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

63794. Демография 21.5 KB
  Демография как наука изучает численный состав населения распределение населения по полу возрасту социальным и профессиональным группам размещение и движение населения на территории причины и следствия изменения состава населения взаимосвязь социально-экономических факторов и этих изменений.
63795. Статика населения, динамика населения 28.5 KB
  Статика - это сведения об общей численности населения и его составе: возрастно-половом этническом профессиональном плотности места жительства и др. Возрастно-половой состав имеет значение для характеристики состояния здоровья и воспроизводства населения.
63796. Рождаемость 23 KB
  Рождаемость - это число родившихся живыми на 1000 населения. Выдают свидетельство о рождении регистрируют рождаемость. Показатель рождаемости = Число родившихся живыми среднегодовая численность населения х 1000 На рождаемость влияет половая и возрастная структура населения.
63797. Смертность как медико–социальная проблема 34 KB
  Изучается по свидетельствам о смерти. В 3 х дневный срок со дня смерти регистрация умерших в загсе или поселковом совете. Регистрация проводится на основании медицинских свидетельств о смерти в загсе...
63798. Характеристика детской смертности 28 KB
  Показатель младенческой С = Число детей умерших до года Число родившихся 1000; Показатель мл. С по Ратсу для сельского населения = Число детей умерших за год 012 мес. С по Вахитову Альбицкому для города = Число умерших в возрасте до года 1000 4 5 от данного года 1 5 от предыдущего года...
63800. Заболеваемость и методы её изучения 28.5 KB
  Населения характеризует распространение заболеваний среди всего населения или отдельных его групп в расчете на 1000 или 10000 человек. имеют важнейшее значение для научной организации системы медико-санитарного обслуживания населения...
63801. Характеристика уровней и структур причин заболеваемости 27 KB
  В структуре причин с возрастом все большую роль играют несчастные случаи и инфекционные заболевания. У женщин до 20 лет болезни связанные с беременностью с возрастом больше проявляются хронические заболевания. После 60 лет выявляются на 1 больного 25 3 заболевания...
63802. Заболеваемость с временной утратой трудоспособности 26 KB
  Единицей наблюдения при изучении заболеваемости с ВУТ является каждый случай временной нетрудоспособности в связи с заболеванием или травмой в данном году. Учетным документом служит листок нетрудоспособности который является не только медицинским...