CERN大型强子对撞机束流收集系统放射性废物无损检测新方法研究

欧洲核子研究中心(CERN)研究人员针对大型强子对撞机(LHC)束流收集系统(TDE)退役处理中的放射性表征难题，开发了结合FLUKA蒙特卡洛模拟与高纯锗探测器(HPGe)的非破坏性检测(NDA)新技术，解决了高接触剂量率(2 mSv/h)和放射性核素异质分布带来的测量挑战，为加速器设施放射性废物管理提供了标准化解决方案。

　　

在粒子物理研究的巅峰设施——大型强子对撞机(LHC)中，束流收集系统(Target Dump for Ejected Beam External, TDE)如同精密的安全气囊，负责吸收14 TeV高能质子束流。这些由石墨和不锈钢构成的庞然大物（单个体积达8.5×0.72米）经过十年辐照后，其内部产生的放射性核素分布呈现高度不均匀性，接触剂量率高达2 mSv/h，给退役处理带来巨大挑战。传统检测方法面临两大困境：高剂量率导致伽马谱仪(GS)死时间激增，而未知的活度分布又严重影响效率校准精度。欧洲核子研究中心(CERN)的辐射防护团队必须突破这些技术壁垒，才能满足法国放射性废物处置库对短寿命中低放废物(FMA-VC)的严格接收标准。

Nabil Menaa领衔的研究团队在《Applied Radiation and Isotopes》发表的研究中，创新性地将FLUKA蒙特卡洛模拟与高纯锗探测器(HPGe)非破坏性检测(NDA)技术相结合。通过建立精确的几何模型再现TDE实际辐照场景，预测²²Na等易测核素(ETM)的活度分布，并采用ISOCS软件进行效率校准。对于难测核素(DTM)则运用比例因子(SF)技术推算。关键技术还包括：CERN.FLUKA(4-4.0版)模拟不同材料的活化过程，ActiWiz工具计算放射性核素库存，以及针对高剂量率优化的伽马谱采集方案。

研究结果

1. 均匀几何模型活度结果：初始假设活度均匀分布时，²²Na在高低密度石墨(HDG/LDG)中的活度比显示0.35-0.72的显著差异，证实传统均匀模型会引入高达65%的系统误差。

2. 实际几何模型活度结果：采用FLUKA模拟的真实辐照分布后，不锈钢壳体与石墨芯部的活度比修正为1.12-1.85，显著提升测量精度。通过分层采样策略，将高剂量率区域的测量不确定度控制在15%以内。

3. 比例因子技术验证：对¹⁴C等纯β发射体，建立其与^{602>0.9，为DTM核素评估提供可靠依据。}

这项研究建立的标准化流程具有三重里程碑意义：首先，首次实现对LHC级大型活化部件的精确放射性表征，确保两个总重超20吨的TDE单元符合法国处置库接收标准；其次，开发的"模拟指导测量"方法论可推广至ITER等核聚变装置的活化部件评估；最后，为高能物理设施的全生命周期管理提供了关键技术支撑。研究团队特别指出，该方法对解决未来环形对撞机(FCC)等更强大加速器的退役挑战具有前瞻性价值。