不仅仅是解决“卡脖子”，更是核燃料芯块检测技术的飞越——访朱良漪分析仪器青年创新奖获得者刘彦韬

仪器信息网讯 2019年8月7-9日，第六届中国分析仪器学术年会(ACAIC 2019)暨分会成立40周年纪念活动在上海召开，期间颁发了2019年“朱良漪分析仪器创新奖”，中科院高能物理研究所刘彦韬荣获“青年创新奖”。仪器信息网就此次获奖采访了刘彦韬，介绍其在核燃料芯块²³⁵U富集度快速无源检测装置研制及应用方面的创新成果。

刘彦韬，中科院高能物理研究所副研究员，本科毕业于中国科学技术大学，后保送到中科院高能物理研究所进行硕博连读，2014年毕业后留所工作。研究方向主要是核探测器与核成像的技术研究和系统研制。目前主持有中国科学院科研仪器设备研制青年人才类项目《核燃料芯块²³⁵U富集度快速无源检测装置》、国家自然科学基金面上项目《用于低剂量成像的编码孔径推扫散射成像中的近场伪影分析与校正》（2019年新获批）、以及多项院企合作开发课题；已授权发明专利11项、实用新型2项、并有多项在审；在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A、Applied radiation and isotopes等期刊发表SCI、EI论文10余篇；曾获中国科学院高能物理研究所颁发的优秀青年人才基金等多项奖励。

中科院高能物理研究所 刘彦韬副研究员

核电产业快速发展，国产高性能快速检测设备缺失

我国核电产业正在快速发展，截止2019年6月，沿海13座核电站商运机组47台，在建机组11台。根据《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》，到2020年，核电装机容量预计达到5800万千瓦，在建容量3000万千瓦以上，共约80台机组。

燃料组件作为反应堆的关键组成，其质量控制至关重要。芯块富集度不均匀或混入异常芯块，会导致燃料棒发热不均，使用效率降低，甚至引发棒体破损而导致停堆等重大事故。

“富集度检测分为有源法与无源法。”刘彦韬讲到，“有源法即先用中子活化燃料棒，再分析缓发γ能谱；有源法具有检测精度高、检测速度快(4.2米/分)的特点，但属于有损检测；更关键地是有源法使用的²⁵²Cf源仅美俄两国可生产，数百万美元一颗，使用两年就需替换，废源处置难，已成为“卡脖子”问题。无源法即直接分析燃料棒自发γ能谱，属于无损检测，无需额外中子源，简单经济，但目前检测速度较慢，西班牙ENUSA无源设备检测速度3.2米/分，国内无源设备仅1米/分，难以满足实际生产需求。”

目前我国每年需生产数百万只燃料棒，每一根都必须100%检测，随着机组增多以及核电出口需要，对具有自主知识产权的国产高性能快速检测设备的需求非常迫切。

检测速度6米/分，“无源法”反超“有源法”近半

对于核燃料芯块²³⁵U富集度快速无源检测装置，刘彦韬说到，“该套快速无源检测装置采用最新SiPM技术，同等检测精度下，检测速度高达6米/分，不仅显著优于同类无源设备，甚至超过中核北方核燃料元件有限公司实际使用的有源设备。”

装置包括128个探测单元(4个探测模组)，多通道高速数据采集系统，供电系统，专用算法软件以及上下料控制系统。探测单元基于SiPM技术研制，使用大块闪烁体双端读出，单元细分接近单芯块大小，使用钨片隔断以排除临近芯块干扰；相比PMT技术，检测能力明显提升。装置采用动态检测方式，芯块依次通过全部探测单元，对能谱进行延时叠加，可平均探测单元效率差异带来的影响。基于探测响应时间的MLEM迭代重建还有利于降低统计涨落，提高检测精度。刘彦韬说到，“根据行标EJ/T686-2005要求，对富集度4.45%标准棒进行的检测，在6米/分的检测速度下，相对偏差9.8%的异常芯块的计数偏差可大于5σ；对富集度3.69%标准棒进行多次重复检测，总体均匀性均在±2%以内，对偏差8.76%的芯块检出率70%，对偏差15.62%的芯块检出率100%，均明显优于行标。”

目前，中国科学院高能物理研究所和中核北方核燃料元件有限公司通力合作，已经完成核燃料芯块²³⁵U富集度快速无源检测装置的核心性能测试，即将投入到实际生产线进行长期的稳定性测试，按计划将在2020年完成整个产品的使用测试。

探测模组设计图(左上)与实物图(右上)、235U富集度快速无源检测装置(下)

不能产业化的话，我们也不会去做了！

“首先我们已经有了自己的一个产业基地，并且这个产业基地获得了十二五国家重大科学仪器设备开发专项的支持”刘彦韬说到，“不仅承担了多项来自国家部委、北京市等立项支持的纵向课题，也承担了一些企业和相关单位和我们合作的横向课题。”中科院高能物理研究所核技术应用研究中心有一个强大的科研队伍，包括探测器、数字电子学、软件算法、机械控制等方向大概有一百来人。

北京高能新技术有限公司是其产业化公司，未来将由该公司或成立新的产业化公司去推广刘彦韬已经做成的样机，生产仪器。“我们研发的一个重要目的，就是为了产业化，不能产业化的话，我们也不会去做了！”刘彦韬讲到。

该装置相比现有设备在检测速度上大幅领先；同时，现阶段广泛使用有源法而导致的²⁵²Cf源“卡脖子”问题也将得以顺利解决，每年可节省上亿元的²⁵²Cf源采购费用，为中国每年数百万只燃料棒的富集度检测提供良好的支持。据介绍，该装置每天每套能检测300根燃料棒，对于年需生产检测200万根的目标，大致需要30台套检测设备。每套按400万计算，则可产生1.2亿元的直接经济效益和显著的间接经济效益。同时，²³⁵U富集度检测还是核保障和核军控的共性技术，对核材料进行监测与衡算，具有不可简单估计的社会效益。