Применение импульсных нейтронных генераторов для контроля ядерных материалов (ВНИИА им. Духова)
Методы неразрушающего контроля делящихся материалов (ДМ), применяемые в настоящее время в России, являются, главным образом, пассивными – основанными на регистрации собственного γ- и нейтронного излучения ДМ. Однако γ-излучение 235 U или 239 Pu имеет слабую проникающую способность и во многих случаях сравнительно низкую для практических измерений интенсивность. Кроме того, у 235 U или 239Pu малый выход нейтронов спонтанного деления, поэтому в отличие от 240 Pu и других четных изотопов они практически не могут быть зарегистрированы по нейтронному излучению. Таким образом, пассивные методы могут дать лишь косвенную информацию о содержании в отходах 235 U или 239Pu при условии знания истории облучения анализируемых нуклидов в ядерном реакторе. В случае, когда содержание в отходах 240 Pu незначительное или известно с низкой точностью, пассивные методы не способны дать информацию по количеству 235 U и 239 Pu с достаточной степенью достоверности.
Возможности активных методов (с применением внешних источников излучения) являются гораздо более широкими. Существующие установки активного контроля с радиоизотопными AmLi- или Cf-источниками применяются для измерения, как правило, малых емкостей. Наиболее распространенным методом активного контроля является метод дифференциального затухания нейтронов, при котором используются импульсные нейтронные генераторы [1-2]. При использовании такого метода возможно прямое определение содержания 235 U или 239 Pu в образцах с разным обогащением и объемом до нескольких кубометров. При этом в измеренных величинах откликов ДМ отдельно учитывается вклад нейтронов спонтанного деления 240 Pu, 242,244 Cm и (α,n)-реакций. Повышаются также чувствительность и быстрота измерений.
Установка неразрушающего контроля ДМ
За последние 30 лет в мире созданы десятки установок контроля ДМ, совершенствование которых ведется и в настоящее время. Более 60% зарубежных установок контроля ядерных отходов, размещенных в бочках или контейнерах, используют комбинацию пассивных и активных методов. Чувствительность лучших разработанных в настоящее время устройств достигает уровня 1-10 мг 235 U или 239 Pu в емкости объемом 200 литров примерно за 10-20 минут измерения.
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова» (ФГУП «ВНИИА») является единственным в России разработчиком и производителем портативных импульсных нейтронных генераторов – ИНГ. Такие генераторы создаются на основе использования миниатюрных отпаянных электровакуумных нейтронных трубок, в которых реализуются ядерные реакции T(d,n) 4 He или D(d,n) 3 He. В настоящее время получаемые в генераторах потоки нейтронов с энергиями 14 МэВ или 2,5 МэВ достигают величины 10 11 нейтрон/с.
Установка активного нейтронного контроля количества ДМ, сконструированная и изготовленная во ФГУП «ВНИИА», содержит серийно выпускаемый импульсный нейтронный генератор ИНГ-07Т, восемь пропорциональных 3 He-счетчиков в полиэтиленовом замедлителе с кадмиевым фильтром, блоки питания, электронные схемы и программное обеспечение.
Установка представляет собой измерительную камеру, в которую помещается 70-литровый контейнер с ДМ. Загрузка контейнера в камеру производится сверху через съемную полиэтиленовую крышку. Габаритные размеры установки: 680 мм (ширина) х 840 мм (длина) х 1170 мм (высота). Вес – около 150 кг (без контейнера). Установка выполнена в мобильном варианте, то есть может перемещаться вручную по полу на четырехколесной тележке (рис. 1).
Предварительные испытания
Для исследования технических характеристик установки были проведены ее предварительные испытания. В процессе испытаний внутри контейнера размещались различные образцы урана массой от 0,35 г до 26 г в пересчете на 235 U, а также инертные материалы (матрицы) из графита, стали и полиэтилена.
С помощью 128-канального временного анализатора ВА-16 измерялись временные распределения нейтронов от всех восьми счетчиков тепловых нейтронов. Типичные временные распределения, полученные на установке, представлены на рисунке 2.
В ходе предварительных испытаний получены следующие основные результаты.
Активный метод контроля количества делящихся материалов позволяет с высокой чувствительностью определять отклики ДМ, находящихся в замкнутых контейнерах без их вскрытия. За 8-15 мин измерений в 70-литровом контейнере с различными матричными наполнителями плотностью от 0,32 г/см 3 до 1,6 г/см 3 при потоке нейтронов генератора около 5*10 8 нейтрон/с все используемые в экспериментах образцы 235 U надежно обнаруживались как делящиеся материалы.
Путем экстраполяции полученных экспериментальных данных установлены минимально детектируемые массы 235U: 3±1 мг при использовании графитовых матриц и 32±11 мг в случае железных матриц.
Экспериментально подтверждено, что тип матричного материала и его плотность в контейнере определяются собственной константой временного спада нейтронов вынужденного деления, которая практически не зависит от массы ДМ. Это, в принципе, позволяет идентифицировать матрицу-наполнитель без вскрытия контейнера или дополнительных измерений.
ФГУП «ВНИИА» имеет достаточный опыт научно-исследовательских работ с ядерными материалами, принимало участие в разработке образцов аппаратуры с использованием ИНГ для контроля массы ДМ в контейнерах с низкоактивными твердыми отходами и технологическими растворами ядерного топливного цикла [3], для обнаружения делящихся материалов, незаконно перевозимых в багаже авиапассажиров [4], измерения подкритичности в хранилищах отработавшего ядерного топлива на АЭС [5]. Применение активных нейтронных методов контроля количества ДМ в замкнутых емкостях с помощью импульсных нейтронных генераторов позволит устранить имеющийся пробел в приборном оснащении отечественной системы учета и контроля РВ, качественно улучшить реализацию важных федеральных программ по обращению с РАО.Авторы
Ю.Н. Бармаков, д.т.н., В.Ф. Батяев, к.ф.-м.н., Е.П. Боголюбов, О.В. Бочкарев, к.ф.-м.н., Д.И. Юрков, к.т.н.