HFETR放射性核素监测的反康普顿γ能谱仪蒙特卡罗模拟研究①邹全宋鸿鹄熊飞飞何川王江文李松发蒋汀岚摘要：燃料元件发生破损时大量放射性核素进入一回路系统，对放射性核素的含量进行监测，能及时有效地判断元件是否破损及破损程度。要准确分析燃料元件破损程度，目前在HFETR上利用一次水冷却剂样品进行核素分析，使用高纯锗（HPGe）探测器进行离线γ谱分析，这种方法性能不稳定，易受本底干扰，尤其在γ射线800keV以下具有很高的康普顿平台，不利于γ射线测量。使用蒙特卡罗软件Geant4设计模拟了一套用于监测放射性核素的反康普顿γ能谱仪，主探测器采用HPGe探测器，选择NaI（Tl）闪烁体作为次级探测器。模拟一次水取样样品中放射性核素Na-24，Kr-88，I-131，Xe-135，Cs-137进入探测器，结果表明，在γ谱非常复杂的情况下，通过反符合技术可以很好的抑制康普顿平台和探测系统本底，提高各核素特征峰（尤其是低能段的核素特征峰）的探测精度，便于更准确地计算一次水核素浓度变化及判断元件破损情况。关键词：Geant4反康普顿γ能谱仪HFETR元件破损：TL817.2文献标识码：A：1674-098X（2019）05（b）-0067-04Abstract：Detectingthenuclidesintheprimarysystemcanestimatefuelelementsfailure，InHFETR，theprimarysystemsamplesareanalysedbyHPGedetector，thisanalysismethodisunstablewhichhasthebackgroundnoiseandahighComptonplateauunder800KeVinγ-rayspectra.Inthisstudy，theGeant4toolkitwasusedtosimulateaComptonsuppressionsystembaseduponaHPGeprimarydetectorinordertodetectingthenuclides.Ourγ-rayComptonsuppressionsystemconsistsofaHPGedetectorandNaI（Tl）detectors.WesimulateemittingNa-24，Kr-88，I-131，Xe-135，Cs-137intothedetectorsystem.SimulationresultsshowthattheComptoncontinuumincomplexγ-rayspectraofHPGedetectorcanbesuppressed，andthepeak-to-Comptonratiocanbeimproved.Theanti-coincidencetechniquecanimprovethedetectingprecision，whichcontributetoestimatefuelelementfailure.KeyWords：Geant4;Comptonsuppressionsystem;HFETR;fuelelementsfailure目前高通量工程试验堆（HFETR）已实现低浓铀燃料元件运行，其一次水总活度浓度和典型核素浓度相对于高浓铀燃料元件时期都显著升高，其原因可能是元件破损或包壳腐蚀，监测核反应堆燃料元件破损及包壳腐蚀等是保证其安全运行的重要措施之一。目前在HFETR上，离线核素监测采用的是HPGe探测器进行γ谱分析，由于一回路系统中放射性核素含量较大，发射高能γ射线较多，因此在低能段的康普顿坪非常高，且有和峰，反散射峰，高能段γ射线的单双逃逸峰，直接影响到了低能γ射线的放射性核素观察。如表1，目前HFETR一次水取样核素测量不确定度达20%，其中不确定度的贡献有很大部分来自于本底峰，峰面积测量以及全能峰效率，康普顿效应产生的γ射线对放射系核素的监测以及后续判断元件破损状况造成很大影响。在HFETR中，γ射线主要由活化产物及裂变产物产生，由于活化产物的γ射线能量大都分布在800keV以上，而裂变产物的γ射线能量主要分布在800keV以下。本文利用Geant4设计一种基于HPGe主探测器的反康普顿γ能谱仪，模拟探测器系统，根据文献资料[1，2]，选取适用于燃料元件破损监测的关键核素Na-24，Kr-88，I-131，Xe-135，Cs-137（其主要為γ射线能量800keV以下的裂变产物），对其进行探测。主探测器选用高分辨率高效率的HPGe探测器，在主探测器外围绕一层次级探测器作为反符合探测器。次级探测器选用NaI（Tl）探测器。探测器系统工作时，NaI（Tl）用来吸收从HPGe探测器逃逸的光子能量进行反符合，只记录γ射线的全能峰，这样大大消弱和压低了HPGe探测器所测γ能谱中康普顿连续本底，提高了峰康比。1验证Geant4软件是一个采用面向对象技术构建的蒙特卡罗通用程序包[3]，反康普顿γ能谱仪的优化通过Geant4来完成。在Geant4中，通过“event”和“step”过程实现反符合功能。为了验证编写的反符合功能程序，我们模拟了参考文献[4]里面的探测器（40mm厚的Lid）探测Co-60放射源的情况，我们...