СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N23/222 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и других объектов от загрязнений, связанных с осуществлением ядерного топливного цикла, производства и испытания ядерного оружия, а также применения генераторов тока с плутонием-238.

Известны аналоги предлагаемого способа, в которых используются:
отбор проб на местности с последующей радиохимической обработкой и регистрацией α -излучения в лаборатории на спектрометрической аппаратуре [1]
импульсное облучение водных растворов делящихся элементов с измерением потока запаздывающих нейтронов деления [2]
отбор проб ядерного горючего и облучение их на ускорителе с измерением временного хода запаздывающих нейтронов [3]
В качестве прототипа предлагаемого способа следует назвать способ [3] при котором образцы ядерного горючего облучаются на ускорителе Ван-де-Граафа с тритиевой мишенью прерывистым потоком нейтронов с энергией 14 МэВ и измеряется полное число запаздывающих нейтронов, а также измеряется кривая спада запаздывающих нейтронов во времени без выбора интервалов времен облучения и измерения вторичных нейтронов.

Для тех случаев, когда заведомо известно, что облучаемые образцы содержат делящиеся материалы и речь идет об измерении их концентрации и идентификации изотопного состава, этот метод дает решение задачи. Однако он не годится для проведения экспрессного обнаружения возможного содержания делящихся материалов на местности или в пунктах контроля скрытого содержания делящихся материалов ввиду: а) громоздкости необходимого оборудования, б) отсутствия оптимального выбора времен облучения образца и интервала времени последующих измерений вторичных запаздывающих нейтронов, который необходим как для максимального повышения чувствительности метода к малым количествам радиоактивных загрязнений, так и в целях снижения требований к защите персонала соответствующей мобильной аппаратуры.

Сущность данного изобретения состоит в разработке экспрессного метода обнаружения делящихся элементов (урана, плутония, америция и других) путем облучения как соответствующих участков почвы, так и перевозимого через пункты таможенного контроля багажа или размещенных на складе контейнеров импульсным или прерывистым потоком быстрых (с энергией 1 МэВ и более) или тепловых нейтронов и регистрации возникающих за счет вынужденного деления запаздывающих нейтронов нейтронных счетчиками. При этом:
для обнаружения урана-235 или плутония-239 используется процесс деления, вызываемый тепловыми нейтронами, сечения которого, соответственно, составляют 586 и 748 барн [4]
для обнаружения урана-238 или плутония-238 облучение должно проводиться прямым потоком быстрых нейтронов.

Оба эти метода могут быть реализованы в одной установке.

Основой для оптимального выбора времен облучения и измерения является наличие наиболее удобной для анализа нейтронной активности компоненты осколков деления с полупериодом распада 22,7 сек, на которую приходится 20-30% всех запаздывающих нейтронов [5] а также существование наведенной в окружающей среде нейтронной активности с периодом полураспада 4, 5 сек. обусловленное наличием в ней кислорода [6] Поэтому оптимальным следует считать интервал измерений, начиная от 10-15 и до 7-100 сек после прекращения импульса нейтронов от источника и время облучения в каждом нейтронном импульсе 30-50 сек. Это вытекает из анализа приведенных ниже результатов проведенной нами экспериментальной работы в условиях, близких к условиям полевых измерений. Действительно, интервал времен облучения 30-80 сек. должен быть сравним с периодом распада выделяемой компоненты, чтобы не подвергать персонал установки излишнему действию наведенной генератором нейтронов активности и не потерять при этом заметной части потока запаздывающих нейтронов от выбранной нами характерной компоненты. А для улучшения соотношения между эффектом и фоном интервал времени измерений должен заметно превышать характерный для фонового эффекта от кислорода окружающей среды 4, 5 сек (хотя последний и может несколько снижать наблюдаемый период полураспада компоненты, выбранной в качестве индикатора наличия делящихся материалов).

