63673

Измерение скоростей деления в реакторах, определение нуклидного состава отработанного топлива

Лекция

Энергетика

Непосредственно измерялось распределение интенсивности линии 1596 кэВ gизлучения данного осколка деления с помощью сцинтилляционного на основе NJ детектора. Пик с энергией 1596 кэВ соответствует 140L.

Русский

2014-06-22

5.54 MB

2 чел.

Тема 12.

Измерение скоростей деления в реакторах, определение нуклидного состава отработанного топлива.

 Около 90% энерговыделения обусловлено осколками деления, поэтому измерения пространственных распределений плотности  делений является найболее прямым методом определения энерговыделения, особенно если для этого используется образец с составом ТВЭЛа.

12.1 Пространственные распределения делений в водо-водяных реакторах типа ВВР.

 12.1.1. Высокотемпературный критический реактор МАТР-2, охлаждаемый водой под давлением, предназначен для изучения нейтронно-физических характеристик водо-водяных реакторов, в том числе для измерений изотермического температурного коэффициента при рабочих параметрах АЭС. Он служил для изучения активных зон реакторов первого поколения подводных лодок.

Активная зона реактора общим объeмом 1 м3 собрана из твэлов ВВЭР с ураном 4.95% обогащения и заключена в корпус диаметром 1200 мм, высотой 2200 мм. Через активную зону с помощью циркуляционного насоса прокачивается вода под давлением до 75 атм., что позволяет иметь температуру воды до 250°С.

 

Рис. 12.1 Вид верхней крышки реактора МАТР-

12.1.2 В исследуемой сборке применяются цилиндрические ТВЭЛы в оболочке из циркониевого  сплава 110, диаметром 9.15 мм, толщиной 0.65 мм, содержащие топливные таблетки диоксида урана с обогащением 4.92% по урану-235. Высота топливного столба составляет примерно 600 мм.

В эксперименте определяется величина, пропорциональная концентрации осколка 140La, накопившегося в тепловыделающих элементах после их непродолжительного облучения в сборке и последующей выдержки. Непосредственно измерялось распределение интенсивности линии 1596 кэВ g-излучения данного осколка деления с помощью сцинтилляционного (на основе NaJ) детектора.

Измерение скорости деления облученных ТВЭЛов проводилось на установке с детектором NaJ по гамма - активности 140La спустя неделю после облучения. Обсчет гамма - активности ТВЭЛов проводится на высоте 20 см с шириной щели свинцового коллиматора 2 см. Продолжительность измерений составляла 10 минут. На рисунке 12.2 приведен спектр гамма - квантов облученного ТВЭЛа. Пик с энергией 1596 кэВ соответствует 140La.Там же приведен спектр гамма - квантов фона, в котором наблюдается максимум при энергии 1.46 МэВ, образованный 40К-40 из стен помещения.

Рис. 12.2 Спектр гамма – квантов ТВЭЛа и естественного фона в помещении, измеренные детектором NaJ.

Обработка результатов измерений с детектором NaJ проводится с вычетом амплитудного распределения фона, после чего определяется площадь S под фотопиком La-140 и учитывается процесс накопления и распада. Результатом работы является график зависимости Анорм от номера ТВЭЛа по радиусу сборки. На рисунках  12.3 и 12.4 в качестве примера приведено радиальное и аксиальное распределение энерговыделение сборки. Подъём энерговыделения с 14 по 17 ТВЭЛ (и -14 ÷ -17) обязан водяному отражателю. Подъёма в аксиальном распределении нет – сверху воздух, снизу стальная опорная плита.

Рис. 12.3

Рис. 12.4

12.2 Пространственные распределения  делений в реакторе БН-600

Начиная с физического пуска БН-600 в 1980 году для измерения распределения скоростей реакций и энерговыделения в ТВС использовались две методики: методика гамма-сканирования ТВС и методика игольчатых активационных детекторов [2]. Первая из них оказалась более простой и приспособленной для контроля за мощностью ТВС в условиях промышленного быстрого реактора АЭС и в настоящее время стала стандартной.

В эксперименте определяется относительная гамма-активность осколка деления 140La – величина, пропорциональная скорости реакции деления.

