СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ В ОБЪЕКТЕ Российский патент 2005 года по МПК G01N23/22 

Изобретение относится к области неразрушающего радиационного контроля объекта, в частности к методам и устройствам обнаружения делящихся материалов (ДМ) в контейнерах с радиоактивными отходами, в автомобилях, транспортных контейнерах, а также в объектах окружающей среды, загрязненной при осуществлении ядерного топливного цикла, производстве и испытании ядерного оружия.

Известен способ, в котором ДМ, находящиеся в объекте контроля, можно обнаружить путем облучения объекта контроля медленными нейтронами и регистрации мгновенных быстрых нейтронов деления [1-3].

Известен также способ обнаружения ДМ, заключающийся в генерации импульсного потока быстрых нейтронов, формировании потока медленных нейтронов, облучении объекта проверки этими нейтронами и регистрации мгновенных быстрых нейтронов деления, при этом регистрируют аппаратурный спектр мгновенных нейтронов деления и устанавливают факт наличия ДМ по достоверному превышению числа зарегистрированных быстрых нейтронов над естественным фоном в области спектра, характерной для мгновенных нейтронов деления [4].

Устройство для реализации способа содержит импульсный D-T источник нейтронов, материал замедлитель нейтронов, детектор эпитепловых или быстрых нейтронов, блок синхронизации измерений и регистратор сигналов детектора. Указанные способ и устройство выбираем за прототип.

Недостатки способа, в котором используется D-T нейтронный источник, связаны с недостатками D-T источника нейтронов. Во-первых, высокая начальная энергия нейтронов (14,1 МэВ) требует большого объема замедлителя, который, в свою очередь, уменьшает плотность потока медленных нейтронов. Во-вторых, нестабильность выхода нейтронов и небольшой ресурс работы нейтронных трубок D-T источника нейтронов приводит к изменению чувствительности обнаружения ДМ по мере снижения потока нейтронов от источника. В-третьих, наличие радиоактивного материала (трития) в D-T источнике нейтронов вызывает необходимость принятия дополнительных мер по его физической защите и применения специальной процедуры утилизации в случае замены тритиевой мишени.

Таким образом, задачей изобретения является разработка способа и устройства для обнаружения ДМ, обладающего стабильной чувствительностью и высоким ресурсом работы.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении эффективности использования нейтронов за счет уменьшения начальной энергии нейтронов источника нейтронов, исключении использования радиоактивных материалов и в обеспечении возможности совмещения процедуры обнаружения ДМ с радиографическим контролем объекта с использованием одного источника излучения.

Предлагаемый способ обнаружения ДМ включает, как и в прототипе, получение импульса быстрых нейтронов, формирование из него потока медленных нейтронов, облучение объекта проверки импульсным потоком медленных нейтронов и регистрацию мгновенных быстрых нейтронов деления, что является достоверным признаком наличия в объекте ДМ.

В отличие от прототипа быстрые нейтроны получают путем облучения мишени-конвертора импульсным потоком электромагнитного излучения с энергией выше порога фотонейтронной реакции. При этом для уменьшения энергии быстрых нейтронов в качестве мишени используют вещество, содержащее дейтерий, а в качестве электромагнитного излучения используют тормозное излучение электронов с энергией больше 2,3 МэВ. В этом случае в мишени-конверторе возникают нейтроны с энергией около 1 МэВ, что существенно меньше, чем в D-T нейтронном источнике, а стабильность параметров электронного ускорителя обеспечивает высокую стабильность выхода нейтронов и чувствительность обнаружения ДМ. Кроме того, в данном способе не применяются какие-либо радиоактивные материалы, что снимает необходимость утилизации отработанных элементов источника как радиоактивных отходов и снижает требования к физической защите установки.

Способ реализуется в устройстве, которое, как и прототип, содержит импульсный источник нейтронов, замедлитель нейтронов, детектор эпитепловых или быстрых нейтронов (в дальнейшем детектор нейтронов) и регистратор сигналов детектора с устройством синхронизации интервала регистрации с интервалом генерации медленных нейтронов.

В отличие от прототипа, импульсный источник нейтронов выполнен в виде импульсного ускорителя электронов с тормозной мишенью для преобразования пучка электронов в электромагнитное излучение и мишени-конвертора из материала, порог фотонейтронной реакции которого ниже энергии электронов. В качестве импульсного ускорителя электронов целесообразно выбрать компактный бетатрон с энергией электронов больше 2,3 МэВ, с тормозной мишенью из вещества с большим атомным номером, например из вольфрама, для преобразования энергии электронов в электромагнитное излучение. Мишень-конвертор для получения нейтронов в этом случае выполняется из материала, содержащего дейтерий или бериллий, например тяжелой воды.

В дальнейшем суть предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами и примерами конкретной реализации способа и устройства.

