ提 出 用缪 子散射 成像 对福 岛核 电站 堆芯状 态进行探 测 的设 想 并 进 行 模 拟 ， 模 拟 结 果 认 为 方 法 可 行 Ｊ ， 同时对 新 墨 西 哥 大 学 教 学 研 究堆 进 行
特卡罗模拟 ［ Ｊ ］ ． 强激光与粒子束 ， ２ ０ １ ２ ， ２ ４ （ １ ２ ） ：
２ ９ ８ ７ —２ ９ ９ ０ ．
Ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｆ Ｊ ］ ．Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ Ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ Ｌ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ，２ ０ １ ２ ，１ ０ ９
宇宙线缪子可对 堆芯 高 ｚ材料成像 ， 核燃料轮廓清晰可见 ， 利用 大角度宇宙线缪 子对 Ｐ ＷＲ堆芯进 行成
像、 对堆芯状态进行监控的方法可行 。若要实现这种方法 ， 使用 多个 ８ ｍ× ８ ｍ 的大面积位 置灵敏探 测
器， 在 ３个月内可以实现。
关键词 ： 宇宙线缪子成像 ； 严重 核事故 ； 压水堆 ；堆芯 ；Ｇ ｅ ａ ｎ ｔ ４ 中图分类号 ： Ｏ ４ １ １ ． ３ ； Ｔ Ｌ ７ ５ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ９ — １ ０ ９ ３ － ０ ４
摘要 ： 宇宙线缪 子成 像可对第 二代反应堆压水堆（ Ｐ ＷＲ ） 堆 芯进行成像 ， 即使 在严重核事故下 ， 常规
方法无法监测时 ， 仍可探知堆芯状 态 ， 了解堆芯情况。论 文基于 Ｐ ＷＲ 主要 结构参 数建立详 细的模拟 模
型， 通过 Ｇ ｅ ａ ｎ ｔ ４程序进行模拟 ， 对 反应 堆堆芯进 行图像重建 ， 并 对 图像进 行降噪 处理 。研 究结 果表 明，
［ １ ２ ］ 曾志 ， 李君 利 ， 程建平 ， 等．Ｇ ｅ ａ ｎ ｔ ４在核 技术领域 的应用 ［ Ｊ ］ ． 同位素 ， ２ ０ ０ ５， １ ８ （ １—２ ） ： ５ ５—５ ８ ． ［ １ ３ ］ 以恒冠 ， 曾志 ， 王学武 ， 等． 平行束缪 子透射成像蒙
ｍ ｕ ｏ ｎ ｔ ｏ ｍ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ［ Ｊ ］ ． Ａ ｎ ｎ ａ ｌ ｓ ｏ ｆ Ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ，
［ ８ ］ 臧希年． 核 电厂 系统及设 备 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 清华 大学
出版 社 ， ２ ０ １ ０ ．
［ ２ ］ 谭新建 ， 冯朝 阳， 谢 一冈 ，等． 宇宙 线 用 于反应 堆燃料元件成像的尝试性模拟研究 ［ Ｊ ］ ． 原子能科
学技术 ， ２ ０ １ ０， ４ ４（ ０ ３ ） ： ３ ４ ４—３ ４ ７ ．
１． Ｉ ａ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ Ｆ ｕ ｋ ｕ ｓ ｈ ｉ ｍａ Ｄａ ｉ ｉ ｃ ｈ ｉ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｍｕ ｏ ｎ ｓ
Ｔｈｅ Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｒｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎｇ ｂ ｙ Ｃｏ ｓ ｍｉ ｃ Ｒａ ｙ Ｍｕ ｏ ｎ ｓ Ｔｏ ｍｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈｙ ｗｉ ｔ ｈ Ｍｏ ｎｔ ｅ Ｃａ ｒ ｌ ｏ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
２ ０ １ ３， ５ ３： ２ ６ ７—２ ７ ３ ．
［ ５ ］ Ｂ Ｏ Ｒ Ｏ Ｚ Ｄ １ Ｎ Ｋ ， Ｇ Ｒ Ｅ Ｅ Ｎ Ｅ Ｓ ， Ｌ Ｕ ｌ （ Ｉ Ｃ Ｚ ， ｅ ｔ ａ １ ． Ｃ ｏ ｓ ｍ ｉ ｃ