Чувствительность предлагаемого метода определяется уровнем нейтронного фона n_ф, который должен измеряться до начала нейтронного облучения. Критерием обнаружения делящихся материалов является превышение над фоном на три и более статистических ошибки измерения
Нами была проведена экспериментальная проверка метода с раствором, содержащим 19 г естественного урана, с целью определения его чувствительности. Для измерений использовался генератор нейтронов с энергией 14 МэВ при интенсивности 10¹¹ н/сек. Детектором нейтронов служили счетчики тепловых нейтронов (соединенные параллельно 7 счетчиков типа СНМ-20), окруженные полиэтиленом.

Типичные кривые временного хода потока запаздывающих нейтронов представлены на чертеже. На нем по вертикали отложена (в логарифмическом масштабе) скорость счета регистрируемых запаздывающих нейтронов, по горизонтали время измерений после окончания импульса облучения. На чертеже (а) представлены данные за полное время измерений, на чертеже (б) в увеличенном масштабе начальный участок измерений, где проявляются другие компоненты распада, в том числе связанные с присутствием кислорода в окружающем среде. Обозначения: х скорость счета за вычетом фона, с ошибками, о скорость счета за вычетом фона и основной компоненты деления урана.

Естественный фон в наших условиях обычно составлял 1-3 импульса в минуту. Такой уровень фона позволяет установить присутствие не менее 0,1 г урана-235 или плутония-239 на расстоянии порядка 30 см за 1 минуту. В пересчете на общую массу подвергаемого облучению участка грунта это приводит к оценке обнаруживаемых удельных концентраций урана-235 или плутония-239 на уровне порядка 10^-6 г/г. За счет небольшого усовершенствования аппаратуры (увеличение числа нейтронных счетчиков и использование счетчиков с эффективностью регистрации близкой к 1), а также увеличения общей длительности облучения и измерений до 10 минут чувствительность метода можно довести до 10^-8 г/г, что соответствует концентрации делящегося элемента в водном растворе 0,01 мг/литр.

Литература
1. Лебедев А.И. и др. Атомная энергия т. 4.72, N 6, с. 593-599, 1992.

2. Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М. Атомиздат, с. 62-63. 1976.

3. Косолапов М.Г. Хабахпашев А.Г. Центр Э.М. Авторское свидетельство N 439740 от 31.05.61.

4. Бекурин, Виртц К. Нейтронная физика, Атомиздат. с. 430, 1968.

5. Таблицы физических величин. Справочник под ред. Кикоина И.К. М. Атомиздат. 1976.

6. Menlove H.O. Augustson W.N. Henry S.N. Nucl.Sci and Eng. V. 40, N1, p. 136-138, 1979.

Сущность изобретения: исследуемый объект облучают импульсным потоком нейтронов с последующим измерением временного хода потока запаздывающих нейтронов, испускаемых осколками деления. О содержании делящихся материалов судят по наличию характерной компоненты распада осколков деления с эффективным временем полураспада 23±1 сек. судят о содержании делящихся элементов в данном объекте. При этом облучение производят импульсами длительностью (30-60 сек.) и проводят временной анализ интенсивности запаздывающих нейтронов в интервале времен запаздывания от 10-15 до 70-100 с. Этот способ можно применять для поиска делящихся материалов как рассеянных в окружающей среде, так и находящихся в скрытом виде (в багаже или на складе). 1 ил.

Способ обнаружения делящихся материалов, заключающийся в облучении объекта исследования импульсным потоком нейтронов, регистрации вторичных запаздывающих нейтронов после прекращения импульса нейтронов и проведении временного анализа интенсивности запаздывающих нейтронов, отличающийся тем, что осуществляют облучение объекта импульсным потоком нейтронов от источника с длительностью импульса 30 60 с, проводят временной анализ интенсивности запаздывающих нейтронов в интервале времен запаздывания от 10 15 до 70 -100 с с вычитанием фона и по наличию компоненты запаздывающих нейтронов со временем полураспада (23 ± 1) c судят о наличии и содержании делящихся элементом в данном объекте.