用于堆芯熔融物状态监测的图像重建方法、装置和系统 |
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| 申请号 | CN201310193743.0 | 申请日 | 2013-05-23 | 公开(公告)号 | CN104183286B | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 环境保护部核与辐射安全中心; | 发明人 | 刘圆圆; 程建平; 张春明; 郑鹏; 岳会国; 杨海峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种用于 堆芯 熔融物状态监测的图像重建方法、图像重建装置和监测系统。该方法包括步骤：建立监测对象的系统模型，获得 宇宙 射线μ子穿过监测对象的投影数据与图像之间的系统矩阵；初始化图像；获得 宇宙射线 μ子穿过监测对象的真实投影数据；基于初始化的图像、真实投影数据、系统矩阵对图像进行代数 迭代 ；以及通过将代数迭代获得的堆芯熔融状态的重建图像与监测对象的系统模型相结合，获得堆芯熔融物状态的最终图像。根据本发明的技术方案，能够快速、准确地对堆芯状态进行监测，根据本发明的重建结果能够使得应急指挥人员及时了解准确的事故 进程 ，进而提出更有效的事故缓解措施。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测的图像重建方法，其特征在于，利用宇宙射线μ子重建图像对作为监测对象的核岛系统进行监测，借助压缩感知理论对μ子采样数据进行重建处理，以用于反应堆严重事故应急，所述图像重建方法包括步骤： |
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| 说明书全文 | 用于堆芯熔融物状态监测的图像重建方法、装置和系统技术领域[0001] 本发明涉及核电站安全领域，尤其涉及一种用于反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测的图像重建方法、图像重建装置和监测系统。 背景技术[0002] 1979年3月28日美国三里岛核电厂事故和1986年4月26日前苏联切尔诺贝利核电厂事故的发生，打破了人们对堆芯熔化这种极小概率严重事故不可能发生的幻想。此后，人们提出了以AP1000为代表的第三代核电概念，为降低严重事故发生的概率做出了一定的努力。但是，人们对第三代核电推进并不积极，反而热衷于对现有核电站进行延寿，这些现象说明了人们对三里岛核事故和切尔诺贝利核事故正在逐渐淡忘。最终，2011年3月11日福岛严重事故的发生，再一次为人们敲响了警钟，严重事故是不可忽视的。 [0003] 因此，从核安全的角度出发，应当采取一切行之有效的预防和缓解措施，确保核电厂反应堆压力容器和安全壳的完整性，确保无放射性物质向厂外泄漏，确保事故对公众和环境不造成危害，因为一旦发生严重事故，由其引发的一切后果都是不可估量的。 [0004] 发生严重事故的标志性事件是反应堆堆芯严重损坏，堆芯冷却不足，裸露升温导致燃料元件熔化，最终堆芯熔融物进入压力容器下腔室，对压力容器的完整性构成严重威胁。当发生严重事故时，堆芯熔融物的状态对于跟踪事故进程，进而确定应急方案显得尤为重要。 发明内容[0006] 本发明的主要目的在于提供一种反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测方法和系统，以解决现有技术存在的不能对堆芯状态进行准确监测的问题。 [0007] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测的图像重建方法，其特征在于，包括步骤：建立监测对象的系统模型，获得宇宙射线μ子穿过监测对象的投影数据与图像之间的系统矩阵；初始化图像；获得宇宙射线μ子穿过监测对象的真实投影数据；基于初始化的图像、真实投影数据、系统矩阵对图像进行代数迭代；以及通过将代数迭代获得的堆芯熔融状态的重建图像与监测对象的系统模型相结合，获得堆芯熔融物状态的最终图像。 [0008] 根据本发明的第二方面，提供了一种反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测的图像重建装置，其特征在于，包括：用于建立监测对象的系统模型，获得宇宙射线μ子穿过监测对象的投影数据与图像之间的系统矩阵的模块；用于初始化图像的模块；用于获得宇宙射线μ子穿过监测对象的真实投影数据的模块；用于基于初始化的图像、真实投影数据、系统矩阵对图像进行代数迭代的模块；以及用于通过将代数迭代获得的堆芯熔融状态的重建图像与监测对象的系统模型相结合，获得堆芯熔融物状态的最终图像的模块。 [0009] 根据本发明的第三方面，提供了一种反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测系统，其特征在于，包括：数据采集装置，用于从监测区域采集宇宙射线μ子的角度数据与位移数据；数据处理装置，用于对数据采集装置传回的数据进行预处理，以便为图像重建做准备；以及根据本发明第二方面的图像重建装置，经过数据处理装置预处理的数据即为宇宙射线μ子穿过监测对象的真实投影数据。 [0012] 图1示意性地示出了根据本发明实施例的反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测方法的流程图； [0013] 图2示意性地示出了根据本发明实施例的监测对象的系统模型； [0014] 图3示出了μ子与物质发生多次库伦散射的原理级示意图； [0017] 在这些附图中，使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分。 具体实施方式[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。 [0019] 在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“在一个实施例中”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同实施例。 [0020] 为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。 [0021] 宇宙射线μ子成像监测技术具有对高原子序数物质敏感、高穿透力等特点，在2003年，首次被美国洛斯阿拉莫斯实验室（LANL）率先提出应用于核材料物质的监测成像中，并将成果发表在世界著名的科技期刊Nature上。 [0022] μ子成像监测技术由于它独特的优势，在早期已经成功的应用于监测大型物体内部状态的其它领域中。 [0023] 20世纪60年代，美国诺贝尔物理学奖获得者Luis Alvarez曾尝试利用μ子成像技术为金字塔拍摄类似X光片的透视图，以此考证座金字塔内部是否存在更多的墓穴和坑道。Alvarez根据探测到的数据绘制了世界上第一张金字塔透视图，他的实验在当时物理和考古学界引起了极大的轰动。 [0024] 此外，在日本，KEKμ子科学实验室Kanetada Nagamine的研究小组使用宇宙射线μ子来探测火山可能爆发的征兆。他们利用到达地球表面后水平运动的μ子，通过在火山周围放置若干的探测器，就可以测量山体的形状并搜寻内部熔岩可能上涌的通道，而熔岩上涌则是火山可能爆发的征兆。目前，该研究小组已经对日本的数座火山进行研究，其中包括对Asama活火山的熔岩量的评估。 [0025] 尽管LANL提出的μ子成像监测技术已经被成功地应用于高原子序数核材料成像以及对金字塔和火山等大型物体的内部成像，但是，将μ子成像监测技术应用于检测严重事故核岛安全壳内堆芯熔融物状态还是一个比较新的课题。 [0026] 本发明提出了一种新的严重事故堆芯熔融物状态监测方法和系统。本发明的主要思想在于，基于宇宙射线μ子成像技术来监测严重事故堆芯熔融物，并建立相应的系统模型。本发明对缓解严重事故进程并为事故应急提供依据具有重要的意义。 [0027] 下面从两方面来详细说明根据本发明的μ子成像监测原理。 [0028] 并且一方面，μ子成像监测技术具有超高的穿透力能力。地球上的μ子主要来源于宇宙射线。