Методика включают в себя два основных этапа [13]. Первый состоит в кратковременном активировании свежих ТВС в различных ячейках активной зоны, боковой зоны воспроизводства и внутриреакторного хранилища на малом, порядка 0.6 % от номинального, уровне мощности реактора. На втором этапе с помощью специальной установки проводится измерение относительной наведенной активности 140La с использованием полупроводникового Ge детектора. Измерения начинаются после выдержки в течение 60-100 часов для накопления нужного количества 140La. Для учета распределения энерговыделения по радиусу ТВС выставляются различными гранями по отношению к детектору. Результаты с различных граней затем усредняются.

Измерения распределения энерговыделения по высоте ТВС проводится путем ее перемещения  в вертикальном направлении с помощью штатных перегрузочных систем.

.Опыт показал, что в целом методика обеспечивает следующий уровень точности измерения средней по сечению ТВС скорости деления (для 95 % уровня доверительной вероятности  - 2σ):

  •  для ТВС активной зоны (ЗМО, ЗСО и ЗБО) 3 %;
  •  для ТВС бокового экрана (ВБЭ и НБЭ) и ВРХ ~5 %;
  •  для относительного хода распределения по ТВС бокового экрана 2-3 %.

 

Рис.12.5 Результаты измерений распределения скоростей деления в ТВС и скоростей деления 235U в активной зоне.

Анализ опыта выполнения экспериментов методом гамма-сканирования показал полную приемлемость, удобство и надежность методики в условиях АЭС с реактором на быстрых нейтронах. Точность методики составляет 2 3% (1σ) для различных ТВС. Указанная методика может быть рекомендована в качестве штатной для строящегося реактора БН-800 и перспективных БН. Полученные численные результаты позволили сделать вывод о соответствии мощностей ТВС реактора БН-600 проектным характеристикам.

12.3  Определение нуклидного состава топлива.

12.3.1   Измepeниe oбoгaщeния уpaнa

Oбpaзцы уpaнa и плутoния в ядepнoм тoпливнoм циклe пpедставляют собой cмecи изoтoпoв с шиpoким диaпaзoном coдepжaний, поэтому изoтoпный cocтaв oбpaзцoв чacтo cлужит oбъeктoм измepeний. Здесь paccмoтpим cпeциaльный cлучaй изoтoпнoгo aнaлизa: oпpeдeлeниe удeльнoгo coдepжaния изoтoпoв в образце посредством paдиaциoнных измepeний, которые нaибoлee чacтo пpимeняютcя для oпpeдeлeния coдepжaния дeлящeгocя изoтoпa 235U в oбpaзцaх уpaнa. Его содержание oбычнo нaзывaют "oбoгaщeниeм уpaнa". Tepмин "oбoгaщeниe" иcпoльзуeтcя пoтoму, чтo coдepжaниe 235U в материалах топливного цикла oбычнo вышe, чeм в пpиpoднoм уpaнe.

В пpиpoдe пpeoблaдaют тpи изoтoпa уpaнa: 238U (99,27 %), 235U (0,720 %) и 234U (0,006 %). 234U oбpaзуeтcя в результате aльфa-pacпaда 238U и двух β-pacпaдов  .

Еcли oбpaзeц пoлучeн в peaктope, в нем также мoгут пpиcутcтвoвaть дpугиe изoтoпы урана, включaя 236U, получаемый в peзультaтe зaхвaтa нeйтpoнa ядром 235U, и 237U из peaкции (n,2n) нa ядрах 238U.

Oпpeдeлeниe oбoгaщeния уpaнa в oбpaзцaх являeтcя ключeвым измepeниeм в тeхнoлoгичecких пpoцeccaх и пpи кoнтpoлe пpoдукции нa пpeдпpиятиях по oбoгaщению урана и изготовлению ядерного тoплива, a тaкжe играет oчeнь вaжную роль пpи мeждунapoдных инcпeкциях пo ядepным гapaн тиям.

Пpинципы измepeния oбoгaщeния мoгут быть иcпoльзoвaны для oпpeдeлeния coдepжaния любых изoтoпoв, ecли известны их paдиaциoнныe хapaктepиcтики и удoвлeтвopяютcя нeкoтopыe cпeциaльныe уcлoвия измepeний. Дaлee пpивoдитcя oпиcaниe paзличных мeтoдик измepeния oбoгaщeния и их пpимeнeние.

Пpи измepeнии oбoгaщeния 235U нaибoлee чacтo иcпoльзуeтся линия гамма-излучения с энepгией гaммa-квaнтoв 186 кэВ. Oнa являeтcя caмoй выдeлeннoй oдинoчнoй линиeй гaммa-излучeния для любых oбpaзцoв уpaнa c oбoгaщeниeм по 235U вышe пpиpoднoгo уpoвня.

