СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЯДЕРНОГО ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DETERMINING NUCLEAR ENERGY RELEASE IN CASE OF FISSION REACTION (VERSIONS)

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и объектов от загрязнений, анализа состояния радиоактивных веществ, испытания ядерного оружия, мониторинга состояния ЯФУ (ядерно-физических установок) с делящимися материалами (ДМ).
Может быть использовано для регистрации энерговыделения и определения его величины на ЯФУ при возникновении любых ядерных реакциях деления (ЯРД).
Известно техническое решение: Заявка: 94020227/25, 01.06.1994. Способ обнаружения делящихся материалов.
Изобретение заключается в разработке метода обнаружения делящихся элементов. Сущность состоит в облучении исследуемого объекта импульсным потоком нейтронов с последующим измерением временного хода потока запаздывающих нейтронов, испускаемых осколками деления и по наличию характерной компоненты распада осколков деления с эффективным временем полураспада судят о содержании делящихся материалов в данном объекте.
Однако с помощью данного способа весьма сложно определить возможное энерговыделение ДМ и определить вероятность ошибки
Известно также техническое решение: Патент RU 2451348 С2. Способ определения энерговыделения в активной зоне по показаниям нейтронных детекторов в процессе эксплуатации реактора типа ВВЭР.
Сущность: энерговыделение определяют по показаниям нейтронных детекторов в процессе эксплуатации ЯФУ (реактора ВВЭР), выполняют нейтронно-физические расчеты для смоделированных и для реальных сборок, осуществляют аппроксимацию функции перехода от показаний детекторов к линейному энерговыделению.
Недостатками известного решения является то, что оно может использоваться при измерении линейного (стабильного во времени) энерговыделения. Необходима сложная система предварительно установленных и настроенных систем детектирования и предварительная корректировка их показаний. При импульсных формах ЯРД и внештатных ситуациях информация о величинах энерговыделения будет отсутствовать.
Указанное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному.
Решаемой технической задачей предлагаемого способа является универсальность и простота регистрация ядерного энерговыделения ДМ, достоверность определения его величины при любом виде ЯРД в отсутствии предварительно установленных систем детектирования ионизирующих излучений (ИИ).
Решение указанной технической задачи обеспечивается изложенной ниже совокупностью существенных признаков.
Использование в качестве детектора излучений образовавшегося в почве Na-24.
Нейтронно-физические расчеты с разработанными алгоритмами перехода от измеренной удельной активности Na-24 вследствие нейтронного потока исследуемой ЯФУ при возникновении ЯРД с рассчитанным распределением нейтронного потока по глубине почвы и концентрацш природного Na-23, к величине энерговыделения,
при этом
выведена зависимость, связывающая измеренное значение удельной активности Na-24 с величиной энерговыделения ДМ
где
q[кг.m.э] - величина энерговыделения;
уд
А - удельная активность Na-24, Бк/кг;
T - время, прошедшее с момента аварии, с;
α - среднее число нейтронов, испускаемых за один акт деления;
R - расстояние до исследуемого объекта;
K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ЯФУ и местом отбора пробы.
Нейтронно-физические расчеты с разработанным алгоритмом перехода от измеренной поверхностной активности Na-24 вследствие нейтронного потока исследуемой ЯФУ при возникновении ЯРД, с рассчитанным распределением нейтронного потока по глубине почвы и концентрации природного Na-23, к величине энерговыделения,
при этом
выведена зависимость, связывающая измеренное значение поверхностной активности Na-24 с величиной энерговыделения ДМ
где
s
2
A - поверхностная активность Na-24, Бк/м;
S
K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ИО и местом проведения измерений.
Описание сущности предложенного изобретения
При попадании нейтронного потока на поверхность почвы происходит множество процессов, в частности ядерные реакции [1, 4]. Одной из них является превращение природного стабильного Na-23 в нестабильный изотоп Na-24. Число нейтронов, поглощенных в грунте, определяется выражением [2]:
Флюенс поглощенных нейтронов на участке местности в декартовой системе координат:
1
2
1
2
Na-24 - γ активен. Гамма-кванты испускаются двух энергий: Ε=1368 кэВ и Е=2754 кэВ. Следовательно, гамма-излучение с энергиями Ε и Е являются характеристическими признаками наличия натрия в почве и прошедшего нейтронного потока.
Локальную наведенную активность с координатами (X,Y,h) от исследуемой ЯФУ можно представить в виде
а ядерное энерговыделение
Для проведения расчета величины ядерного энерговыделения, с использованием перечисленных выше соотношений, требуется определить гамма-спектрометрическим методом локальную активность выбранного изотопа Na-24, активируемого нейтронами.
Νа(i,k)
В точках с координатами (Χ,Υ), определяющими место отбора пробы (или измерения поверхностной активности), активность излучения гамма-квантов с энергией Ε Α(Χ,Υ,Ε):
Формула для расчета величины ядерного энерговыделения определяется из выражения:
уд_Na
3
где A - наведенная активность в грунте, Бк/см,
q - величина ядерного энерговыделения, кг,
(i,k)
η(E) - квантовый выход излучения,
Na(i,k)
A(X,Y,E) - активность излучения гамма-квантов с энергией Ε радионуклида в пробе, определяемая спектрометрической аппаратурой, квант/с,
3
ρ - плотность грунта, г/см,
Α
Ν - число Авогадро,
i
Μ - атомная масса i-го радионуклида,
i
С - доля активируемого i-го элемента в грунте, отн. ед.,
к
С - доля активируемого k-го изотопа в природной смеси изотопов i-го элемента, отн. ед.,
k
2
σ - сечение активации, см,
к
-1
λ - постоянная распада, с,
t - время с момента аварии, с.