На Фиг.1. представлена схема устройства для обнаружения ДМ.

На Фиг.2. представлен удельный выход нейтронов из разных мишеней, облучаемых электромагнитным (тормозным) излучением электронов с энергией до 10 МэВ.

На Фиг.3. представлено временное распределение сигналов с нейтронного счетчика, полученное в экспериментах, в которых в качестве ускорителя использовался бетатрон на энергию 10 МэВ, а в качестве мишени для получения нейтронов - 1 кг тяжелой воды (D₂O).

Устройство для обнаружения включает ускоритель электронов 1, в качестве которого можно использовать, например, бетатрон, в котором ускоряется электронный пучок 2. Внутренняя тормозная мишень 3 служит для преобразования энергии электронов в электромагнитное (тормозное) излучение 4. Установка снабжена защитным экраном 5. На пути тормозного излучения 4 расположена мишень-конвертор 6 для получения нейтронов. Замедлитель нейтронов 7 для повышения эффективности замедления выполнен в виде цилиндрической оболочки, окружающей исследуемый образец 11. В замедлителе 7 находится детектор 8 эпитепловых или быстрых нейтронов. Детектор нейтронов 8 реализован в виде нейтронного счетчика на основе ³Не или ¹⁰В, который окружен замедлителем, например, из полиэтилена в форме цилиндра и который снаружи покрыт листовым материалом с большим сечением поглощения тепловых нейтронов и малым сечением для эпитепловых и быстрых нейтронов, например кадмием.

Выход детектора нейтронов 8 соединен с входом регистратора сигналов 9, включающим блок синхронизации сигнала с детектора 8 с импульсом электромагнитного излучения 4. Для синхронизации импульс электромагнитного излучения 4 регистрируется датчиком 10, который может быть реализован в виде фотоэлектронного умножителя. Датчик 10 соединен со стартовым входом регистратора сигналов 9. В качестве регистратора сигналов может быть использован многоканальный временной анализатор, который регистрирует число импульсов с детектора нейтронов 8 в последовательных временных интервалах после импульса излучения ускорителя электронов. Зарегистрированное распределение импульсов может быть представлено в виде, удобном для визуального восприятия, например в виде гистограммы.

Пример 1. В качестве ускорителя электронов мы использовали бетатрон “КРАБ” [5]. Бетатрон состоит из трех основных частей - блока излучателя, блока питания и пульта управления. Блок излучателя имеет размеры 969×560×350 мм, вес 275 кг, и потребляет 4 кВт электроэнергии. Бетатрон способен ускорять электроны до энергии от 3 до 10 МэВ с возможностью плавной регулировки и может работать непрерывно с частотой 50 Гц. С частотой 100 Гц бетатрон может работать с периодическим выключением на охлаждение (1 ч работы, 30 мин охлаждение). Мощность дозы на расстоянии 1 м от мишени радиатора 0.16 Гр/мин при частоте импульсов излучения 100 Гц. Пучок тормозного излучения с граничной энергией 10 МэВ облучал нейтронную мишень, которая была расположена в максимуме интенсивности излучения 0.58 Гр/мин на расстоянии 700 мм от мишени радиатора. Удельный выход нейтронов для нескольких нейтронных мишеней взят из работы [6]. В качестве нейтронной мишени мы использовали 1 кг D₂O в форме цилиндра диаметром 100 мм и высотой 120 мм. Интенсивность нейтронов от тяжеловодной мишени была оценена для данного эксперимента равной (4.2±0.9)·10⁷ нетр./с. Средняя энергия нейтронов, генерируемых в Be и D₂O мишенях, была найдена из результатов измерений по методу времени пролета [7] и оказалась равной (1.3±0.2) и (0.96±0.15) МэВ соответственно.

В качестве нейтронного счетчика мы использовали ионизационный счетчик типа СНМ-18, который заполнен ³Не. Полиэтиленовый замедлитель в форме цилиндра с аксиальным отверстием для счетчика обеспечивает замедление быстрых нейтронов и приводит к увеличению эффективности их регистрации. Замедлитель нейтронного детектора окружен слоем кадмия, который предохраняет от попадания тепловых нейтронов на счетчик и обеспечивает резкое снижение чувствительности регистрации тепловых нейтронов.

Временное распределение сигналов с нейтронного счетчика, полученное в экспериментах с нейтронной мишенью из 1 кг D₂O в отсутствии делящегося материала в измерительной полости (фоновое измерение) и тремя образцами ²³⁵U, приведено на фиг. 3. В течение первых 5,4·10^-4 с после импульса тормозного излучения нейтронный счетчик не регистрирует сигналы от одиночных нейтронов из-за ионизации газа в объеме счетчика. После этого времени детектор имеет номинальную чувствительность и число зарегистрированных импульсов зависело от количества ²³⁵U, помещенного в измерительную полость. Все полученные временные распределения в диапазоне от 540 до 2500 мкс имеют экспоненциальный вид. Постоянная экспоненциального затухания потока тепловых нейтронов в замедлителе, окружающем измерительную полость, равна 180 мкс.