ｒ ａ ｙ ｒ ａ ｄ ｉ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ｄ ｃ ｏ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｆ ｕ ｋ ｕ ｓ ｈ ｉ ｍａ
（ １ ５ ） ：１ ５ ２ ５ ０ １ ．
［ １ ４ ］ Ｇ ＩＥ Ｒ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ｋ Ｆ ．Ｃ ｏ ｓ ｍ ｉ ｃ ｒ ａ ｙ ｓ ａ ｔ Ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ： ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｒ ￣
ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍ ａ ｎ ｕ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ｂ ｏ ０ ｋ［ Ｍ］ ． Ｏ ｘ ｆ ｏ ｒ ｄ ， Ｕ ｎ ｉ ｔ ｅ ｄ
究院庞洪超等利用宇宙线缪子对裂变核材料进
行探测 Ｊ ， 但其研究 中没有对 核材料添加任何
善的安全壳和核反应堆模型 ， 模拟严重核事故
情况下 ， 人员无法进入反应堆 ， 只能从其外部探
知堆芯状态的情况 ， 利用大角度宇宙线缪子 ， 采 用成熟的最接近点 （ Ｐ ｏ Ｃ Ａ ） 图像重建算法， 对安 全壳 内的反应堆堆芯核材料进行成像 ， 监测堆
反应 堆 宇 宙线 缪 子成 像 蒙特 卡 罗模 拟 研 究
以恒冠 ， 曾志， 于百蕙， 赵 自然 ， 王学武 ， 程建平 ， 王义 ， 曾鸣 ， 罗志飞 ， 岳 晓光
（ １ ． 清华大学工程物理系， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ； ２ ． 清华大学粒子技术与辐射成像教育部重点实验室， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ）
［ ９ ］ 李文琰． 核材料导论 ［ Ｍ］ ． 北京： 化学 工业 出版社 ，
２０ ０ ７．
［ ３ ］ 庞洪超 ， 刘森林 ， 王 红艳 ，等 ． 宇 宙射线 子探 测 裂变核 材料 的模 拟 研究 ［ Ｊ ］ ． 辐射 防护 ， ２ ０ １ １ ， ３ １
（ ０ ２ ） ： ７ ２— ７ ５ ．
Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ， ２ ０ ０ ３ ， ４ ２ ２ （ ６ ９ ２ ９ ） ： ２ ７ ７ ．
［ Ｊ ］ ．Ａ Ｉ Ｐ Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ， ２ ０ １ ３ ， ３ （ ５ ） ： ０ ５ ２ １ ３ ３ ．
［ ７ ］ Ｐ Ｅ Ｒ Ｒ Ｙ Ｊ ， Ａ Ｚ Ｚ Ｏ Ｕ Ｚ Ｍ， Ｂ Ａ Ｃ Ｏ Ｎ Ｊ ， ｅ ｔ ａ １ ． Ｉ ｍ ａ ｇ ｉ ｎ ｇ ａ
州 大学谭新 建等利 用宇宙 线缪 子对 反应 堆燃料 元 件进 行 成像 】 ， ２ ０ １ １年 ， 中 国 原 子 能科 学 研
实际测量ｌ 。但 其研究只针对 福 岛的沸水堆
和教 学研究 堆成 像 ， 模 型较 为 简单 ， 且 未对 其他 堆 型进行 深入 探 讨 。 目前 ， 国 内 尚未 开展 类 似 研究 。本 文针对 国内普遍 应 用 的 Ｐ ＷＲ， 建立 完
第３ ４卷
２ ０ １ ４年
第 ９期
９月
核 电子学 与探 测技术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ９ Ｓ ｅ ｐ ｔ ． ２ ０ １ ４
ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｓ ｍｉ ｃ ｒ ａ ｙ ｍ ｕ ｏ ｎ ｓ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ
ｏ ｆ Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ，２ ０ １ ３，１ １ ３（ １ ８） ：１ ８ ４ ９ ０ ９ ．
Ｄ， ２ ０ １ ２ ， ８ ６ （ １ ） ： ０ １ ０ ０ ０ １ ．
