第３４卷第９期 ２０１４年９月 核电子学与探测技术 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔ． ２０１４ 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，北京１０００８４；２．清华大学粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，北京１０００８４） 摘要：宇宙线缪子成像可对第二代反应堆压水堆（ＰＷＲ）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ＰＷＲ主要结构参数建立详细的模拟模 型，通过Ｇｅａｎｔ４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， 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ＰＷＲ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；Ｇｅａｎｔ４ 中图分类号：Ｏ ４１１．３；ＴＬ ７５ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５８－０９３４（２０１４）０９—１０９３－０４ 严重核事故下，反应堆厂房内可能存在大 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，２００３年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 （ＬＡＮＬ）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。２０１０年，兰 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 】，２０１１年，中国原子能科学研 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 收稿日期：２０１４—０５—１１ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１０３５００２， １１１７５０９９）。 作者简介：以恒冠（１９８７一），男，回族，广西桂林人， 博士研究生，从事核科学与技术研究。 屏蔽，而且燃料元件等核材料并不处于反应堆 中。２０１２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。 ２０１１年，日本福岛核电站发生７级重大核事 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。２０１２年，ＬＡＮＬ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 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ＰＷＲ，建立完 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（ＰｏＣＡ）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 芯状态。
１０９３ 参考文献： ［１］ＢＯＲＯＺＤＩＮ Ｋ Ｎ，ＨＯＧＡＮ Ｇ Ｅ，ＭＯＲＲＩＳ Ｃ，ｅｔ ａ１． Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｍ ｎｇ ｗｉｔｈ ｃｏｓｍｉｃ ｒａｙ ｍｕｏｎｓ［Ｊ］． Ｎａｔｕｒｅ，２００３，４２２（６９２９）：２７７． ［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，２０１０，４４（０３）：３４４—３４７． ［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，２０１１，３１ （０２）：７２—７５． ［４］ＪＯＮＫＭＡＮＳ Ｇ，ＡＮＧＨＥＬ Ｖ Ｎ Ｐ，ＪＥＷＥＹｒ Ｃ，ｅｔ ａ１． Ｎｕｃｌｅａｒ ｗａｓｔｅ ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｅｎｔ ｆｕｅｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ ｍｕｏｎ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ， ２０１３，５３：２６７—２７３． ［５］ＢＯＲＯＺＤ１Ｎ Ｋ，ＧＲＥＥＮＥ Ｓ，ＬＵｌ（Ｉ ＣＺ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｓｍｉｃ ｒａｙ ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅｄ ｃｏｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｕｋｕｓｈｉｍａ Ｒｅａｃｔｏｒｓ ｆ Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１２，１０９ （１５）：１５２５０１． ［６］ＭＩＹＡＤＥＲＡ Ｈ，ＢＯＲＯＺＤＩＮ Ｋ Ｎ，ＧＲＥＥＮＥ Ｓ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｉｍａｇｉｎｇ Ｆｕｋｕｓｈｉｍａ Ｄａｉｉｃｈｉ ｒｅａｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｍｕｏｎｓ ［Ｊ］．ＡＩＰ Ａｄｖａｎｃｅｓ，２０１３，３（５）：０５２１３３． ［７］ＰＥＲＲＹ Ｊ，ＡＺＺＯＵＺ Ｍ，ＢＡＣＯＮ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｉｍａｇｉｎｇ ａ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｃｏｓｍｉｃ ｒａｙ ｍｕｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１３，１１３（１８）：１８４９０９． ［８］臧希年．核电厂系统及设备［Ｍ］．北京：清华大学 出版社，２０１０． ［９］李文琰．核材料导论［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２００７． ［１０］ｈｔｔｐ：／／ｐｄｇ．１ｂ１．ｇｏｖ／２０１ ３／ＡｔｏｍｉｃＮｕｃｌｅａｒＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ／ ［１１］ＢＥ￣ＮＧＥＲ Ｊ，ＡＲＧＵＩＮ Ｊ Ｆ，ＢＡＲＮＥＴｒ Ｒ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｐａｎｉｃｌｅ ｐｈｙｓｉｃｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｄ，２０１２，８６（１）：０１０００１． ［１２］曾志，李君利，程建平，等．Ｇｅａｎｔ４在核技术领域 的应用［Ｊ］．同位素，２００５，１８（１—２）：５５—５８． ［１３］以恒冠，曾志，王学武，等．平行束缪子透射成像蒙 特卡罗模拟［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１２，２４（１２）： ２９８７—２９９０． ［１４］ＧＲＩＥＤＥＲ Ｐ Ｋ Ｆ．Ｃｏｓｍｉｃ ｒａｙｓ ａｔ Ｅａｒｔｈ：ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ￣ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍａｎｕａｌ ａｎｄ ｄａｔａ ｂｏ０ｋ［Ｍ］．Ｏｘｆｏｒｄ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ：Ｇｕｌｆ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２００１． Ｔｈｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｉｍａｇｉｎｇ ｂｙ Ｃｏｓｍｉｃ Ｒａｙ Ｍｕｏｎｓ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｗｉｔｈ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＹＩ Ｈｅｎｇ—ｇｕａｎ，ＺＥＮＧ Ｚｈｉ，ＹＵ Ｂａｉ—ｈｕｉ，ＷＡＮＧ Ｘｕｅ—ｗｕ，ＣＨＥＮＧ Ｊｉａｎ—ｐｉｎｇ， ＷＡＮＧ Ｙｉ，ＺＥＮＧ Ｍｉｎｇ，ＬＵＯ Ｚｈｉ￣ｉ，ＹＵＥ Ｘｉａｏｇｕａｎｇ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐａｎｉｃｌｅ ａｎｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｓｍｉｃ ｒａｙ ｍｕｏｎｓ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｏ ｉｍａｇｅ ｔｈｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＩＩ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅ— ａｃｔｏｒ ｃｏｒｅ，ｅｖｅｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｃｏｒｅｓ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｕｎｄｅｒ ｓｅｖｅｒｅ ｎｕｃｌｅａｒ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒｅｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｇｅａｎｔ４ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃ— ｔｏｒ ｃｏｒｅｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｈｉｇｈ—Ｚ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｃｏｒｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｃｌｅａｒｌｙ ｗｉｔｈ ｃｏｓｍｉｃ ｒａｙ ｍｕｏｎｓ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ． Ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｔｏ ｕｓｅ ｌａｒｇｅ ｚｅｎｉｔｈ ａｎｇｌｅ ｃｏｓｍｉｃ ｒａｙ ｍｕｏｎｓ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅ— ａｃｔｏｒ ｃｏｒｅｓ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ｓｅｖｅｒａｌ ８ ｍ×８ ｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｉｎ ａｂｏｕｔ ３ ｍｏｎｔｈｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｓｍｉｃ ｒａｙ ｍｕｏｎｓ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；ｓｅｖｅｒｅ ｎｕｃｌｅａｒ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ；ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｏｒ；ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｃｏｒｅ；Ｇｅａｎｔ４
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