用于堆芯熔融物狀態監測的圖像重建方法、裝置和系統制造方法及圖紙

本發明專利技術提供了一種用于堆芯熔融物狀態監測的圖像重建方法、圖像重建裝置和監測系統。該方法包括步驟：建立監測對象的系統模型，獲得宇宙射線μ子穿過監測對象的投影數據與圖像之間的系統矩陣；初始化圖像；獲得宇宙射線μ子穿過監測對象的真實投影數據；基于初始化的圖像、真實投影數據、系統矩陣對圖像進行代數迭代；以及通過將代數迭代獲得的堆芯熔融狀態的重建圖像與監測對象的系統模型相結合，獲得堆芯熔融物狀態的最終圖像。根據本發明專利技術的技術方案，能夠快速、準確地對堆芯狀態進行監測，根據本發明專利技術的重建結果能夠使得應急指揮人員及時了解準確的事故進程，進而提出更有效的事故緩解措施。

【技術實現步驟摘要】
用于堆芯熔融物狀態監測的圖像重建方法、裝置和系統
本專利技術涉及核電站安全領域，尤其涉及一種用于反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測的圖像重建方法、圖像重建裝置和監測系統。
技術介紹
1979年3月28日美國三里島核電廠事故和1986年4月26日前蘇聯切爾諾貝利核電廠事故的發生，打破了人們對堆芯熔化這種極小概率嚴重事故不可能發生的幻想。此后，人們提出了以AP1000為代表的第三代核電概念，為降低嚴重事故發生的概率做出了一定的努力。但是，人們對第三代核電推進并不積極，反而熱衷于對現有核電站進行延壽，這些現象說明了人們對三里島核事故和切爾諾貝利核事故正在逐漸淡忘。最終，2011年3月11日福島嚴重事故的發生，再一次為人們敲響了警鐘，嚴重事故是不可忽視的。因此，從核安全的角度出發，應當采取一切行之有效的預防和緩解措施，確保核電廠反應堆壓力容器和安全殼的完整性，確保無放射性物質向廠外泄漏，確保事故對公眾和環境不造成危害，因為一旦發生嚴重事故，由其引發的一切后果都是不可估量的。發生嚴重事故的標志性事件是反應堆堆芯嚴重損壞，堆芯冷卻不足，裸露升溫導致燃料元件熔化，最終堆芯熔融物進入壓力容器下腔室，對壓力容器的完整性構成嚴重威脅。當發生嚴重事故時，堆芯熔融物的狀態對于跟蹤事故進程，進而確定應急方案顯得尤為重要。但是，在堆芯融化時超高溫、強輻射、強腐蝕等惡劣條件下，目前沒有任何一種現有技術能夠對堆芯狀態進行準確的監測。
技術實現思路
本專利技術的主要目的在于提供一種反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測方法和系統，以解決現有技術存在的不能對堆芯狀態進行準確監測的問題。根據本專利技術的第一方面，提供了一種用于反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測的圖像重建方法，其特征在于，包括步驟：建立監測對象的系統模型，獲得宇宙射線μ子穿過監測對象的投影數據與圖像之間的系統矩陣；初始化圖像；獲得宇宙射線μ子穿過監測對象的真實投影數據；基于初始化的圖像、真實投影數據、系統矩陣對圖像進行代數迭代；以及通過將代數迭代獲得的堆芯熔融狀態的重建圖像與監測對象的系統模型相結合，獲得堆芯熔融物狀態的最終圖像。根據本專利技術的第二方面，提供了一種反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測的圖像重建裝置，其特征在于，包括：用于建立監測對象的系統模型，獲得宇宙射線μ子穿過監測對象的投影數據與圖像之間的系統矩陣的模塊；用于初始化圖像的模塊；用于獲得宇宙射線μ子穿過監測對象的真實投影數據的模塊；用于基于初始化的圖像、真實投影數據、系統矩陣對圖像進行代數迭代的模塊；以及用于通過將代數迭代獲得的堆芯熔融狀態的重建圖像與監測對象的系統模型相結合，獲得堆芯熔融物狀態的最終圖像的模塊。