Устройство экспресс-контроля обогащения урана в порошках
DEVICE FOR EXPRESS CONTROL OF URANIUM ENRICHMENT IN POWDERS

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано для контроля обогащения урана в порошках оксидов урана при изготовлении ядерного топлива.
235
Под обогащением урана принято понимать либо атомную, либо массовую концентрацию изотопов U в образце, выраженную в процентах (Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 116).
2
Известен способ контроля обогащения в порошках UO, включающий измерение спектра гамма-излучения образца с характерным размером, обеспечивающим самопоглощение гамма-излучения в диапазоне 0-300 КэВ с помощью спектрометра на сцинтилляционном детекторе и последующую обработку спектра расчетным путем. (RU 2100856 С1, опубл. 27.12.1997). Данный способ не позволяет измерять обогащение в условиях, если топливо является регенерированным.
Известен масс-спектрометрический метод (Цитович И.К. Курс аналитический химии. М.: Высшая школа, с. 330-331) определения содержания в веществе атомов той или иной массы, основанный на разделении потоков ионизированных частиц, различающихся отношением массы к заряду. Однако метод применим только в лабораторных условиях и чрезвычайно не оперативен, так как на отбор, передачу и анализ образцов требуется не менее суток, поэтому метод неприменим для экспресс-контроля обогащения.
235
Известно устройство, которое содержит блок детектирования для регистрации собственного γ-излучения, исходящего от изделия. Блок детектирования размещен в защитном блоке и по линии связи соединен с процессором импульсных сигналов, предназначенным для получения спектрометрической информации от измеряемого изделия. Процессор установлен в компьютере, предназначенном для обработки получаемой информации со спектрометра и выдачи результатов измерения на монитор (RU 2457557, С1, опубл. 27.07.2012). Устройство применяется только для измерения массовой доли U в смеси изотопов урана топливных таблеток с обогащением менее 5% абс.
235
238
235
При измерении спектров собственного гамма излучения с помощью сцинтилляционных детекторов исходя из их разрешающих способностей невозможно получить конкретную аналитическую линию поглощения того или иного гамма-излучающего элемента (в данном случае U), а лишь область вблизи нее, в которую могут входить как стабильные гамма-излучающие элементы, так и нет (в основном это продукты распада U и U).
235
Задачей изобретения является создание эффективного устройства экспресс-контроля обогащения после операций сушки и прокалки с возможностью контроля обогащения U порошков оксидов урана высокого обогащения (5-90%).
235
Технический результат изобретения заключается в обеспечении быстрой (от единиц до одного-двух десятков минут) методики контроля обогащения U в порошках оксидов урана при произвольной степени нарушения радиационного равновесия, основанной на использовании легко адаптируемого к условиям производства сцинтилляционного детектора.
Технический результат достигается устройством экспресс-контроля обогащения урана в порошках, содержащим емкость, расположенную над сцинтилляционным детектором гамма-излучения, соединенным с блоком управления и обработки результатов измерения. Устройство снабжено блоком защиты от фона, размещенным в стальном каркасе с возможностью сквозного вывода кабелей к блоку управления и обработки результатов измерения.
На фиг. 1 изображена схема предложенного устройства.
На фиг. 2 изображены графики, иллюстрирующие пример зависимости площади измеренных импульсов за единицу времени, попавших в пик полного поглощения в зависимости от обогащения измеряемого порошка.
На фиг. 3 изображен график, иллюстрирующие исходный спектр.
235
212
На фиг. 4 изображен график, иллюстрирующий разложение спектра на три составляющие: две единично нормированные гауссианы U, Pb и постоянная составляющая комптоновского излучения.
235
Предложенное устройство экспресс-контроля обогащения U в порошках ядерного топлива содержит емкость, расположенную над сцинтилляционным детектором гамма-излучения 1 с кристаллом 7 (например, NaI(Tl)), установленный в свинцовую защиту от фона 2, размещенную в металлическом каркасе 3 с резьбовыми отверстиями 8 и 9 для зажимных болтов, предназначенных для фиксации сцинтилляционного детектора, который соединен коммутационными кабелями 4 с блоком управления и обработки результатов измерения 5, включающим персональный компьютер с установленным в него процессором импульсных сигналов (например, спектрометром типа SBS-77) и специализированным программным обеспечением. Сцинтилляционный детектор 1 предназначен для регистрации потока гамма-излучения, исходящего из емкости с порошком ядерного топлива.
Процессор импульсных сигналов (спектрометр) предназначен для получения спектрометрической информации об исходящем от пробы с порошком гамма-излучении. Данный спектрометр установлен в компьютер со специализированным программным обеспечением, предназначенный для обработки получаемой информации об обогащении порошка пробы на монитор блока обработки результатов измерения 5.