На  рис. 12.1 приведены спeктpы гaммa-излучeния пpиpoднoгo уpaнa (0,720 % 235U) и урана 90 %-ного oбoгaщeния. Оба спектра совпадают на участке 300-1000 кэВ.

Pиc. 12.1.  Cпeктpы гaммa-излучeния пpиpoднoгo уpaнa  и урана 90 % oбoгa щeния, измepeнныe Ge(Li) дeтeктopoм. Пики, oбoзнaчeнныe 238U (234mРа) — oт pacпaдa 234mРа. Фoнoвыe пики oбoзнaчeны Ф. Пик c энepгиeй 186 кэВ - oт pacпaдa 235U.

Различать oбoгaщeния урана в  ядерном тoпливе достаточно точно возможно и с использованием cцинтилляциoнного дeтeктopа NaI(Tl) – см. Pиc. 12.2.  

Pиc. 12.2.  Cпeктpы гaммa-излучeния oбpaзцoв уpaнa: пpиpoднoгo, 5 и 93 %-ного oбoгaщeния, измepeнныe cцинтилляциoнным дeтeктopoм NaI(Tl). Пpи увeличeнии oбoгaщeния по 235U пик излучeния c энepгиeй 186 кэВ cтaнoвитcя бoлee интeнcивным, a фoн (oт пpoдуктoв pacпaдa 238U) c энepгиeй вышe пикa ocлaбeвaeт. Cпeктpы нормированы на одинаковую интeнcивность линии рентгеновского излучения.

12.3.2   Oпpeдeлeниe состава плутония в отработанном топливе.

Для измерения доли  240Puможет быть использована только область160 кэВ [1]. На рис.12.3 приведены спектры гамма-излучения образцов PuO2 с долей ε 239Pu - 67.7% (треугольники) и  9.13% (сплошная линия) в области энергии ≈ 125 ÷ 162 кэВ.  В табл. 12.1  приведены энергии и  интенсивности основных гамма-квантов в области 160 кэВ. Гамма-линия 240Pu с энергией 160,28 кэВ сильно перекрываются с линиями 159,95 кэВ от 241Pu и 160,19 кэВ от 239Pu( разрешение детектора здесь ≈ 0.65 кэВ). Пик, соответствующий  энергии  239Pu 129.29кэВ, находится на 1722 канале.

Если ставится задача определения доли 239Pu  плутония в области 160 кэВ  ε239 , то надо определить только вклад от 239Pu в этом пике. Обычно он в плутонии  реакторов типа ВВР не превышает 2%

Задача определения доли 241Pu  плутония в области 160 кэВ ε 241 значительно труднее. Линия 159,95 кэВ в ≈ 7 раз интенсивнее линии 160,28 кэВ (см. последний столбец таблицы12.1) Обычно для плутония  из реакторов типа ВВР вклад её сравним с вкладом линии 160,28 кэВ.    Для выделения интенсивности 240Pu могут быть использованы методы подгонки пика, вычитания пика или функции соответствия [1]. Тем не менее содержание 240Pu трудно измерить со статистической точностью лучше, чем несколько  %.

Для определения  доли 239Pu  в плутонии  из отработанного топлива удобно  использовать калибровочную кривую, измерив отношение площадей S под пиками 160.28 и 129.29  кэв. На рис. 12.4 приведена такая кривая как результат использования   спектров  гамма-излучения образцов PuO2  с составом задачи 1.1. Измерения проводились в июле 2011, так что концентрация 241Pu была меньше приведенной в задаче.Площади S160  верхней кривой 1содержат кроме ε 239 отсчёты как 240Pu,так и 241Pu. Нижняя кривая 2 содержит  отсчёты только 240Pu, а вклад 241Pu вычтен с использованием таблицы 12.1 и составов задачи 1.1(с учётом распада 241Pu). Оценка  ε 241 возможна, если отношение концентраций 241Pu и 240Pu известно хотя бы приблизительно.

Таблица 12.1 Энергии пиков в области 160 кэВ и их интенсивности.

