高伽马背景下γ吸收法在线铀浓度测量系统

摘要

现如今能源紧缺问题是全球各国急需解决的问题，核能发电作为一种安全、高效、环保的能源获取方式，成为了解决全球能源紧缺问题的一条有效途径。核燃料铀作为核反应堆的主要燃料，全球各国对其的需求将越来越大。但目前我国探明的可开采铀矿资源严重短缺，我国核电站中使用的铀燃料大部分是依赖于国外进口，这必将会影响我国核能事业的健康发展。由于核反应堆的运行特性和安全上的要求，核燃料不可能像化石燃料一次性耗尽，核反应堆中的核燃料的能量转换率比较低。这对能源是极大的浪费，而且留下的乏燃料自身还有很高的放射性和毒性，乏燃料后处理是解决这个问题的有效途径。
　　乏燃料后处理工艺的主要目的是将乏燃料中的铀、钚和裂片元素相互分离，以便将铀、钚回收作为产品，再次回到核工业中循环利用，这将大大提高了核燃料的利用效率。某工厂的乏燃料后处理工艺使用湿式Purex法，通过TBP萃取工艺管道中的U和Pu。因此工艺管道中料液的铀浓度，对后处理主控室的工艺控制至关重要。需要设计一套测量铀浓度的流线分析系统，实时监测核燃料后处理工艺流程中的铀浓度。
　　这是一套基于γ射线吸收法的在线铀浓度测量系统。在现场壁龛内，241Am源发射的单能γ射线穿过样品池时，射线与管道中的铀元素相互作用，部分γ射线将被吸收。在工艺管道另一侧，NaI(Tl)晶体探测器探测到镅源的γ射线强度将减少。现场壁龛外，探头探测到的信号传给数字化多道谱仪处理，控制板控制采样系统的电磁阀和电动挡板协助测量。通过调理放大、数模转化、数字脉冲成型和幅值提取后得到的谱线数据，经由一个CAN总线通讯盒远程传给主控室的工控计算机处理和显示。
　　该系统在现场实际应用时，当工艺管道中通过强γ放射性的“热铀”，其中的裂片元素（如137Cs）放出的强γ射线辐射NaI(Tl)晶体后，探测器得到的计数将会淹没241Am放出的γ射线，使得在线铀浓度测量软件无法进行铀浓度的计算。将探测器中50mm直径50mm厚度的NaI(Tl)晶体整改为50mm直径1mm厚度的薄晶体后，高能量的γ射线直接透过了晶体，探头能够准确测量γ吸收后的241Am源的γ射线。
　　经测试，该测量铀浓度在线系统相对标准差为0.0294％，连续测量10小时仪器测量稳定性良好，在线分析测量与实验室分析结果的相对误差为3.254％。经过半年的现场测量，在线系统可以长期、远程的在24小时开机的状态下进行工艺管道中的铀浓度在线监测。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容

1．4 论文章节安排

第2章 γ吸收法测铀基础

2．2 γ吸收法测铀

2．3 NaI(T1)探测器

第3章 在线系统的总体设计方案

3．1 在线分析系统

3．2 在线测铀系统设计主思路

3．3 现场采样系统结构

第4章 硬件电路设计

4．1．1 信号调理电路设计

4．1．2 ADC电路设计

4．1．3 FPGA电路设计

4．1．4 数字化γ谱仪上MCU设计

4．1．5 数字化γ谱仪上外围电路设计

4．1．6 数字化γ谱仪上电源电路设计

4．2 现场控制板设计

4．2．1 STM32芯片技术背景

4．2．2 现场控制板电路设计

4．3 CAN通讯盒设计

4．3．1 在线系统远距离通讯设计

4．3．2 CAN总线协议

4．3．3 数据盒电路设计

第5章 高γ背景下的铀浓度测量

5．1 降低背景γ的措施

5．2 高γ背景下测量整改方案

第6章 分析软件介绍和性能测试

6．1 在线测铀分析软件介绍

6．2 软件各个模块操作的介绍

6．3 拟合曲线方程

6．4 分析性能测试

6．4．3 稳定性测试

6．5 现场控制测试

6．5．1 电磁阀排进液测试

6．5．2 电动推杆伸收测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果