СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ УРАНА В ПОРОШКАХ Российский патент 1997 года по МПК G21C17/06 G01T1/167 G01T1/36 

Изобретение относится к рентгеновской и гамма спектрометрии и может быть использовано для оперативного технологического контроля обогащения урана в порошках UO₂ в производстве ядерного топлива.

Под обогащением урана принято понимать либо атомную, либо массовую концентрацию изотопов U²³⁵ в образце, выраженную в процентах [1 и 2] Непринципиальное различие между этими определениями для предлагаемого способа несущественно.

Известен масс-спектрометрический метод [3] определения содержания в веществе атомов той или иной массы, основанный на разделении потоков ионизированных частиц, различающихся отношением массы к заряду. Разделение происходит под действием электрического и магнитного полей. Распыление и ионизация анализируемого вещества достигается под действием искрового вакуумного разряда, лазерного луча, электронного пучка и т.п. В масс-спектрометре испаренное вещество образца бомбардируется потоком электронов, в результате чего образуются положительно заряженные ионы. Они вытягиваются из потока газа электрическим полем, отклоняются магнитным в меру отношения массы ионов к их заряду и разделяются. При этом используется масс-спектрометрия в лазерной, полупроводниковой и атомной технике, в том числе, и для измерения обогащения. Из всех известных методов определения обогащения масс-спектрометрический метод является наиболее точным.

Однако метод применим только в лабораторных условиях и чрезвычайно неоперативен, так как на отбор, передачу и анализ образцов требуется не менее суток, поэтому метод неприменим для экспресс-контроля технологии.

Необходимой экспрессностью обладают радиационные методы контроля обогащения [1 и 2] основанные на измерении фотонного спектра (рентгеновское- и гамма-излучение). При этом используются спектрометры на основе как полупроводниковых, так и сцинтилляционных детекторов и, кроме того, в силу ряда причин (сложность обслуживания, проблема долговечности и т.п.) полупроводниковые детекторы практически не применяются в производственных условиях [1 и 2]
В большинстве случаев методики основаны на "абсолютных" измерениях: площадь основного аналитического пика γ-излучения урана (185,7 КэВ ) подставляется в калибровочную зависимость, полученную путем сопоставления определенных масс-спектрометрическим методом величин обогащения эталонных образцов строго определенной массы, плотности, формы, строго определенным образом расположенных относительно детектора площадям основного аналитического пика g-излучения, найденным при измерениях спектра эталонных образцов. При этом гарантируется точность результата 10% при условии, что масса, плотность, форма и расположение исследуемого образца с неизвестным обогащением те же, что и при измерениях на эталонных образцах.

Однако в реальных условиях неизменность подчеркнутых параметров чрезвычайно трудно обеспечить, поэтому точность обычно бывает хуже.

Известен также способ (прототип), основанный на относительных измерениях [2, с. 205 207] когда при калибровке известному обогащению эталонных образцов сопоставляется отношение площадей основного аналитического пика и пика гамма-излучения дочерних продуктов U²³⁸ области 766 или 1001 КэВ, а при измерении обогащения неизвестного образца определяется отношение площадей соответствующих пиков и подставляется в калибровочную зависимость.

Этот способ не столь чувствителен к идентичности параметров исследуемого и эталонных образцов, однако он позволяет достаточно точно и оперативно (за несколько минут) определить обогащение в образцах, в которых радиационное равновесие, нарушенное в процессе производства топлива, уже установилось. Период установления равновесия по продуктам распада U²³⁸ составляет около полугода, что для экспресс-контроля технологии неприемлемо.

В настоящее время на рынке нет предложения методик, способных обеспечить технологический экспресс-контроль обогащения.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи технологического экспресс-контроля, т. е. на разработку достаточно быстрой (от единиц до одного-двух десятков минут) методики измерения обогащения порошка UO₂ при произвольной степени нарушения радиационного равновесия, основанной на использовании легкоадаптируемого к условиям производства сцинтилляционного детектора.

Задача изобретения решается следующим образом.

Вначале измеряют спектр гамма-излучения образца с характерным размером, обеспечивающем самопоглощение гамма-излучения в диапазоне 0 300 КэВ с помощью спектрометра на сцинтилляционном детекторе и проводят обработку спектра расчетным путем. Затем прежде всего производят интерполяцию спектра и пошаговое интегрирование таким образом, чтобы максимум основного аналитического пика попал в заданный канал, содержащий энергию 186 КэВ, далее осуществляют цифровую фильтрацию спектра с выделением в нем отдельных пиков гамма-излучения U²³⁵ и изотопов тория, а также рентгеновского излучения общего урана, измеряют площади выделенных пиков, нормируют площади всех перечисленных пиков путем деления на площадь основного аналитического пика с получением нормированных интенсивностей I_Th231, I_Th234 и I_XRay, вычисляют вспомогательный параметр r по формуле
r (l pI_Th231 + qI_Th234)/I_XRay,
а затем определяют обогащение образца путем подстановки r в калибровочную зависимость между обогащением и значениями r. Эта зависимость вместе с параметрами p и q определяется заранее при настройке прибора из решения системы уравнений
r_jIijXRay

-pIijTh231-qIijTh234= 1,
где j номер релаксирующего настроечного образца;
i номер измерения, проведенного на данном образце в период установления радиационного равновесия.