Чувствительность обнаружения характеризуется пределом обнаружения L_d, который определяется формулой (1) [7].

где К - калибровочный множитель, равный отношению массы делящегося m_s к разности числа отсчетов детектора в случае присутствия в объекте образца делящегося материала N_s и числа фоновых отсчетов детектора N_b без образца делящегося материала, α - параметр, который определяет вероятность обнаружения делящегося материала Р(α) (например, Р(α=1)=0.67; Р(α=2)=0.95; Р(α=3)=0.997).

Число зарегистрированных отсчетов детектора (N±2σ_N) в интервале от 540 до 2500 мкс для серии экспериментов приведено в Таблице.

Таблица
Результаты экспериментов.№ изм.Нейтронная мишеньК-во ²³⁵U в образце, мгВремя экспозиции, минЧисло отсчетов (N±2σ_N)К, мгL_d(α=3), мг1.D₂O, 1 кг0, фон101434±113  2.D₂O, 1 кг.0+Be 3340 г101667±120  3.D₂O, 1 кг542105780±1300.125±0,00420.6±0,74.D₂O, 1 кг11431010990±2100.120±0,00319.8±0,65.D₂O, 1 кг.17411013840±2350.140±0,00323.1±0,76.Be, 3,34 кг0, фон101839±85  7.Be, 3,34 кг542106615±1600.113±0,00421.1±0,78.Be, 3,34 кг11431011172±2100.122±0,00322.7±0,69.Be, 3,34 кг17411015498±2500.127±0,00323.7±0,6

В эксперименте №2 мы исследовали устойчивость обнаружения ДМ в присутствии нейтронпроизводящего вещества - бериллия. Когда мы поместили 3.3 кг Be в измерительную полость, число импульсов детектора практически не увеличилось по сравнению с фоном, что свидетельствует о слабой чувствительности данного способа к присутствию материалов, способных генерировать нейтроны в пучке тормозного излучения.

Калибровочный множитель К и предел обнаружения L_d в Таблице оценены исходя из вероятности обнаружения делящегося материала 0.997 (α=3) в соответствии с соотношениями (2) и (1). Увеличение К и L_d с ростом количества ²³⁵U можно объяснить эффектом экранирования нейтронного потока вследствие увеличения концентрации ²³⁵U в образцах с 5 до 15 мг/см². Мы измерили также уменьшение числа сигналов с нейтронного детектора для случая, когда делящийся материал помещен в центр цилиндра с размерами - диаметр 300, высота 400 мм, заполненного песком. Влияние такого инертного материала сводится к уменьшению числа отсчетов примерно в 2 раза по сравнению со случаем, когда такой материал отсутствует. Таким образом, влияние инертного материала на результаты обнаружения сведется к увеличению предела обнаружения примерно в 2 раза. Предел обнаружения делящихся материалов для данной экспериментальной установки с учетом влияния инертного материала и экспозиции 10 мин оказался равен около 40 мг ²³⁵U для обеих использованных нейтронных мишеней. В случае уменьшения времени экспозиции до 5 с предел обнаружения будет равен 440 мг ²³⁵U.

Таким образом, продемонстрирована возможность использования малогабаритного бетатрона для обнаружения делящихся материалов. Очевидно, что чувствительность обнаружения может быть значительно увеличена благодаря ряду факторов. Например, выход нейтронов из мишени-конвертора может быть легко увеличен, по крайней мере, в 10 раз путем увеличения массы нейтронной мишени из тяжелой воды, а число нейтронных детекторов может быть доведено до 25. Если использовать в качестве замедлителя графит соответствующих размеров, то можно значительно уменьшить поглощение и утечку нейтронов в замедлителе. По нашим оценкам предел обнаружения может быть уменьшен, по крайней мере, в 20 раз и доведен до 2 мг при времени экспозиции 10 мин. Устройство для обнаружения делящихся материалов может найти применение при контроле объектами окружающей среды загрязнений, связанных с осуществления ядерного топливного цикла, производства и испытания ядерного оружия. Можно ожидать, что с помощью данного источника на базе компактного бетатрона можно достичь чувствительности на уровне 10^-8-10-⁹ г/г по ²³⁵U.

Объектами контроля делящихся материалов могут также стать контейнеры с отходами предприятий ядерного топливного цикла, багаж, транспортные автомобильные и железнодорожные контейнеры, а также пробы объектов окружающей среды. Преимущество данного способа обнаружения ДМ связано с тем, что он может быть совмещен с уже разработанными методами радиографического контроля крупных объектов с помощью излучения ускоренных электронов.

