СПОСОБ ПАСПОРТИЗАЦИИ И КОНТРОЛЯ СОХРАННОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК G01N23/222 

Изобретение относится к проблеме контроля за сохранностью делящихся материалов и может быть использовано при паспортизации изделий из таких материалов и последующем контроле их сохранности.

Известен способ контроля за сохранностью делящихся материалов, основанный на измерении интенсивности и формы спектра гамма-излучения таких материалов [1]. Недостатком указанного способа является невозможность его эффективного использования при контроле изделий большого веса и объема, т.к. проникающая способность испускаемых гамма-лучей зачастую ограничивается несколькими миллиметрами.

В качестве прототипа рассмотрим способ обнаружения делящихся материалов [2] , основанный на облучении объекта контроля потоком быстрых (или замедленных до уровня тепловых) нейтронов и регистрации компоненты вторичных (запаздывающих) нейтронов с одним определенным периодом полураспада.

Недостатком указанного способа-прототипа является то, что он может быть использован только для обнаружения наличия в изделии делящегося материала по присутствию во временном спектре запаздывающих нейтронов компоненты с характерным для большинства делящихся ядер периодом 23 секунды без измерения какой-либо величины, характеризующей количество делящегося материала в изделии (способ типа да/нет). Кроме того, способ предполагает использование сложных импульсных источников нейтронов, не имеющих надежной воспроизводимости и стабильности.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и, соответственно, увеличение точности при паспортизации изделий из делящихся ядерных материалов и увеличение достоверности при контроле их сохранности.

Цель достигается тем, что в известном способе паспортизации и контроля сохранности изделий из ядерных материалов, включающем: помещение указанных изделий в специальную измерительную полость, облучение их потоками быстрых или замедленных до уровня тепловых нейтронов от внешних источников нейтронов, замедление до уровня тепловых энергий нейтронов, рождающихся при делении ядер указанных материалов нейтронами от указанных источников, указанное облучение ведут максимально однородным потоком нейтронов, измеряют число одиночных нейтронов, двукратных, трехкратных, четырехкратных и более кратных статистически достоверных совпадений за период времени, равный времени жизни нейтронов в системе замедления, по результатам измерений составляют паспорта указанных изделий в виде совокупности ненулевых разностей
Δn = Nen

-N_n,
где Δn - ненулевая разность при регистрации совпадений кратности n;
N_n ^e - измеренное число совпадений кратности n при облучении изделия;
N_n - фон случайных совпадений кратности n при регистрации, который определяют по результатам регистрации нейтронов в соответствии с формулой
N_n = N_s(w/τ)^n-1exp(-w/τ)/(n-1),
где w - длительность временного окна при регистрации совпадений;
число запусков временного окна при измеренном числе n-кратных совпадений;
τ =T/N_t - среднее расстояние между импульсами регистрации одиночных нейтронов,
где Т - время измерения;
N_t - число нейтронов, зарегистрированных за время Т.

При контроле сохранности изделий сравнивают указанные паспорта с их исходными паспортами и по результатам сравнения делают вывод о сохранности указанных изделий.