Калибровка проводится путем сопоставления величин r_j и определенных независимо лабораторными методами значений обогащения в релаксирующих настроечных образцах.

Сопоставление предложенного способа с прототипом показало наличие вышеперечисленных отличительных признаков изобретения, обеспечивающих выполнение критерия "новизна".

Сравнение предлагаемого способа с аналогом показало, что технический результат уменьшение времени контроля обогащения приблизительно в сто раз при сопоставимой точности определения обогащения непосредственно в технологическом процессе производства порошкам достигается при наличии калибровочной зависимости между вспомогательным параметром r и обогащением настроечных образцов, вычисленной при настройке прибора. Поэтому заявленный способа в отличие от аналога, может применяться для экспресс-контроля производства. В связи с этим указанное существенное отличие обеспечивает выполнение критерия "изобретательский уровень".

Рассмотрим пример реализации способа.

Для проведения измерений был использован комплект приборов состоящий из:
спектрометрического анализатора фирмы CANBERRA Series 10 Plus;
прибора для измерения специальных ядерных материалов JHH-41 (использован в качестве блока питания предусилителя блока детектора);
сцинтилляционного детектора фирмы "BICRON" (размер кристалла NaI(Tl) 40 • 40).

Характерное время измерения одного спектра составляло 10 12 мин; анализируемый энергетический интервал 0 ^oC 256 КэВ; число каналов 256. При этом известно, что из-за температурной нестабильности и некоторых других причин положение пика γ-излучения может несколько изменяться от измерения к измерению при сохранении, однако, линейной зависимости между энергией зарегистрированного кванта и номером канала [1 и 2] Это обстоятельство делает необходимой операцию подготовки спектров к цифровой фильтрации. Результат действия соответствующей программы подготовки представлен на фиг. 1. Здесь сплошная линия это спектр излучения порошка UO₂, снятый через сутки после его изготовления. Максимум основного аналитического пика урана находится в 193 канале. Линейно интерполируя измеренный спектр и проводя пошаговое интегрирование (величина шага составляет h 193/187 1,032), получаем подготовленный к цифровой фильтрации спектр, показанный на фигуре точками. Описанная процедура заменяет здесь применяемую в высококачественных спектрометрах подстройку прибора по реперному источнику.

Следующая процедура, примененная в предлагаемом способе, это цифровая фильтрация, которая состоит в умножении матрицы, характеризующей аппаратную функцию спектрометра, на вектор, компоненты которого суть значения ординат подготовленного к фильтрации спектра. Аппаратная функция спектрометра в соответствии с [1 и 2] аппроксимируется гауссианой K (E, E') с линейно изменяющейся полушириной: в начале спектра W_min 13, в конце - W_max 16 КэВ
K(E,E')≈exp{-(E-E')²/2W²}
Здесь E, E' энергия в КэВ.

Матрица цифрового фильтра R вычислена с использованием метода регуляризации Тихонова [4] по формуле
R = (αE+K′K)^-1K;
Здесь E единичная матрица; K' транспонированная матрица K; параметр регуляризации a 3•10^-4. Результат применения цифрового фильтра иллюстрируется на фиг. 2. Пунктирная линия это подготовленный к фильтрации спектр; сплошная результат применения цифрового фильтра. Кроме того, указаны пики, обусловленные γ-излучением урана и изотопов тория, а также хорошо выделенная линия рентгеновского ((K_β)) излучения урана. Идентификация пиков проводилась путем сравнения результатов цифровой фильтрации со спектрами, полученными с использованием полупроводникового детектора. Площади пиков излучения Th²³⁴, Th²³¹ U-K_β и U-g-186 КэВ, выраженные в импульсах, составляют 133960. 206490, 405400 и 919750 соответственно, а нормированные площадь пика U-g-186 КэВ площади пиков Th²³⁴, Th²³¹ и U-K_β суть 0,1456, 0,2245 и 0,4408. Величины p и q, найденные при настройке, составляют 1,01 и 0,318. Вспомогательный параметр
r (1 + 1,01 • 0,2245 + 0,318 • 0,1456)/0,4408 2,89.

Калибровочная зависимость между r и обогащением представлена на фиг. 3. С помощью калибровочной зависимости находим величину обогащения 2,38%
Масс-спектрометрический анализ для этого же образца дает величину 2,39% т.е. результаты согласуются с высокой точностью.