Литература

1. Kunz W.E. A Fissile Waste or Scrap Assay System with 1 mg Sensitivity // Trans. ANS, Vol.39, 1981, - p.341.

2. Coop K.L., Fehlau P.E., in: Compiled by D.B. Smith, G.R. Jaramillo, Safguards and Security Progress Report January-December 1988, Los Alamos National Laboratory, Report LA-11709-PR, 1989, p.8.

3. Bogolubov E.P., Korotkov S.A., Korytko L.A., Morukov V.G., Nazarov V.I., Polkanov Yu.G., Khasaev T.A. Method and system based on pulse neutron generator for fissile material detection in luggage // Abstracts book/ 5^th International Topical Meeting on Industrial Radiation and Radioisotope Measurement Application, Bologna, 9-14 June 2002. - P.271.

4. Исаков А.И., Антонов А.В., Бенецкий Б.А., Жданов Г.Б., Попов В.И., Самсонов А.Е., Тукарев В.А., Клячко А.В., Бергман А.А. Заявка на изобретение РФ №95111400/25 Способ обнаружения делящихся материалов, G 21 N 23/22, приоритет от 1995.07.03., опубл. 1997.06.20, заявитель Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва.

5. Chakhlov V.L., Volkov V.G., Pushin V.S. et al. Application of small-size betatrons in NDT// Proc. 11^th Int. Conf. on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter (Tomsk, 24-29 Sep. 2000) -Tomsk, TPU. - P.94 -95.

6. Басай А.Ю., Буров Г.И., Волков В.Г.,. Головков В.М. и др. // ПТЭ, 1998, №1, - с.43-45.

7. Chakhlov V.L., Bell Z.W, Golovkov V.M., Shtein M.M. // Nucl. Instr. and Meth, A 422, 1999, - p.5-9.

Использование: для обнаружения делящихся материалов в объекте. Сущность: заключается в том, что способ обнаружения делящихся материалов включает получение импульса быстрых нейтронов, формирование из него потока медленных нейтронов, облучение объекта проверки импульсным потоком медленных нейтронов и регистрацию мгновенных быстрых нейтронов деления, что является достоверным признаком наличия в объекте делящихся материалов, при этом быстрые нейтроны получают путем облучения мишени-конвертора импульсным потоком электромагнитного излучения с энергией выше порога фотонейтронной реакции. Для уменьшения энергии быстрых нейтронов в качестве мишени используют вещество, содержащее дейтерий, а в качестве электромагнитного излучения используют тормозное излучение электронов с энергией больше 2,3 МэВ. В качестве импульсного ускорителя электронов целесообразно выбрать компактный бетатрон с энергией электронов больше 2,3 МэВ с тормозной мишенью из вещества с большим атомным номером, например из вольфрама, для преобразования энергии электронов в электромагнитное излучение. Технический результат: повышение эффективности использования нейтронов за счет уменьшения начальной энергии источника нейтронов, исключение использования радиоактивных материалов и обеспечение возможности совмещения процедуры обнаружения делящихся материалов с радиографическим контролем объекта с использованием одного источника излучения. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ обнаружения делящихся материалов путем получения импульсного потока быстрых нейтронов, формирования потока медленных нейтронов, облучения контролируемого объекта медленными нейтронами и регистрации быстрых нейтронов деления, отличающийся тем, что поток быстрых нейтронов получают путем облучения мишени-конвертора импульсным потоком электромагнитного излучения с энергией выше порога фотонейтронной реакции в материале мишени конвертора.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного излучения используют тормозное излучение пучка ускоренных электронов.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что мишень-конвертор выполнена из материала, содержащего дейтерий или бериллий, а энергия ускоренных электронов больше 2,3 МэВ.4. Устройство для обнаружения делящихся материалов, содержащее импульсный источник быстрых нейтронов, замедлитель нейтронов, детектор эпитепловых или быстрых нейтронов, регистратор сигналов со схемой синхронизации, отличающееся тем, что импульсный источник быстрых нейтронов выполнен на основе ускорителя электронов и дополнительно содержит защитный экран, тормозную мишень для преобразования энергии электронов в электромагнитное излучение, на пути которого расположена мишень-конвертор для получения нейтронов, которые замедляются в замедлителе нейтронов, выполненным в виде цилиндрической оболочки, окружающей исследуемый образец, при этом в замедлителе расположен детектор эпитепловых или быстрых нейтронов, выход которого соединен с входом регистратора сигналов, который выполнен в виде многоканального временного анализатора, регистрирующего число импульсов с детектора в последовательных временных интервалах после импульса излучения ускорителя электронов, при этом вход регистратора, включающего блок синхронизации, соединен с датчиком электромагнитного излучения ускорителя.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве вещества мишени-конвертора используется тяжелая вода, а в качестве ускорителя электронов бетатрон на энергию больше 2,3 МэВ.