СПОСОБ КОНТРОЛЯ МАССОВОЙ ДОЛИ ИЗОТОПА УРАН-235 В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА И СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01T1/00 G01N23/00 

Изобретение относится к анализу физических свойств ядерных материалов и предназначено для использования в системах оперативного контроля процесса обогащения гексафторида урана в разветвленной технологической цепочке разделительных заводов, в частности для контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана.

Известен способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана [1], заключающийся в измерении давления и температуры гексафторида урана, а также интенсивности гамма-излучения урана-235 от гексафторида урана, находящегося в измерительной камере, представляющей собой алюминиевый цилиндр. Массовую долю урана-235 определяют по формуле

где С₅ - массовая доля изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана;

I_γ - интенсивность гамма-излучения урана-235;

t - температура гексафторида урана в камере;

p - давление гексафторида урана;

α - градуировочная постоянная.

Способ осуществляют на установке, содержащей измерительную камеру с входным и выходным клапанами на патрубках напуска и выпуска гексафторида урана, детектор гамма-излучения урана-235 с анализатором импульсов, датчики измерения давления и температуры, соединенные через блок сбора данных с вычислительным комплексом. Блоком сбора данных (адаптером сигналов) осуществляется преобразование информации о давлении и температуре к виду, удобному для обработки в вычислительном комплексе. Двухканальный анализатор импульсов регистрирует в первом канале гамма-излучение основного аналитического пика, характеризующего естественный альфа-распад изотопа уран-235 с энергией 185,7 кэВ, во втором канале - гамма-излучение в более высокоэнергетическом интервале с целью учета фоновой составляющей под пиком урана-235 с энергией 185,7 кэВ.

Недостаток способа и системы заключается в неполном учете всех фоновых составляющих под основным аналитическим пиком с энергией 185,7 кэВ, характеризующим естественный альфа-распад урана-235. Кроме того, численные результаты контроля можно получать только через промежутки времени, превышающие величину временного интервала измерения.

Также известен способ и устройство контроля массовой доли изотопа уран-235 в гексафториде урана, находящегося в жидкой или твердой фазе [2]. Способ заключается в одновременном определении количества зарегистрированных импульсов гамма-излучения урана-235 в области энергий 185,7 кэВ и количества зарегистрированных импульсов в более высокоэнергетическом диапазоне, основной вклад в который вносят гамма-кванты дочерних продуктов распада урана-238, образующиеся в измеряемом продукте и испытывающие комптоновское рассеяние в детекторе, а массовую долю урана-235 рассчитывают по формуле

где Е - массовая доля изотопа уран-235 в гексафториде урана;

α - градуировочная постоянная;

C₁ - количество зарегистрированных импульсов гамма-излучения урана-235 в области энергий 185,7 кэВ;

b - градуировочная постоянная;

C₂ - количество зарегистрированных импульсов фона в более высокоэнергетическом диапазоне.

Устройство, обеспечивающее контроль массовой доли изотопа уран-235 в гексафториде урана, находящегося в жидкой или твердой фазе, состоит из коллимированного сцинтилляционного детектора NaI(T1) с прибором SAM-II (Stabilized Assay Meter). Импульсы гамма-квантов анализируются двухканальным анализатором, одно окно которого настроено на область энергии 185,7 кэВ, а другое окно настроено на более высокоэнергетическую область. Градуировочные постоянные а и b вводятся в сигналы двухканального анализатора через цифровые умножители частоты. Реверсивный пересчетный прибор показывает разницу между масштабированными величинами С₁ и C₂, т.е. показывает массовую долю изотопа уран-235 в гексафториде урана.

Недостатком данного способа и устройства контроля массовой доли изотопа уран-235 в гексафториде урана является невозможность анализа массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана при низких давлениях (десятки мм рт.ст.).

Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана и система измерения для его осуществления [3], заключающийся в измерении в выбранном временном интервале интенсивности гамма-излучения урана-235, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана в измерительной камере, обработке результатов измерения методом скользящего среднего и определении содержания изотопа уран-235 в гексафториде урана по формуле

где α₁ - градуировочный коэффициент, определяемый при настройке прибора;

I_γ - интенсивность гамма-излучения урана-235;

Т - абсолютная температура гексафторида урана в камере;

р - давление гексафторида урана в камере.