Na(i,k)
При измерении поверхностной активности переносным спектрометром в точках с координатами (Χ,Y), определяющими положение детектора относительно центра аварии, плотность потока гамма-квантов с энергией Ε φ(X,Y,E) выбранного радионуклида:
где
g
µ(Ε) - линейный коэффициент ослабления в грунте от энергии (Е) фотонного излучения радионуклида;
ν
µ(Ε) - линейный коэффициент ослабления в воздухе от энергии фотонного излучения радионуклида.
Отсюда формула для расчета величины ядерного энерговыделения, при измерении поверхностной активности с использованием переносного спектрометрического оборудования в зоне аварии:
Na(i,k)
2
где φ(X, Y,E) - плотность потока гамма-квантов с энергией Ε наведенного радионуклида, определяемая спектрометрической аппаратурой на высоте Н, квант/(с∗см).
Решая представленные уравнения, получаем соотношения для определения величины энерговыделения.
Т.о., исследуя пробы гамма-спектрометрической аппаратурой, анализируя спектрограммы и проводя предлагаемые расчеты, получаем следующие результаты.
1
2
1. При отсутствии на спектре пиков полного поглощения (ППП) с Ε=1368 кэВ и Е=2754 кэВ энерговыделения не происходило.
1
2
2. Наличие ППП с Ε=1368 кэВ и Ε=2754 кэВ указывает на происшедшее нейтронное облучение проб и энерговыделение ЯФУ.
3. Анализируя счетность ППП вышеуказанных энергий, зная сечение нейтронов спектра деления с Na-23, определяем флюенс нейтронов, прошедших через исследуемую пробу.
4. По рассчитанной с помощью метода Монте-Карло модели распространения потока нейтронов по радиусу и глубине при возникновении ядерной РД, получаем алгоритм расчета с количеством распавшегося ДМ и его энерговыделением.
5. С помощью вышеприведенного алгоритма получаем зависимости, позволяющие определить искомое энерговыделение от результатов проведенных измерений.
При измерении удельной активности Na-24:
где
q[кг.m.э] - величина ядерного энерговыделения;
уд
А - удельная активность Na-24, Бк/кг;
t - время, прошедшее с момента аварии, с;
α - среднее число нейтронов, испускаемых за один акт деления;
R - расстояние до исследуемого объекта;
K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ЯФУ и местом отбора пробы.
При измеренной поверхностной активности Na-24:
где
s
2
A - поверхностная активность Na-24, Бк/м;
S
K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ЯФУ и местом проведения измерений.
Выбор натрия обусловлен его следующими свойствами [3]:
- высокая концентрация в почве ~2.5%,
- сечение взаимодействия σ=5 барн,
- два характеристических ППП, позволяющих идентифицировать этот элемент в смешанных полях гамма-излучений,
1/2
- удобный для анализа период полураспада, Т=14.9 час.
Весь комплекс мероприятий от отбора пробы до получения величины ядерного энерговыделения занимает несколько часов при измерении удельной активности и гораздо меньшее время при измерении поверхностной активности, обеспечивает с вероятностью Р=0,95 суммарную погрешность анализа не более 30%.
В данном методе отсутствует влияние неравномерности разлета активного вещества в ближней зоне реакции деления и изменчивости метеорологических факторов на погрешность определения величины ядерного энерговыделения.
В процессе реализации предложенный способ заключается в том, что:
1. на известном расстоянии от исследуемого объекта измеряют наведенную поверхностную активность (отбирают пробу грунта);
1
2
2. гамма-спектрометрической аппаратурой измеряют спектры в области энергий Е=1368 кэВ и Е=2754 кэВ;
3. отсутствие ППП указанных энергий указывает на отсутствие или весьма незначительное энерговыделение ДМ ЯФУ;
s
4. при наличии ППП определяют поверхностную активность A (удельную активность пробы);
s
уд
5. по предлагаемым в «способе…» зависимостям и полученным значениям (А)А вычисляют энерговыделение ДМ:
- при измеренной удельной активности Na-24:
где
q[кг.m.э] - величина энерговыделения;
уд
А - удельная активность Na-24, Бк/кг;
t - время, прошедшее с момента аварии, с;
α - среднее число нейтронов, испускаемых за один акт деления;
R - расстояние до исследуемого объекта;
K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ИО и местом отбора пробы.
При измеренной поверхностной активности Na-24:
где
s
2
A - поверхностная активность Na-24, Бк/м;
S
K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ИО и местом проведения измерений.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет определять величину энерговыделения при возникновении внештатных аварийных ситуаций на ЯФУ в отсутствии предварительно установленных систем регистрации ИИ при возникновении любых ядерных реакциях деления.
Литература
1. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. М., Наука, 1998.
2. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений. Атомиздат, М., 1967.
3. Войткевич Г.В., Кокин А.В. и др. Справочник по геохимии. М., Недра, 1990 г.
4. Левин В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. М., Атомиздат, 1975.