СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ НЕЙТРОННОГО ПОТОКА
METHOD FOR MEASUREMENT OF NEUTRON FLUX INTENSITY

Изобретение относится к способам экспериментального определения физических характеристик нейтронных источников и ядерных энергетических реакторов и может быть использовано при оценке таких важных параметров подкритического ядерного реактора, как эффективный коэффициент размножения, реактивность.
Измерения реактивности были и остаются основными измерениями, выполняемыми как на критических сборках, так и на энергетических реакторах. Это связано с тем, что изменение нейтронной мощности реактора во времени определяется его реактивностью. Поэтому для обеспечения ядерной безопасности необходим непрерывный контроль реактивности ядерного реактора на остановках, в том числе в процессе перегрузки топлива и при выполнении регламентных ремонтных работ.
Известен способ определения интенсивности источника нейтронов ядерной установки, заключающийся в том, что измеряют скорость счета от ядерной установки детектором нейтронов и рассчитывают эффективную интенсивность источника нейтронов.
Измерение скорости счета ведут при наличии в ядерной установке делящегося вещества, а скорость счета измеряют во времени с интервалом дискретности не менее 1 с до, во время и после введения стержней регулирования в установку, при этом время введения стержней не превышает 5 с, суммарная эффективность вводимых стержней больше 1%.
Суммарное время измерения скорости счета не менее 300 с, а время измерения скорости счета до начала введения стержней выбрано в интервале 10-20 с (патент РФ №2231145, МПК G21C 17/104, 2004). Способ позволяет определять эффективную интенсивность источника нейтронов заглушенного ядерного реактора, однако его реализация связана с технологическими и техническими проблемами, а именно с необходимостью извлечения с последующего ввода в активную зону значительной части регулирующих стержней для создания возмущения нейтронного потока.
эф
Y
d
d
Y
≈
Известен способ определения эффективной интенсивности источника нейтронов заглушенного ядерного реактора, содержащего облученное ядерное топливо, включающий перемещение в активной зоне стержней поглотителей или иных локальных источников возмущения, определение с помощью детекторов нейтронов отклика нейтронного поля на эти перемещения и расчет искомой величины, отличающийся тем, что дополнительно измеряют интенсивность гамма-излучения, а расчет эффективной интенсивности источника нейтронов выполняют по соотношению Q(t)k·Y(t), где Y(t) - интенсивность гамма-излучения; k - коэффициент, определенный в результате калибровочного эксперимента. В качестве детекторов нейтронов и гамма-излучения используют камеры деления (патент РФ №2302676, МПК G21C 17/104, 2007 г.). Реализация и этого способа требует значительного времени и связана с технологическими и техническими трудностями.
Техническим результатом изобретения является измерение нейтронных потоков, проведение измерений в сложных радиационных условиях и в труднодоступных местах, сокращение времени измерений, упрощение технологии измерений, упрощение технической реализации.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения интенсивности нейтронного потока в зону измерений вводят источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, и поглотитель заряженных частиц, установленных с возможностью изменения взаимного положения и соприкосновения, фиксацией силы взаимного электрического притяжения источника и поглотителя и/или взаимного положения, и/или частоты соприкосновения, определяемых интенсивностью нейтронного потока.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где: 1 - источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 2 - поглотитель заряженных частиц, 3 - упруго деформируемый элемент.
Нейтроны, попадающие в материал источника заряженных частиц 1, вызывают ядерную реакцию и излучение заряженных частиц. Заряженные частицы вылетают из материала источника 1 во все стороны изотропно, часть из них выходит и в сторону поглотителя заряженных частиц 2, закрепленного на упруго деформируемом элементе 3.
2
Источник заряженных частиц 1 и поглотитель заряженных частиц 2 набирают заряд противоположных знаков. Между ними возникает сила Кулоновского притяжения, которая растет по мере увеличения заряда Q, пропорционального числу нейтронов, попавших на источник заряженных частиц 1 за время регистрации. Сила Кулоновского притяжения воздействует на упруго деформируемый элемент 3, деформируя его: растягивая и/или изгибая, и/или отклоняя, и/или скручивая и приводя к изменению взаимного положения источника заряженных частиц 1 и поглотителя заряженных частиц 2. Уменьшение расстояния между ними тем больше, чем больше Кулоновское притяжение, которое пропорционально квадрату накопленного заряда Q. Увеличение заряда, деформация упруго деформируемого элемента 3, уменьшение расстояния между источником заряженных частиц 1 и поглотителем заряженных частиц 2 происходит до тех пор, пока они не приходят в контакт. При контакте происходит компенсация накопленных зарядов. Сила Кулоновского притяжения исчезает. Упруго деформированный элемент 3 возвращает источник заряженных частиц 1 и поглотитель заряженных частиц 2 в их исходные положения. И процесс повторяется. Для предотвращения электризации молекул воздуха, нарушающей процесс заряда, источник заряженных частиц 1 и поглотитель заряженных частиц 2 размещают в откачиваемом объеме.