Рассчитанное по формуле (с) значение массовой доли изотопа уран-235 относят к текущему времени, приходящемуся либо на срединную часть либо на окончание или начало временного интервала. Для подтверждения соответствия рассчитанного по формуле (с) содержания изотопа уран-235 в гексафториде урана реальному содержанию периодически ведут сравнение рассчитанного значения массовой доли изотопа уран-235 с эталонным, определенным с помощью масс-спектрометра и в случае расхождения результатов более чем на ±1% отн. корректируют расчетное соотношение (с) путем изменения градуировочного коэффициента α₁. Интенсивность гамма-излучения определяют с учетом фоновой составляющей под основным аналитическим пиком, характеризующим естественный альфа-распад изотопа уран-235, а измерение интенсивности ведется в энергетическом интервале 166-215 кэВ с автоподстройкой под энергию основного аналитического пика, для чего проводится измерение интенсивности гамма-излучения в энергетических подканалах 166-185,7 кэВ и 185,7-215 кэВ и формируется сигнал автоподстройки под энергию основного аналитического пика по относительной разнице интенсивности гамма-излучения в подканалах.

Способ осуществляют на системе контроля, содержащей измерительную камеру с патрубками впуска и выпуска, блок детектирования, датчики температуры и давления, контроллер со счетчиками электрических импульсов и анализатор гамма-спектра, адаптеры сигналов, внутреннюю информационную шину, блок сбора, управления и обработки информации, внешнюю интерфейсную сеть, вычислительную сеть управления и эталонный измеритель массовой доли изотопа уран-235 - масс-спектрометр. Измерительная камера подсоединена патрубками впуска и выпуска параллельно участку газового коллектора отборной линии обогащенного гексафторида урана каскада изотопно-разделительного завода, причем проводимость патрубка впуска больше проводимости патрубка выпуска. В самой камере создается проток гексафторида урана путем установки в газовом коллекторе между трассами впуска и выпуска измерительной камеры сужающего устройства.

Внутри камеры установлены блок детектирования на основе кристалла Nal(TI) с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ-49), цифровой микроманометр МЦ2 и термопреобразователь сопротивления платиновый. Блок детектирования регистрирует гамма-спектр фотонного излучения изотопа уран-235 и его дочерних изотопов, образующихся по цепочке радиоактивного распада урана-238 и присутствующих как в гексафториде урана, так и в составе коррозионных отложений на стенках измерительной камеры. На выходе блока формируется сигнал в виде электрических импульсов с амплитудой, пропорциональной энергии гамма-квантов, поступающий затем на вход дискриминаторов контроллера.

На дискриминаторах проводится выборка гамма-квантов по энергиям. В частности, на одном из дискриминаторов идет выборка с энергией 320-380 кэВ для определения фоновой составляющей под основным аналитическим пиком 185,7 кэВ. Другие дискриминаторы предназначены для определения интенсивности энергетической линии 185,7 кэВ, при этом энергетический интервал делится относительно линии 185,7 кзВ на два подканала - 166-185,7 кэВ и 185,7-215 кэВ. Количества импульсов подсчитывается счетчиками. На анализаторе идет сравнение количества квантов, подсчитанных на счетчиках, и по относительной разнице счета формируется сигнал автоподстройки ФЭУ на энергию 185,7 кэВ.

В блоке сбора, управления и обработки информации накапливается информация о скорости счета квантов, изменении давления и температуры гексафторида урана в измерительной камере за выбранный временной интервал. Одновременно со сбором информации в режиме реального времени проводится расчет массовой доли урана-235 по формуле (с). Рассчитанное значение по внешней интерфейсной сети передается в базу данных локальной вычислительной сети управления каскадной установкой. В эту же базу данных по внешней интерфейсной сети передается информация об эталонном значении массовой доли изотопа уран-235 в потоке гексафторида урана, полученном по результатам периодических измерений на масс-спектрометре, и информация о текущем времени отбора пробы в масс-спектрометр. На рабочей станции сети периодически определяется рассогласование рассчитанной по формуле (с) величины с результатами эталонного измерения. Если рассогласование становится больше установленного предельного отклонения (±1 отн. %), то на рабочей станции сети для согласования двух результатов пересчитывается градуировочный коэффициент, входящий в расчетную формулу (с).