当宇宙射线和大气发生作用后，将产生大量的核介子。但是，核介子的寿命很短，很快就会衰减成μ子。μ子的寿命较长，并且μ子与物质相互作用的主要形式是弱的库仑散射，能量削弱很少。因此，μ子不但到达地面的粒子数要远多于其它粒子，并且还具有很强的穿透能力，能量通常在3GeV～4GeV。 [0029] 另一方面，μ子成像监测技术具有对高原子序数物质敏感的特点。初步分析可知，μ子与物质相互作用主要是发生多次库仑散射，如图3所示。图3示出了μ子与物质发生多次库伦散射的原理级示意图。其中，Lrad表示待测物体的辐射长度。人们基于Lrad假定了一个新的物理量散射密度λLrad，它表示动量为p0的μ子通过单位厚度Lrad的材料后发生偏转弧度的平方的平均值。图4示出了散射密度值(λLrad)与原子序数（Z）的关系的示意图。大量的实验表明，Z↑→λLrad↑，即可以通过求解监测对象的散射密度来重建被监测物质。 [0030] 因此，本发明人发现，μ子成像监测技术可以用于监测高原子序数的核材料。 [0031] 下面参考图1，图1示意性地示出了根据本发明实施例的反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测方法100的流程图。 [0032] 方法100开始于步骤110，在该步骤中，建立监测对象的系统模型，获得宇宙射线μ子穿过监测对象的投影数据与图像之间的系统矩阵。 [0033] 根据本发明的一个实施例，这里所说的“监测对象”可以是其中包括有堆芯熔融物的核岛系统。首先，可以通过充分调研、分析现有核电堆型的核岛系统设计信息，对核岛内的关键部件进行合理的简化和模块化，并确定其几何尺寸和材料组成，建立核岛系统模型。 [0034] 图2示意性地示出了根据本发明实施例的监测对象的系统模型。 [0038] 根据本发明的一个实施例，可以进一步确定核岛各个部分详细的几何尺寸和材料组成，确定核岛系统模型的最终方案。 [0039] 宇宙射线μ子穿过监测对象的投影数据与图像之间存在一定对应关系，这个对应关系可以称为系统矩阵。系统矩阵是一种传输矩阵，假设为H，则p真实=Hf真实，其中，p真实表示真实投影数据，f真实表示真实堆芯熔融物状态的真实图像。 [0040] 接下来，在步骤120中，初始化图像。 [0041] 根据本发明的一个实施例，监测对象的系统模型包括核岛系统以及堆芯（未融化）。这里所说的初始化图像即是指堆芯（未融化）。因此，监测对象的系统模型中的堆芯部分即为初始化图像。 [0042] 根据本发明的一个实施例，如果对收敛速度要求不高，可以将初始化图像取为零，即，初始化不考虑堆芯存在。 [0043] 在步骤130中，获得宇宙射线μ子穿过监测对象的真实投影数据。 [0044] 根据本发明的一个实施例，可以由图5中的数据采集装置510从监测区域采集宇宙射线μ子的角度数据与位移数据。然后，该宇宙射线μ子的角度数据与位移数据可以由图5中的数据处理装置520进行处理，形成将用于图像重建的真实投影数据。 [0045] 在步骤140中，基于初始化的图像、真实投影数据、系统矩阵对图像进行代数迭代。 [0046] μ子成像重建方法目前主要有两类，一类是基于解析方法的径迹重建方法，另一类是基于迭代方法的期望最大化方法。采用基于解析方法的径迹重建方法，重建用时很短但重建质量较差。基于迭代方法的期望最大化方法则反之。 [0047] 根据本发明的一个实施例，代数迭代可以通过下面的公式来实现： [0048] [0049] 其中，f 表示第m次迭代后的重建图像，f 为初始化图像，H表示系统矩阵，p表示真实投影数据，即宇宙射线μ子的角度数据与位移数据。 表示真实投影数据与对第m-1次迭代得到的图像 进行投影得到的数据之差，此为每次迭代更新的原始依据。除以||[H]m,·||表示归一化， 表示迭代更新的步长的方向。 [0050] 根据本发明的一个实施例，在代数迭代之后，还可以对图像执行最小化全变分（TV,Total Variation）去噪处理。最小化全变分可以通过下面的公式来实现： [0051] [0053] 然后，重复上述步骤，直到满足终止条件为止。终止条件可以是：重建图像质量是否满足一定的要求。