Теперь следует представить процедуру получения калибровочной зависимости, проведенную при настройке прибора. При этом были использованы 3 образца свежеприготовленного порошка UO₂ с обогащением 4,61, 2,41 и 3,62% В течение месяца проводились измерения спектров, их подготовка к цифровой фильтрации, собственно цифровая фильтрация и вычисление нормированных интенсивностей пиков I_Th231, I_Th234 и I_XRay. При этом система уравнений для определения p и q будет
r_jIijXRay

-pIijTh231-qIijTh234= 1
при j 1, 2, 3 (т.е. находится три значения r) с коэффициентами, составленными из нормированных интенсивностей пиков (приведены в конце описания), где для j 1 i 1 5, для j 2 i 1 5 и для j 3 i 1,2. Решение системы есть: r₁ 3,1640; r₂ 2,8942; r₃ 3,0490; p 0,3178; q 1,0121. Величины r₁, r₂ и r₃ использованы для построения калибровочной зависимости, представленной на фиг. 3.

Описанный выше макет установки использован для опробования способа. Испытания подтвердили возможность его успешной реализации. В процессе изготовления находится стационарная установка для экспресс-контроля технологии при производстве порошков UO₂ низкого обогащения при ориентировочном сроке завершения работы в IV кв. 1996 г. 1 кв. 1997 г. Кроме того, готовится аналогичная установка для контроля порошков среднего и высокого обогащения.

Источники информации:
1. Фролов В. В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М. Энергоатомиздат, 1989, с. 116 127.

2. Passive Nondestructive Assay of Nuclear Materials. Ed. by Doug Reilly, Norbert Ennslin Hastings Smith. Washington, 199, p. 195 207.

3. Цитович И. К. Курс аналитический химии. М. Высшая школа, с. 330 - 331.

4. Верлань А. Ф. Сизиков В. С. Интегральные уравнения. Методы алгоритмы программы. Киев: Наукова думка, 1986.

Сущность изобретения: экспресс-контроль обогащения урана непосредственно в технологическом процессе осуществляют путем измерения спектра гамма-излучения образца с характерным размером, обеспечивающим самопоглощение гамма-излучения в диапазоне 0 - 300 КэВ с помощью спектрометра на сцинтилляционном детекторе, затем производят интерполяцию спектра и пошаговое интегрирование таким образом, чтобы максимум основного аналитического пика попал в заданный канал, содержащий энергию 186 КэВ. Далее осуществляют цифровую фильтрацию спектра с выделением в нем отдельных пиков гамма-излучения U²³⁵ и изотопов тория, а также рентгеновского излучения общего урана, измеряют площади выделенных пиков, нормируют площади всех перечисленных пиков путем деления на площадь основного аналитического пика с получением нормированных интенсивностей I_Th231, I_Th234, I_XRay и определяют вспомогательный параметр r из формулы
r = (1 + PI_Th231 + qI_Th234)/I_XRay.

Затем определяют обогащение образца путем подстановки r в калибровочную зависимость между обогащением и значениями r, которая вместе с параметрами, p и q определена при настройке прибора. Изобретение может быть использовано для оперативного технологического контроля обогащения урана в порошках UO₂ в процессе производства ядерного топлива. 3 ил.

Способ контроля обогащения в порошках UO₂, включающий измерение спектра гамма-излучения образца с характерным размером, обеспечивающим самопоглощение гамма-излучения в диапазоне 0 300 КэВ с помощью спектрометра на сцинтилляционном детекторе и последующую обработку спектра расчетным путем, отличающийся тем, что производят интерполяцию спектра и пошаговое интегрирование таким образом, чтобы максимум основного аналитического пика попал в заданный канал, содержащий энергию 186 КэВ, далее осуществляют цифровую фильтрацию спектра с выделением в нем отдельных пиков гамма-излучения U^2 3 5 и изотопов тория, а также рентгеновского излучения общего урана, измеряют площади выделенных пиков, нормируют площади всех перечисленных пиков путем деления на площадь основного аналитического пика с получением нормированных интенсивностей I_{T h 2 3 1}, I_{T h 2 34}, I_xR_a y, определяют вспомогательный параметр r из формулы r (1 + pI_{T h 2 3 1} + qI_{T h 2 3 4}) I_{x R a y}, а затем определяют обогащение образца путем подстановки r в калибровочную зависимость между обогащением и значениями r, которая вместе с параметрами p и q определена при настройке прибора из решения системы уравнений
r_jIijXRay

-pIijTh231-qIijTh234= 1,
где j номер релаксирующего настроечного образца;
i номер измерения, проведенного на данном образце в период установления радиационного равновесия, калибровка проводится путем сопоставления величин r_j и определенных независимо лабораторными методами значений обогащения в релаксирующих настроечных образцах.