Изотоп    Энергия, кэВ   Выход, квант/распад     Погрешность, %  Интенсивность, квант/с×г

239Pu            158,100                   1,000´10-8                                                10,00                    2,2942´101

241Pu            159,955                   6,740´10-8                                                                                                           2,5776´105

239Pu            160,190                   6,200´10-8                                                20,00                    1,4224´102

240Pu            160,280                   4,020´10-6                                                    0,70                    3,3756´104

239Pu            161,450                   1,200´10-6                                                    0,40                    2,7530´103

237U             164,580                   4,526´10-7                                                    0,50                   1,7311´106 *

241Am           164,580                   6,670´10-7                                                    3,00                    8,4410´104

241Am           165,930                   2,320´10-7                                                    4,00                    2,9360´104

Pиc. 12.3.  Спектр гамма-излучения образцов PuO2 с долей  239Pu - 67.7% (треугольники) и  9.13% (сплошная линия) в области энергии ≈ 125 ÷ 162 кэВ. Гамма-линия 240Pu с энергией 160,28 кэВ сильно перекрывается с линиями 159,95 кэВ от 241Pu и 160,19 кэВ от 239Pu. Все они попадают в пик на 2134 канале. Пик, соответствующий  энергии  129.29кэВ, находится на 1722 канале.  Полный  изотопный состав образцов - в задаче 1.1

Рис. 12.4  Измеренная зависимость логарифма отношения площадей  под пиками  на 2134 и 1722 каналах S160 /  S129 (калибровочная кривая)  от обогащения  плутония 239Pu  (доли  ɛ39 ) в образцах  PuO2 без вычитания  вклада 241Pu(верхняя) и с вычтеным вкладом (нижняя).     


БЭ

ВРХ

БЭ

ктивная зона

распределение делений 235U

скорость делений

Относительная величина

Расстояние от центра активной зоны по радиусу, см

150

125

100

75

50

25

0

-25

-50

-75

-100

-125

-150

-175

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66291. Різновиди професійної музики 105 KB
  Різновиди професійної музики. Ознайомити учнів з різновидами професійної музики: вокальна та інструментальна професійна музика поняттям цикл інструментальних концертів на прикладі творчості А. Виховувати інтерес до творів італійської інструментальної та вокальної класичної музики...
66293. Нуклеїнові кислоти. Генетичний код. АТФ 91.5 KB
  Мета: поглибити знання про будову властивості та роль ДНК РНК АТФ в житті клітини і організму на прикладі наукових пошуків вчених їх самовідданості виховувати студентів. Обладнання: таблиці ДНК €œГенетичний код€. ДНК дезоксирибонуклеїнова кислота. Самоподвоєння ДНК.
66294. Історія вивчення клітини. Клітинна теорія. Методи цитологічних досліджень. Прокаріоти, еукаріотичення клітини 71.5 KB
  Мета: ознайомити студентів з історією вивчення клітини, методами цитологічних досліджень, сформулювати основні положення клітинної теорії; узагальнити, систематизувати та поглибити знання студентів про будову клітини прокаріот і еукаріот; на прикладі самовідданої праці вчених виховувати студентів.
66295. Поверхневий апарат. Цитоплазма. Цитоскелет. Включення. Органели руху. Немембранні органели 82 KB
  Мета: вивчити хімічний склад мембран, встановити взаємозв’язок між будовою і функціями клітинної мембрани; виходячи з особливостей хімічного складу і будови мембран, визначити застосування їх людиною.
66296. Одномембранні органели 71.5 KB
  Цистерни комплексу Гольджі полярні: до одного полюса підходять пухирці, що відриваються від ЕПС і містять продукти синтезу. З іншого полюса цістерн відокремлюються пухирці, наповнені ферментами та іншими речовинами.
66297. Сьогодні, жінки, Ваше свято 48 KB
  Ти жінка. Жінка чарівне слово Жінка життя прикраса Жінку прославляють знов І не підвладна часу жінка. Жінка кохана й мати Жінка сестра й бабуся Жінка життєве свято Свято що вічно в русі. Жінка це у першу чергу матір.
66298. Міжнародний жіночий день 8 березня 35 KB
  Земля зітхає ледве чутно І прокидається від сну... І березень дарує чудо, Розпочинаючи весну. Це чудо-в усмішках чарівних, У морі квітів навкруги. Ми Вас вітаємо царівни, Найкращі, милі, дорогі! Вальс з квітами.
66299. 8 Марта. Мамин праздник 48 KB
  Празднично убранный класс. На стенде рисунки детей, посвященные Дню 8 Марта. На доске слова: Спасибо, женщины вам И вашим умелым и нежным рукам, Они золотые, как солнце, всегда. Нам маминых рук не забыть никогда! Пусть мамины славятся всюду дела! Трудящимся женщинам честь и хвала.