根据本发明的一个实施例，终止条件可以是两次相邻迭代图像之差的范数小于某一固定值。 [0054] 在发射成像和穿透成像过程中，由于各种原因会造成投影数据不完备，若仍采用传统解析方法重建出的图像会产生伪影，而迭代方法则可以很好地改善图像质量。 [0055] 根据本发明的一个实施例，可以利用新型快速、准确的不完备数据μ子成像迭代方法，并进行编程实现。不完备数据是指数据量不够，不满足采样定律，利用传统方法从数学上无法进行精确的重建。 [0056] 不完备数据μ子成像方法是实现本发明的μ子成像监测系统（Debris Muon Imaging Monitoring System，DMMS）的优选实施方式，成像方法的好坏将直接影响DMMS对堆芯熔融物的监测效果。 [0057] 首先，根据本发明的μ子成像迭代方法可以以监测对象核岛系统模型作为迭代初值。这样做的好处在于能够有效地提高收敛速度，从而提高重建速度。 [0058] 接着，根据本发明的μ子成像迭代方法可以基于利用压缩感知理论的代数迭代重建方法-全变分最小化（ART-TV（Algebraic Reconstruction Technique-Total Variation）），实现利用少数不完备投影数据即可准确重建。这样，可以仅使用少量的投影数据即获得高质量的重建图像。 [0059] 本发明的方法是一种既快速又准确的方法，相对于传统的μ子成像期望最大化方法，能够有效地提高重建质量。 [0060] 方法100结束于步骤150。在该步骤中，通过将代数迭代获得的堆芯熔融状态的重建图像与监测对象的系统模型相结合，获得堆芯熔融物状态的最终图像。 [0061] 基于在步骤140中获得的重建图像，可以得到堆芯熔融物的状态，但此时还无法准确获知堆芯熔融物在核岛系统中的相对位置。 [0062] 根据本发明的一个实施例，可以将重建结果与步骤110中建立的监测对象系统模型相结合，得到便于应急人员观察堆芯熔融物在整体核岛位置的最终图像。例如，可以将此图像与监测对象（核岛系统）的图像对应到一张图像上，即可获知熔融物处于核岛系统的哪一具体位置，便于工作人员观察。这样做的好处在于能够有效地提高重建图像的利用率。 [0063] 图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的反应堆严重事故堆芯熔融物状态监测系统500的结构框图。 [0064] 根据本发明的一个实施例，系统500可以包括数据采集装置510、数据处理装置520以及图像重建装置530。 [0065] 数据采集装置510可以用于从监测区域采集宇宙射线μ子的角度数据与位移数据。 [0066] 这里所说的监测区域是指可采集到宇宙射线μ子的最大有效区域。 [0067] 根据本发明的一个实施例，数据采集装置510可以包括两组阻性板探测器511。每组阻性板探测器可以包括三个位置灵敏探测器，用于获取μ子的角度数据与位移数据。 [0068] 应当注意，尽管在本说明书中以两组阻性板探测器为例对本发明进行了说明，但是本发明不限于采用两组阻性板探测器，而是可以采用多于两组的阻性板探测器。例如，本发明也可以采用前后、左右、上下共六组阻性板探测器。 [0069] 根据本发明，一组中不限于采用三个位置灵敏探测器，而是还可以采用多于三个位置灵敏探测器。探测器数目越多，计算更加准确，因为探测器有一定的误差，要在每一个坐标上再加一个高斯或者其他分部的微量，然后用三点来确定这条直线，这样应该更准确，所以探测器越多，直线确定的越准确。 [0070] 根据本发明的一个实施例，数据采集装置510还可以包括阻性板探测器上数据的读出电路和逻辑控制单元、数据传输装置等。 [0071] 根据本发明的一个实施例，数据处理装置520可以用于对数据采集装置201传回的数据进行预处理，为图像重建做准备。 [0072] 根据本发明的一个实施例，数据处理装置520还可以用于监测系统运行过程中的主控制，例如电气控制、数据采集控制、数据传输控制、安全连锁控制等。 [0073] 应当注意，这里监测系统运行过程中的主控制由数据处理装置520来执行只是示例性而非限制性的。监测系统运行过程中的主控制并非必须要由数据处理装置520来执行，而是可以由另外的装置来执行。 [0074] 根据本发明的一个实施例，图像重建装置530可以用于进行图像重建。 [0075] 根据本发明的一个实施例，图像重建装置530还可以用于将严重事故堆芯熔融物状态重建监测的结果报告并显示给在应急指挥中心工作的应急人员。 [0076] 应当注意，这里监测的结果报告和显示由图像重建装置530来执行只是示例性而非限制性的。监测的结果报告和显示并非必须要由图像重建装置530来执行，而是可以由另外的装置来执行。更进一步，监测的结果报告和显示并非必须由同一装置来执行，而是可以由不同的装置来分别执行。例如，一个装置执行监测的结果的报告，另一个装置执行监测的结果的显示。 [0077] 本发明还提出了一种用于对根据本发明的图像重建方法进行验证的方法。 [0078] 根据本发明的一个实施例，可以通过建立堆芯熔融物的数值模型，利用该数值模型来验证根据本发明的图像重建方法能否得到与堆芯熔融物状态一致的堆芯熔融物状态图像。 [0079] 根据本发明的一个实施例，可以针对监测对象内局部感兴趣区域堆芯熔融物，基于熔融物产生机制，选择多种典型严重事故假设工况，详细确定熔融物几何参数（例如，熔融物在堆芯内部的分层情况）和材料参数（例如，熔融物的成分），并建立相应的数值模型。 [0080] 根据本发明的一个实施例，堆芯熔融物的数值模型可以包括堆芯熔融物的形状、尺寸、成分。 [0081] 熔融物的形成过程是非常复杂的，而且人们对于严重事故进程的认识还在不断的更新和深化之中。例如有些学者认为熔融物应分为两层结构，有些学者认为应分为三层结构。前者结论的依据是当严重事故发生时，堆芯熔融物移位至压力容器下封头，并重新混合重组，形成稳定熔融池，其中，熔融池组分按材料特性可分为金属和铀氧化物两大类，金属层和铀氧化物层将分离形成两层的熔融池结构等。 [0082] 根据本发明，从核安全的角度出发，此处可以采用铀表示堆芯熔融物的材料组分，确保安全包络性。针对堆芯熔融物几何尺寸的确定，可以选择采用多种典型严重事故假设工况，例如情况一：堆芯全部融化；情况二：堆芯融化一半等，分别确定相应的堆芯熔融物几何参数。最终，建立堆芯熔融物数值模型的最终方案。这里的几何参数可以是普通的几何参数，根据熔融物的几何形状而定，如果是矩形，可以指长宽高，如果是球冠，可以指半径与高，等等。 [0083] 根据本发明，在对根据本发明的图像重建方法进行验证的阶段，通过模拟得到宇宙射线μ子的角度数据与位移数据。 [0084] 根据本发明的一个实施例，可以通过模拟宇宙射线μ子穿过监测对象系统模型的投影数据来得到μ子输运模拟投影数据，利用该模拟投影数据来验证根据本发明的图像重建方法能否得到与堆芯熔融物状态一致的堆芯熔融物状态图像。 [0085] 根据本发明的一个实施例，可以基于步骤110中所建立的监测对象系统模型，使用蒙特卡罗方法Geant4程序编程实现μ子穿过监测对象的输运模拟过程，并获得验证图像重建方法所需的模拟投影数据。 [0086] 在目前蒙特卡罗方法最具代表性的两类程序Geant4和MCNP中，Geant4程序设计更适合用于高能物理模拟，并且Geant4是“编程性”的蒙卡程序，而MCNP是“卡片”式的蒙卡程序，即Geant4灵活性更好。因此，根据本发明的一个实施例，可以采用Geant4程序编程获取μ子输运模拟投影数据。 [0087] 应当注意，尽管在本说明书中以Geant4为例对本发明进行了说明，但是本发明不限于采用Geant4，而是可以采用其他能够实现本发明的目的的方法。例如，本发明也可以采用MCNP来实现，但是采用Geant4来实现效果会更好。 [0088] 此外，在使用Geant4程序生成投影数据时，由于核岛系统模型中安全壳210和压力容器220外表面的一次屏蔽均是由较厚的混凝土组成，有可能会出现深穿透问题，即在粒子穿过特别厚的材料的过程中，由于散射、吸收等原因，导致透射得到的粒子数过少，从而导致方差太大从而结果不准确。因此，为了得到更准确的模拟投影数据，在计算的过程中，可以使用减方差技巧等尽可能降低由“深穿透问题”引发的生成结果方差过大的问题。 |
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