Блок защиты 2 представляет собой цилиндр из свинца с расточенным отверстием 1, 7 под сцинтилляционный детектор и отверстием для установки емкости с пробой измеряемого порошка б.
Устройство комплектуется специализированными стальными контейнерами с одинаковыми геометрическими размерами для засыпки измеряемых порошков оксидов урана.
Регистрацию гамма-излучения, исходящего от измеряемой пробы, осуществляют при помощи сцинтилляционного детектора с кристаллом NaI(Tl). Измерения происходят в диапазоне энергий гамма-излучения от 0 до 500 кэВ. Технологический порошок засыпается в специальную емкость, обеспечивающую достаточный объем для самопоглощения гамма-излучения измеряемого порошка, и устанавливается на измерительную позицию, перекрывая площадь кристалла NaI(Tl) детектора. Простота конструкции защиты обеспечивает отсутствие фоновых воздействий ионизирующего излучения, а также простоту размещения емкости.
Устройство работает следующим образом.
3
8
235
Порошок оксида урана (например, закись-окись урана - UO) в виде обезвоженного порошка после цикла прокалки выгружается в тару безопасного объема, которая поджимается с помощью ручного механизма к реторте печи непосредственно в боксе выгрузки. Выгружаемый продукт анализируется на содержание изотопов U в общей смеси изотопов. Диапазон отклонения по обогащению выпускаемой закиси-окиси урана составляет ±0,7% абс.
235
235
235
Каждая проба порошка для определения условной массовой доли U вручную размещается над сцинтилляционным детектором для экспресс-контроля таким образом, чтобы излучение происходило с «бесконечной толщины» порошка ядерного топлива, тем самым обеспечивается независимость ослабления в материале пробы от плотности измеряемого порошка. Осуществляют измерение собственного гамма-излучения порошков урана с энергиями 98,43 кэВ и 186 кэВ в емкости автоэмиссионным методом измерения. Собственное гамма-излучение измеряемой среды регистрируется сцинтилляционным детектором 1 (например, типа БДЭГ) с кристаллом 7 NaI(Tl). Далее сигнал от детектора по коммутационным кабелям 4 подается на блоком управления и обработки результатов измерения 5, где при помощи специально разработанных алгоритмов программного обеспечения анализируется содержание U в составе измеряемого порошка. Содержание изотопа урана U определяется как прямая зависимость от площади набранного пика полного поглощения характеристического излучения порошка с энергией 186 кэВ.
235
Данная измерительная схема и алгоритм обработки получаемого спектра позволяет регистрировать только полезный сигнал гамма-излучения от U пробы, убирая при регистрации все паразитные фоновые гамма-излучения, гамма-излучения неравновесных продуктов распада урана, позволяя получить достоверный результат.
235
238
В процессе контроля площадь пика полного поглощения γ-квантов U, U, а также гамма-квантов с относительно высокой энергией в диапазоне от 0 до 500 кэВ, зарегистрированных с помощью сцинтилляционного детектора, преобразуется в статистически распределенную последовательность электрических импульсов, поступающих на плату спектрометрического анализатора (см. Фиг. 2), где происходит соответствующее усиление и амплитудная дискриминация, а далее - запись в файл временной последовательности чисел.
235
При анализе файла данных с помощью программы его обработки определяется кривая распределения пика полного поглощения при неизменном значении плотности анализируемого порошка и энергии 186 кэВ, далее оценивается количество импульсов, попавших в пик полного поглощения, и в зависимости от их числа определяется обогащение U порошка в емкости, размещенной над кристаллом детектора.
Программа обработки производит преобразование исходного спектра (см. фиг. 3) излучения урана в необходимый для расчета обогащения вид (см. фиг. 4).
235
Первый пик отвечает за излучение U, второй пик отвечает за излучение фоновой подставки, третий пик отвечает за излучение продуктов деления, оставшихся после регенерации топлива (если топливо регенерированное).
235
При этом в зависимости от состояния топлива (равновесное или не равновесное топливо, регенерированное или нет) пик фоновой подставки (комптоновский пьедестал) и пик, отвечающий за степень регенерации, могут быть различны, а пик, отвечающий за обогащение U топлива, остается неизменным при любом состоянии уранового порошка в указанных выше условиях измерения. При этом важным фактором оказался выбор границ этого пика: исследования показали, что оптимальными границами являются границы, взятые на его полуширине. Поэтому, зная величину площади этого пика для нескольких проб и соотнеся их к известным заранее значениям обогащения, можно построить единую градуировочную зависимость измерения обогащения во всем диапазоне измерений.
Все измеренные значения записываются в базу данных программы (при необходимости), а также выводятся на экран компьютера.
235
Установка позволяет с высокой производительностью определять обогащение U в порошках различного состава, формировать базу данных (при необходимости) и выдавать полученные данные либо на экран компьютера, либо на печатающее устройство.