Данный способ реализован при помощи измерительного устройства, представленного на чертеже. Цилиндрическая измерительная полость 1 диаметром 350 мм и высотой 520 мм сформирована набором полиэтиленовых колец 2, служащих замедлителем нейтронов, внутри которых установлено 42 нейтронных счетчика 3. Суммарная эффективность счетчиков к нейтронам деления, выходящим из измерительной полости, составляет 33%. На торцах полости установлены пространственно-распределенные Am-Li источники 4, равномерно засвечивающие нейтронами измеряемое изделие 5. Интенсивность каждого источника составляет 2000 нейтронов/сек. Регистрация совпадений ведется электронным блоком 6 во временном окне длительностью 100 мкс, открываемом очередным регистрируемым нейтроном. Кратность совпадений определяется количеством нейтронов, зарегистрированных во временном окне. В качестве изделия использовалась пластина из сплава UFe, содержащая 100 г урана, обогащенного до 99% ураном-235. Сплав упакован в медную оболочку, толщиной 2 мм. За время 1000 сек измерен следующий паспорт изделия:
одиночный счет - N₁ ^e = 456638 +/- 676
счет двухкратных совпадений N₂ ^e = 24723 +/- 157
счет трехкратных совпадений N₃ ^e = 876 +/- 30
счет четырехкратных совпадений N₄ ^e = 42 +/- 6,5
счет пятикратных совпадений N₅ ^e = 1
счет шестикратных совпадений N₆ ^e = 1
счет семикратных совпадений N₇ ^e = 0
Измерение без изделия (фоновый замер) дает следующие значения:
одиночный счет - N₁ = 457490 +/- 676
счет фона двухкратных совпадений N₂ = 23118 +/- 152
счет фона трехкратных совпадений N₃ = 563 +/- 24
счет фона четырехкратных совпадений N₄ = 15 +/- 4
счет фона пятикратных совпадений N₅ = 0
счет фона шестикратных совпадений N₆ = 0
счет фона семикратных совпадений N₇ = 0
Практически фоновый замер определяется только случайными совпадениями и может не измеряться, а рассчитываться по измерениям с изделием согласно формуле:
N_n = N_s(w/τ)^n-1exp(w/τ)/(n-1),
где N_n - фон случайных совпадений кратности n (n > 1);
w - длительность временного окна при регистрации совпадений;
число запусков временного окна за время измерений;
τ = T/N_t - среднее расстояние между импульсами регистрации нейтронов;
где Т - время измерения;
число нейтронов, зарегистрированных за время Т.

Для приведенного примера измерения с изделием согласно вышеприведенной формуле фон случайных совпадений следующий:
одиночный счет N₁ = 456638 +/- 676
фон случайных двухкратных совпадений N₂ = 23285 +/- 31
фон случайных трехкратных совпадений N₃ = 591 +/- 1,6
фон случайных четырехкратных совпадений N₄ = 20 +/- 0,1
фон случайных пятикратных совпадений N₅ = 0
фон случайных шестикратных совпадений N₆ = 0
фон случайных семикратных совпадений N₇ = 0
что действительно с точностью до статистических ошибок совпадает с фоновым измерением. Более того, расчетные статистические ошибки случайных совпадений различной кратности оказываются значительно меньше, чем непосредственно получаемые из фонового измерения без образца, поскольку фон случайных совпадений определяется в основном полным числом зарегистрированных нейтронов N_t, измеряемым с более высокой точностью, чем само число кратных совпадений. Поэтому практически нет необходимости проводить дополнительное измерение фона без изделия, поскольку фон случайных совпадений хорошо вычисляется из измерений с изделием.

В первом приближении (без учета неоднородности засвечивающего потока нейтронов от источника, самоэкранирования изделий, поглощения нейтронов примесными элементами в изделии и т.д.) разности измеряемых величин кратных совпадений и фона соответствующих случайных совпадений пропорциональны количеству делящегося элемента в изделии. В рассматриваемом примере для изделия, содержащего 100 грамм урана-235 статистически достоверны разности для двух-, трех-, и четырехкратных совпадений:
Δ2 = Ne2

-N₂ = 1438 ± 160,
Δ3 = Ne3-N₃ = 285 ± 30,
Δ4 = Ne4-N₄ = 22 ± 6,5.
Соответственно, точность измерения составляет:
по двухкратным совпадениям - 100 ± 11 грамм
по трехкратным совпадениям - 100 ± 11 грамм
по четырехкратным совпадениям - 100 ± 30 грамм
Поскольку эти три разности статистически независимы, то приведенная суммарная точность измерения за 1000 секунд равна ± 7,5 грамм.