［ ４ ］ Ｊ Ｏ Ｎ Ｋ Ｍ Ａ Ｎ Ｓ Ｇ ， Ａ Ｎ Ｇ Ｈ Ｅ Ｌ Ｖ Ｎ Ｐ ， Ｊ Ｅ ＷＥ Ｙ ｒ Ｃ ， ｅ ｔ ａ １ ．
Ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｗ ａ ｓ ｔ ｅ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｓ ｐ ｅ ｎ ｔ ｆ ｕ ｅ ｌ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｙ
［ １ ０ ］ ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｐ ｄ ｇ ． １ ｂ １ ． ｇ ｏ ｖ ／ ２ ０ １ ３ ／ Ａ ｔ ｏ ｍｉ ｃ Ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ／ ［ １ １ ］ Ｂ Ｅ ￣Ｎ Ｇ Ｅ Ｒ Ｊ ，Ａ Ｒ Ｇ Ｕ Ｉ Ｎ Ｊ Ｆ，Ｂ Ａ Ｒ Ｎ Ｅ Ｔ ｒ Ｒ Ｍ，ｅ ｔ ａ １ ．Ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｐ ａ ｎ ｉ ｃ ｌ ｅ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ［ Ｊ ］ ．Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｌ ａ Ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ
２ ．Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｐ ａ ｎ ｉ ｃ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ Ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｉ ｍ ａ ｉ ｇ ｎ ｇ ， Ｔ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｓ ｒ ｉ ｔ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
严 重核 事故 下 ， 反 应堆 厂 房 内可 能 存在 大
屏蔽 ， 而且燃料元件等核材料并不处于反应堆 中。２ ０ １ ２ 年， 加拿大原子能公 司利用宇宙线缪 子 对核废 料 和乏燃 料储存 罐 内 的核材料 进行成 像－ ４ ］ ， 但储 存 罐 屏 蔽 层 厚 度相 比反 应 堆 较 小 。 ２ ０ １ １ 年， 日本 福 岛 核 电 站 发 生 ７级 重 大 核 事
（ Ｌ Ａ Ｎ Ｌ ） 提 出 利用 此 特 性 ， 可 区 分 低 ｚ和 高 ｚ 材料 。该技术 通过测 量缪 子穿 过物 质前后 的径
迹， 得到其偏转角度的分布， 利用此分布与物质
原子序数的关系， 通过图像重建算法， 得到厚屏 蔽层 内的高 ｚ材 料 的空 间分 布 ¨ Ｊ 。２ ０ １ ０年 ， 兰
Ｙ Ｉ Ｈｅ ｎ ｇ—ｇ ｕ ａ ｎ，Ｚ ＥＮＧ Ｚ ｈ ｉ ，ＹＵ Ｂ ａ ｉ —ｈ ｕ ｉ ，Ｗ ＡＮＧ Ｘｕ ｅ—ｗ ｕ，Ｃ ＨＥ ＮＧ Ｊ ｉ ａ ｎ —ｐ ｉ ｎ ｇ ，
Ｗ ＡＮＧ Ｙｉ ， Ｚ Ｅ ＮＧ Ｍｉ ｎ ｇ ， Ｌ Ｕ Ｏ Ｚ ｈ ｉ ￣ｉ ， ＹＵＥ Ｘ ｉ ａ ｏ ｇ ｕ ａ ｎ ｇ
Ｋｉ ｎ ｇ ｄ ｏ ｍ ：Ｇ ｕ ｌ ｆ Ｐ ｒ ｏ ｆ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｐ ｕ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ，２ ０ ０１ ．
［ ６ ］ ＭＩ Ｙ Ａ Ｄ Ｅ Ｒ Ａ Ｈ， Ｂ Ｏ Ｒ Ｏ Ｚ Ｄ Ｉ Ｎ Ｋ Ｎ， Ｇ Ｒ Ｅ Ｅ １ ］ Ｂ Ｏ Ｒ Ｏ Ｚ Ｄ Ｉ Ｎ Ｋ Ｎ，Ｈ Ｏ Ｇ Ａ Ｎ Ｇ Ｅ， ＭＯ Ｒ Ｒ Ｉ Ｓ Ｃ， ｅ ｔ １． ａ Ｒ ａ ｄ ｉ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｉ ｍ ｎ ｇ ｗ ｉ ｔ ｈ ｃ ｏ ｓ ｍ ｉ ｃ ｒ ａ ｙ ｍｕ ｏ ｎ ｓ［ Ｊ ］ ．