способ определения ядерно-физических параметров и элементного состава сборки, содержащей делящееся вещество

Формула изобретения

Способ измерения энергетических спектров элементарных частиц от подкритических сборок, включающий периодическое импульсное облучение сборки, регистрацию вышедших из сборки частиц с помощью удаленного детектора, отличающийся тем, что из ускорителя импульсами длительностью 5 - 50 нс облучают сборку, временное распределение гамма квантов регистрируют в течение 200 - 2000 нс, а частота следования импульсов облучения лежит в пределах 100 - 1000 Гц, для каждого зарегистрированного гамма кванта измеряют также его энергию, запоминают время регистрации и энергию для каждого гамма кванта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится главным образом к области исследования подкритических сборок, а также к исследованию других конструкций, например тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), содержащих делящееся вещество совместно с другими элементами. Изобретение может быть использовано для определения ядерно-физических параметров сборки, например времени жизни нейтронов, а также элементного состава сборки.

Известен способ определения ядерно-физических параметров сборки, согласно которому создают импульс излучения длительностью несколько микросекунд, инициирующий деление в сборке, регистрируют нейтроны, образующиеся в сборке, измеряют временное распределение нейтронов относительно импульса излучения, по форме временного излучения определяют ядерно-физические параметры сборки такие как реактивность и время жизни мгновенных нейтронов в сборке [1]. Детектор нейтронов при этом помещен в непосредственной близости от сборки, а нейтроны отделяются от гамма-квантов по форме импульса детектора. Недостатком способа является невысокая точность определения указанных параметров, особенно при низкой реактивности, т.е. при малом времени регистрации нейтронов (сжатом временном распределении).

В качестве ближайшего аналога мы взяли способ измерения энергетических спектров нейтронов деления, согласно которому нейтронами от импульсного источника с длительностью импульса несколько микросекунд облучают сборку и относительно этого импульса измеряют по времени пролета заданной базы скорость нейтронного деления. (Paterson W.I. e.a. Some measurements of fast reactor spectra by the time of flight technigue using a pulsed neutron source (Pulsed neutron research Proc. Simp. Pulsed Neutron Res. Held by the IAEA at Karlsruhe 10-14 may. 1965 Vol. 11, p. 417).

Недостатком способа является большой фон, т.к. детектор, регистрирующий нейтроны из сборки, удален из сборки на несколько десятков метров, время измерения относительно большое, а нейтроны разных энергий имеют большой разброс времени пролета базы.

Технический результат предложения заключается в повышении точности определения ядерно-физических параметров сборки и в определении ее элементного состава в условиях удаленности детектора гамма-излучения от сборки.

Согласно изобретению технический результат достигается тем, что в способе определения ядерно-физических параметров сборки, содержащей делящееся вещество, включающем периодическое импульсное облучение сборки первичным излучением с длительностью импульса 6-60 нс, регистрацию гамма-квантов, образующихся в сборке в результате делений и неупругих процессов, отделение гамма-квантов от нейтронов по времени пролета заданной базы, измерение времени регистрации гамма-квантов относительно импульса первичного излучения в течение 200-2000 нс, облучение сборки проводят с частотой импульсов облучения 100-1000 Гц, для каждого зарегистрированного гамма-кванта измеряют также его энергию, запоминают время регистрации и энергию для каждого гамма-кванта, определяют ядерно-физические параметры и элементный состав сборки путем анализа накопленности массива данных.

На фиг. 1 условно изображены в логарифмическом масштабе временные распределения гамма-квантов для двух различных сборок с низкой реактивностью, то есть зависимость от времени накопленного числа зарегистрированных гамма-квантов N(t) в каждом временном канале. Распределение 1 соответствует сборке, содержащей только обедненный уран, распределение 2 - смеси обедненного урана с железом. За начало отсчета времени принят передний фронт импульса ускорителя, облучающего сборку с делящимся материалом. Импульс ускорителя условно представлен с бесконечно крутыми передним и задним фронтами. Длительность импульса выбирается существенно меньшим, чем время измерения t_изм после импульса ускорителя. Временные распределения нормированы на полное число событий в распределении. Сплошной линией показана верхняя часть для мгновенных гамма-квантов, соответствующая импульсу ускорителя, и распределения запаздывающих гамма-квантов в виде одной экспоненты для сборки 1 и суммы двух экспонент - для сборки 2. Пунктирными линиями показаны импульс ускорителя и разложение на две экспоненты распределения 2.

На фиг. 2 в логарифмическом масштабе представлены экспериментальные энергетические спектры гамма-квантов 1 и 2 для двух вышеописанных сборок 1 и 2, причем гамма-кванты зарегистрированы за время импульса ускорителя, т.е. в интервале 0 - t_имп. При этом N(E) обозначает накопленное число зарегистрированных гамма-квантов в энергетическом канале, E - энергия гамма-кванта.

На фиг. 3 представлены экспериментальные энергетические спектры от тех же двух сборок для запаздывающих гамма-квантов, то есть не зарегистрированных в интервале t_имп - t_изм. Спектры также нормированы на полное число зарегистрированных гамма-квантов в интервале 0 - t_изм.

Способ осуществляется следующим образом.

Зондирующие импульсы частиц ускорителя, например, протонов или дейтонов с энергией 10-100 МэВ и длительностью 6-50 нс, направляют на исследуемую сборку. Частота импульсов ускорителя выбирается в пределах 100-1000 Гц. При этом нижний предел определяется максимально допустимым временем измерения, поскольку время измерения для набора достаточного количества запаздывающих гамма-квантов, т.е. для обеспечения необходимой статистической точности, обратно пропорционально частоте ускорителя. Верхний предел определяется быстродействием регистрирующей аппаратуры.