Паспортизация изделий из делящихся материалов не ставит перед собой задачу строгого количественного определения этих материалов в изделии. Приведенные расчеты чувствительности измерений справедливы лишь в первом приближении и приведены лишь как оценочные значения, поскольку детальный учет всех поправочных факторов для конкретных изделий практически невозможен. Поэтому для паспорта изделия существенны лишь измеренные значения счетов N₁ ^e, N₂ ^e, N₃ ^e, N₄ ^e. При необходимости из них могут быть вычислены фоновые и истинные совпадения различной кратности, также как и количественные оценки содержания делящихся материалов.

Более важными для паспортизации являются стабильность и воспроизводимость результатов измерений. Эти параметры в свою очередь определяются стабильностью источника нейтронов и детектирующей аппаратуры. В рассмотренном варианте измерений с Am-Li источником нейтронов небольшая поправка на распад Am-241 (период полураспада 460 лет) может быть легко внесена. Эффективность счетчиков нейтронов с гелием-3 также весьма постоянна и, кроме того, стабильность всего детекторного тракта, включая электронную аппаратуру, легко проверяется контрольными измерениями.

Стоимость изделий из делящихся материалов достаточно высока и затраты на реализацию предлагаемого метода контроля и паспортизации не являются обременительными, но значительно снижают вероятность неконтролируемого распространения ядерных материалов.

Литература
1. Проспект фирмы CANBERRA, США, стр. 13, U-Pu InSpector.

2. Патент РФ N 2082156 C1, C 01 N 23/222, 20.06.97.

Использование: при паспортизации изделий из делящихся материалов и последующем контроле их сохранности. Сущность: способ включает помещение указанных изделий в специальную измерительную полость, облучение потоками нейтронов, измерение числа одиночных нейтронов, двукратных, трехкратных, четырехкратных и более кратных статистически достоверных совпадений, составление паспорта по результатам измерений в виде совокупности ненулевых разностей Δn = Nen

-N_n, где фон случайных совпадений кратности n при регистрации (N_n) определяют по результатам регистрации нейтронов в соответствии с формулой N_n = N_s(w/τ)^n-1exp(-w/τ)/(n-1), сравнение указанных паспортов с исходными паспортами и по результатам сравнения делают вывод о сохранности указанных изделий. Технический результат: увеличение точности при паспортизации изделий из делящихся ядерных материалов и увеличение достоверности при контроле их сохранности. 1 ил.

Способ паспортизации и контроля сохранности изделий из ядерных материалов, включающий помещение указанных изделий в специальную измерительную полость, облучение их потоками быстрых или замедленных до уровня тепловых нейтронов от внешних источников нейтронов, замедление до уровня тепловых энергий нейтронов, рождающихся при делении ядер указанных материалов нейтронами от указанных источников, отличающийся тем, что указанное облучение ведут максимально однородным потоком нейтронов, измеряют число одиночных нейтронов, двукратных, трехкратных, четырехкратных и более кратных статистически достоверных совпадений за определенный период времени, по результатам измерений составляют паспорта указанных изделий в виде совокупности ненулевых разностей
Δn = Nen

-N_n,
где Δn - ненулевая разность при регистрации совпадений кратности n;
N_n ^e - измеренное число совпадений кратности n при облучении изделия;
N_n - фон случайных совпадений кратности n при регистрации, который определяют по результатам регистрации нейтронов в соответствии с формулой
N_n = N_s(w/τ)^n-1exp(-w/τ)/(n-1),
где w - длительность временного окна при регистрации совпадений;
число запусков временного окна при измеренном числе n-кратных совпадений;
τ =T/N_t - среднее расстояние между импульсами регистрации одиночных нейтронов,
где Т - время измерения;
N_t - число нейтронов, зарегистрированных за время Т,
и при контроле сохранности изделий сравнивают указанные паспорта с их исходными паспортами и по результатам сравнения делают вывод о сохранности указанных изделий.