根據本專利技術的第三方面，提供了一種反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測系統，其特征在于，包括：數據采集裝置，用于從監測區域采集宇宙射線μ子的角度數據與位移數據；數據處理裝置，用于對數據采集裝置傳回的數據進行預處理，以便為圖像重建做準備；以及根據本專利技術第二方面的圖像重建裝置，經過數據處理裝置預處理的數據即為宇宙射線μ子穿過監測對象的真實投影數據。與現有技術相比，根據本專利技術的技術方案，能夠快速、準確地對堆芯狀態進行監測，根據本專利技術的重建結果能夠使得應急指揮人員及時了解準確的事故進程，進而提出更有效的事故緩解措施。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本專利技術的進一步理解，構成本申請的一部分，本專利技術的示意性實施例及其說明用于解釋本專利技術，并不構成對本專利技術的不當限定。在附圖中：圖1示意性地示出了根據本專利技術實施例的反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測方法的流程圖；圖2示意性地示出了根據本專利技術實施例的監測對象的系統模型；圖3示出了μ子與物質發生多次庫倫散射的原理級示意圖；圖4示出了散射密度值(λLrad)與原子序數（Z）的關系的示意圖；并且圖5示意性地示出了根據本專利技術優選實施例的反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測系統的結構框圖。在這些附圖中，使用相同的參考標號來表示相同或相似的部分。具體實施方式為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合附圖及具體實施例，對本專利技術作進一步地詳細說明。在以下描述中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的實施例或示例可以包括特定特征、結構、特性、性質、元素或限度，但并非每個實施例或示例都必然包括特定特征、結構、特性、性質、元素或限度。另外，重復使用短語“在一個實施例中”雖然有可能是指代相同實施例，但并非必然指代相同實施例。為簡單起見，以下描述中省略了本領域技術人員公知的某些技術特征。宇宙射線μ子成像監測技術具有對高原子序數物質敏感、高穿透力等特點，在2003年，首次被美國洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）率先提出應用于核材料物質的監測成像中，并將成果發表在世界著名的科技期刊Nature上。μ子成像監測技術由于它獨特的優勢，在早期已經成功的應用于監測大型物體內部狀態的其它領域中。20世紀60年代，美國諾貝爾物理學獎獲得者LuisAlvarez曾嘗試利用μ子成像技術為金字塔拍攝類似X光片的透視圖，以此考證座金字塔內部是否存在更多的墓穴和坑道。Alvarez根據探測到的數據繪制了世界上第一張金字塔透視圖，他的實驗在當時物理和考古學界引起了極大的轟動。此外，在日本，KEKμ子科學實驗室KanetadaNagamine的研究小組使用宇宙射線μ子來探測火山可能爆發的征兆。他們利用到達地球表面后水平運動的μ子，通過在火山周圍放置若干的探測器，就可以測量山體的形狀并搜尋內部熔巖可能上涌的通道，而熔巖上涌則是火山可能爆發的征兆。目前，該研究小組已經對日本的數座火山進行研究，其中包括對Asama活火山的熔巖量的評估。盡管LANL提出的μ子成像監測技術已經被成功地應用于高原子序數核材料成像以及對金字塔和火山等大型物體的內部成像，但是，將μ子成像監測技術應用于檢測嚴重事故核島安全殼內堆芯熔融物狀態還是一個比較新的課題。本專利技術提出了一種新的嚴重事故堆芯熔融物狀態監測方法和系統。本專利技術的主要思想在于，基于宇宙射線μ子成像技術來監測嚴重事故堆芯熔融物，并建立相應的系統模型。