Ускоренные частицы при взаимодействии с оболочкой или внешним конструкционными элементами сборки образуют быстрые нейтроны и мгновенные гамма-кванты. Нейтроны, замедляясь в материале сборки, после окончания действия зондирующего импульса продолжают вызывать деления в делящемся материале, а также неупругие взаимодействия в конструкционных элементах и делящемся материале, стимулируя запаздывающее гамма-излучение.

Детектор гамма-квантов располагают на некотором расстоянии от сборки (базе). При пролете этой базы нейтроны запаздывают даже относительно запаздывающих гамма-квантов (например, при L = 20 м - более чем на 40 нс относительно зондирующего импульса при энергии нейтронов около 10 МэВ) и, следовательно, легко отделяются регистрирующей аппаратурой. Синхроимпульс ускорителя, соответствующий моменту поступления зондирующего импульса в сборку, запускает на 200-2000 нс временной анализатор, на вход "стоп" которого поступает импульс от зарегистрированного гамма-кванта. Синхроимпульс также дает разрешение для пропускания импульса от гамма-кванта в канал измерения энергии с амплитудным анализатором. Коды, соответствующие измеренным энергии и времени, поступают в память ЭВМ.

Эффективность детектора гамма-квантов может быть сделана достаточно низкой, чтобы регистрации гамма-квантов на один импульс ускорителя была около 10%. Это требование необходимо в случае использования относительно "медленных" стандартных детекторов с удовлетворительным энергетическим разрешением, которые обладают большим временем высвечивания (например, NaI), когда измерение запаздывающей компоненты ведется на фоне более интенсивной мгновенной компоненты излучения. Условие малой эффективности согласуется с требованием размещения детектора вдали от сборки, причем время набора статистики остается достаточно малым за счет высокой частоты зондирующим импульсов ускорителя.

Время регистрации и энергии каждого гамма-кванта заносятся в память ЭВМ, например, в виде матрицы время-энергия, то есть для каждого зарегистрированного гамма-кванта заносится +1 в ячейку матрицы, соответствующую полученным временным и энергетическим каналам. Полученная матрица является образом (сигнатурой) исследуемой сборки, индивидуальным для каждой сборки, который также зависит от режима работы сборки (температуры, положения отражателя и т. д. ). О параметрах сборки и ее элементном составе можно судить путем сравнения измеренной матрицы с рассчитанной или измеренной при калибровочных измерениях.

Возможности способа можно проиллюстрировать с помощью графиков, изображенных на фиг. 1, 2, 3, подтвержденных экспериментально.

На фиг. 1 изображены только временные распределения, то есть свертка матрицы по всем измеряемым энергиям. Из сравнения кривых 1 и 2 видно, что для кривой 2, соответствующей сборке из обедненного урана и железа, появилась быстрая компонента распада. Вклад этой компоненты обусловлен энергетическим ходом сечения неупругого рассеяния нейтронов на железе при замедлении нейтронов в сборке. Сечение неупругого рассеяния на железе и других возможных конструкционных материалах имеет резонансный характер и только несколько интенсивных линий, поэтому энергетический спектр имеет линейчатую структуру. Например, для железа основная интенсивная линия имеет энергию 0,86 МэВ. В данном способе путем изменения энергетических диапазонов, по которым производится свертка матрицы по энергии, или путем исключения определенных энергий при свертке, можно уменьшить вклад быстрой компоненты и выделить гамма-кванты деления, имеющие непрерывный энергетический спектр. Это повышает достоверность определения параметров сборки.

На фиг. 2 представлены экспериментальные энергетические спектры гамма-квантов, полученные при свертке матрицы по времени в диапазоне 0 - t_имп, для тех же двух сборок, а на фиг. 3 - спектры запаздывающих гамма-квантов. Цифры на фиг. 2 и 3 имеют тот же смысл, что и на фиг. 1. Видно, что энергетические спектры 1 и 2 отличаются друг от друга, причем на фиг. 3 отличия наибольшие. Аналогичные спектры получены и и для других сборок. По этим спектрам можно судить об элементном составе сборок неизвестной конструкции. При этом анализ элементного состава сборки позволит также более достоверно судить о ее параметрах. Например, допустим условно, что при недостаточном знании о работе сборки ее реактивность может быть изменена путем введения железа или какого-нибудь легкого органического материала. В этом случае спектры на фиг. 2, 3 будут различными для этих двух возможностей. В случае, если определено, что реактивность изменилась из-за введения железа, в качестве калибровочных кривых для анализа временных распределений следует использовать калибровочные кривые для сборок с различным содержанием железа.

Метод сравнения с калибровочными измерениями наиболее прост и надежен по сравнению с методами, использующими аналитические формулы, поскольку при низких реактивностях (-0,4) временные распределения представляют собой набор многих экспонент.

Отметим, что приведенный выше анализ фиг. 1, 2, 3 осуществлен с целью иллюстрации способа. Практически способ может быть реализован путем сравнения всей измеренной матрицы с калибровочной.

Способ может быть реализован с помощью устройства, приведенного в аналоге, которое должно быть дополнено стандартным каналом измерения энергии.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности определения ядерно-физических параметров сборки и определение ее элементного состава.

Источники информации

1. Berstrow A. et al. Determination of neutron lifetiwes and resotivities un the fast oritioal FR-0 assembly. / Pulsed neutron researсh - Proc. Symp. Pulsed Neutron Res., IAFA, Vienna, Karlsruke, 10-14 may, 1965, Vol. 2. p.257.