При упругой деформации величина деформации и сила, вызывающая эту деформацию, связаны законом Гука. Силой, вызывающей упругую деформацию упруго деформируемого элемента 3, является сила Кулоновского притяжения. Для ее измерения в качестве одного из упруго деформируемых элементов 3 применяют пьезодатчик. Пьезодатчики широко используют для оценки различных физических величин, в том числе для измерения давления. Величина давления, обусловленного силой Кулоновского притяжения, определяется отношением (1):
, где:
s - площадь контакта пьезокристалла пьезодатчика с излучателем заряженных частиц 1 или поглотителем заряженных частиц 2, F - сила, действующая на пьезокристалл, равная силе Кулоновского притяжения и определена выражением (2)
где:
0
10
-
2
3
Q - накопленный заряд, ε - электрическая постоянная, S - площадь наименьшего по площади элемента: излучателя заряженных частиц 1 или поглотителя заряженных частиц 2. Из (1) и (2) следует, что давление Р пропорционально квадрату накопленного заряда, который пропорционален квадрату плотности нейтронного потока и времени измерений. Оценка Р, выполненная при Q=10 е, S=l см и s=l мм, дает значение Р более 1 кПа, находящееся в диапазоне измеряемых величин давлений с помощью пьезодатчиков. Для источника заряженных частиц 1 использованы вещества, имеющие большие сечения ядерных реакций, идущих с излучением заряженных частиц. При регистрации тепловых нейтронов - это гадолиний и его изотопы Gd-155 и Gd-157, которые обладают максимальным макроскопическим сечением поглощения нейтронов среди существующих материалов. При поглощении нейтрона в гадолинии излучаются конверсионные электроны в диапазоне энергий от 29,2 кэВ до 180 кэВ. Вероятность поглощения нейтрона с рождением конверсионного электрона составляет 0,725. Средняя энергия электронов составляет около 65,9 кэВ. Средний пробег электронов составляет около 17 мкм. При регистрации быстрых нейтронов - это, прежде всего, кальций, бор-11, углерод-12. Ядра этих элементов при захвате быстрого нейтрона излучают протоны и альфа частицы. Поглотитель заряженных частиц 2 выполнен из материала с хорошей электропроводностью и минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц, электрически изолирован от источника заряженных частиц 1. В случае поглощения электронов лучшим материалом является графит, обладающий достаточно высокой электропроводностью и наименьшим альбедо по сравнению с другими проводящими материалами, включая медь и серебро. Электрическую изоляцию устанавливают: в месте крепления поглотителя заряженных частиц 2 к деформируемому элементу 3 и/или в месте крепления деформируемого элемента 3. Изменение пространственного положения источника заряженных частиц 1 и/или поглотителя заряженных частиц 2 при облучении нейтронами регистрируют оптическими средствами; по изменению положения (линейного или углового) и/или величине деформации отражателя, и/или поглотителя света. Одним из примеров оптического средства является оптическая щель, каждая из половин которой механически связана, соответственно, с источником заряженных частиц 1 и поглотителем заряженных частиц 2. Уменьшение расстояния между источником заряженных частиц 1 и поглотителем заряженных частиц 2 приводит к уменьшению зазора щели и интенсивности проходящего через нее светового пучка обратно пропорционально размеру зазора. Изменение направления отраженного светового луча от отражателя и/или интенсивности прошедшего через поглотитель заряженных частиц 2 светового луча фиксируют с помощью фотоприемника, например фотодиодной линейки или фотодиода. Ввод первичного и вывод отраженного световых лучей можно производить волоконными световодами. Частоту, с которой излучатель заряженных частиц 1 и поглотитель заряженных частиц 2 приходят в контакт, фиксируют подсоединенными к ним электрическими проводниками и регистратором.
8
-1
-2
Расчет показывает, что при использовании в качестве источника заряженных частиц 1 гадолиния толщиной несколько микрометров, а в качестве упруго деформируемого элемента 3 бронзовой пластинки со свободной длиной 1 см, шириной 1 мм, толщиной 10 мкм, находящейся на расстоянии 1 мкм от источника заряженных частиц 1, частота срабатывания в 1 Гц достигается при плотности потока тепловых нейтронов величиной около 1-10 с·см. При использования кальция эта частота срабатываний достигается при плотности потока быстрых 14 МэВ нейтронов на три порядка выше. Чувствительность измерений зависит от толщины и площади слоя материала источника заряженных частиц 1, площади поглотителя 2 и степени жесткости упруго деформируемого элемента 3, а также от величины первоначального зазора между излучателем заряженных частиц 1 и поглотителем заряженных частиц 2. Величина зазора между излучателем заряженных частиц 1 и поглотителем заряженных частиц 2, а также жесткость упруго деформируемого элемента 3 изменяют во время измерений, с помощью дополнительных пьезоэлементов. На чувствительность способа влияют: величина заряда излучаемых частиц, период полураспада продуктов реакций, пробег заряженных частиц в материале источника заряженных частиц 1, парциальные сечения ядерных реакций с их рождением. Под действием быстрых нейтронов обычно происходит несколько ядерных реакций с излучением различных заряженных частиц. Вклад в накопленный заряд источника заряженных частиц 1 продуктов реакции определяется периодом полураспада и тем меньше, чем больше период полураспада. Пробег излучаемых частиц в источнике заряженных частиц 1 зависит от их энергии, заряда, а также заряда его ядер материала. Сечения ядерных реакций для 14 МэВ нейтронов, нейтронов спектра деления и тепловых нейтронов для различных химических элементов существенно различаются. Кроме того, для быстрых нейтронов реакции с излучением заряженных частиц в большинстве случаев являются пороговыми. По этой причине предлагаемый способ позволяет раздельно регистрировать 14 МэВ нейтроны на фоне нейтронов спектра деления и тепловых нейтронов, а тепловые нейтроны на фоне быстрых нейтронов любого спектра.