本專利技術對緩解嚴重事故進程并為事故應急提供依據具有重要的意義。下面從兩方面來詳細說明根據本專利技術的μ子成像監測原理。并且一方面，μ子成像監測技術具有超高的穿透力能力。地球上的μ子主要來源于宇宙射線。當宇宙射線和大氣發生作用后，將產生大量的核介子。但是，核介子的壽命很短，很快就會衰減成μ子。μ子的壽命較長，并且μ子與物質相互作用的主要形式是弱的庫侖散射，能量削弱很少。因此，μ子不但到達地面的粒子數要遠多于其它粒子，并且還具有很強的穿透能力，能量通常在3GeV～4GeV。另一方面，μ子成像監測技術具有對高原子序數物質敏感的特點。初步分析可知，μ子與物質相互作用主要是發生多次庫侖散射，如圖3所示。圖3示出了μ子與物質發生多次庫倫散射的原理級示意圖。其中，Lrad表示待測物體的輻射長度。人們基于Lrad假定了一個新的物理量散射密度λLrad，它表示動量為p0的μ子通過單位厚度Lrad的材料后發生偏轉弧度的平方的平均值。圖4示出了散射密度值(λLrad)與原子序數（Z）的關系的示意圖。大量的實驗表明，Z↑→λLrad↑，即可以通過求解監測對象的散射密度來本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測的圖像重建方法，其特征在于，包括步驟：建立監測對象的系統模型，獲得宇宙射線μ子穿過所述監測對象的投影數據與圖像之間的系統矩陣；初始化圖像；獲得宇宙射線μ子穿過所述監測對象的真實投影數據；基于初始化的圖像、真實投影數據、系統矩陣對圖像進行代數迭代；以及通過將代數迭代獲得的所述堆芯熔融狀態的重建圖像與所述監測對象的系統模型相結合，獲得堆芯熔融物狀態的最終圖像。

【技術特征摘要】
1.一種用于反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測的圖像重建方法，其特征在于，利用宇宙射線μ子重建圖像對作為監測對象的核島系統進行監測，借助壓縮感知理論對μ子采樣數據進行重建處理，以用于反應堆嚴重事故應急，所述圖像重建方法包括步驟：建立監測對象的系統模型，獲得宇宙射線μ子穿過所述監測對象的投影數據與圖像之間的系統矩陣，所述系統模型包括所述核島系統和堆芯；初始化圖像為所述監測對象的系統模型中的堆芯部分；采用前后、左右、上下共六組阻性板探測器獲得宇宙射線μ子穿過所述監測對象的真實投影數據，其中每組阻性板探測器包括至少三個位置靈敏探測器；基于初始化的圖像、真實投影數據和系統矩陣對圖像進行ART-TV的代數迭代；以及通過將ART-TV的代數迭代獲得的所述堆芯熔融狀態的重建圖像與所述監測對象的系統模型相結合，獲得堆芯熔融物在核島中狀態的最終圖像。2.根據權利要求1所述的圖像重建方法，其特征在于，所述基于初始化的圖像、真實投影數據和系統矩陣對圖像進行ART-TV的代數迭代的步驟進一步包括：在每次迭代后對所述圖像執行最小化全變分去噪處理。3.根據權利要求1所述的圖像重建方法，其特征在于，所述代數迭代是基于不完備投影數據的壓縮感知代數迭代。4.根據權利要求1所述的圖像重建方法，其特征在于，所述初始化圖像為所述監測對象的系統模型中的堆芯部分的步驟進一步包括將未融化的堆芯作為初始圖像。5.一種反應堆嚴重事故堆芯熔融物狀態監測的圖像重建裝置，其特征在于，利用宇宙射線μ子重建圖像對作為監測對象的核島系統進行監測，借助壓縮感知理論對μ子采樣數據進行重建處理，以用于反應堆嚴重事故應急，所述圖像重建裝置包括：用于建立監測對象的系統模型，獲得宇宙射線μ子穿過所述監測對象的投影數據與圖像之間的系統矩陣的模塊，所述系統模型包括所述核島系統和堆芯；用于初始化圖像...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉圓圓，程建平，張春明，鄭鵬，岳會國，楊海峰，
申請(專利權)人：環境保護部核與輻射安全中心，
類型：發明
國別省市：北京;11