Данный способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана и система измерения для его осуществления имеет ряд недостатков.

Во-первых, способ не предусматривает процедуру учета всех фоновых составляющих под основным аналитическим пиком с энергией 185,7 кэВ, характеризующим естественный альфа-распад урана-235, что приводит к дополнительной погрешности определения массовой доли урана-235. Известно, что состав фоновой величины гамма-фона под контролируемым пиком имеет сложную структуру и включает две составляющие, которые могут динамически меняться во времени:

- непрерывное распределение фона гамма-излучения, обусловленное продуктами распада урана и радиоактивными примесями, находящимися в коррозионных отложениях на стенках измерительной камеры; радиоактивными примесями, которые могут присутствовать в анализируемом гексафториде урана, а также гамма-излучением от внешних источников;

- фоновая интенсивность гамма-излучения от урана-235, обусловленная коррозионными отложениями на стенках измерительной камеры и ураном-235, находящемся во внешних источниках.

Известные способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана и система измерения для его осуществления [3], так же как и вышеописанные аналоги [1]-[2], позволяют учесть только одну непрерывную фоновую составляющую, обусловленную гамма-излучением продуктов распада урана, и только при работе разделительного завода на «чистом» гексафториде урана, не содержащем радиоактивных примесей.

Во-вторых, функционирование системы измерения массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана [3] невозможно без оперативного учета и устранения влияния во времени нестабильности характеристик использующегося в системе сцинтилляционного блока детектирования.

Неконтролируемые изменения коэффициента усиления фотоэлектронного умножителя, дрейф эффективности регистрации, зависимости световыхода кристалла от температуры, изменения, связанные со старением фотоэлектронного умножителя и др., приводят к смещению энергетической калибровки, уширению пиков, присутствующих в измеряемом спектре, и, как следствие, к снижению точности измерения. Описанная в прототипе автоподстройка под энергию основного аналитического пика урана-235 компенсирует только неконтролируемые изменения коэффициента усиления фотоэлектронного умножителя.

Известная система построена таким образом, что единственным способом учета остальных нестабильностей характеристик сцинтилляционных блоков детектирования является периодическая поддержка этой системы результатами анализа массовой доли урана-235 в гексафториде урана масс-спектрометром, входящим в ее состав, и подгонка расчетного значения (с) под результаты масс-спектрометрического анализа. Вероятно, таким же образом делается попытка учесть все составляющие фона под основным аналитическим пиком урана-235.

Возможно, для контроля массовой доли урана-235 в газовых потоках небольшого разделительного завода с упрощенной схемой технологического контроля допустимо наличие масс-спектрометра в каждой точке контроля, но экономически нецелесообразно и неприменимо в условиях сложной системы технологического контроля динамичной разделительной цепочки, имеющей разветвленную структуру и требующей множество точек контроля.

Задачей изобретения является создание такого способа и системы контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, которые позволяют учесть все фоновые составляющие под основным аналитическим пиком с энергией 185,7 кэВ, характеризующим естественный альфа-распад урана-235, определять массовую долю урана-235 как в «чистом» гексафториде урана, так и в гексафториде урана, содержащем радиоактивные примеси, устранить дополнительную погрешность измерений, связанную с нестабильностью характеристик блоков детектирования, снизить аппаратурные затраты при реализации системы контроля разветвленной технологической цепочки с множеством точек контроля массовой доли урана-235 в гексафториде урана с одновременным повышением точности измерений.

Указанные выше задачи решены тем, что в способе контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, включающем измерение в выбранном временном интервале интенсивности гамма-излучения урана-235, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана, непрерывно протекающего через измерительную камеру, и расчет массовой доли изотопа уран-235 по формуле

где C₅ - массовая доля изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, %;

α₁ - градуировочный коэффициент;

I_γ - интенсивность гамма-излучения урана-235, с^-1;

Т - абсолютная температура гексафторида урана в камере, К;

р - давление гексафторида урана в камере, Па,

измерение интенсивности гамма-излучения ведут с помощью цифровой гамма-спектрометрической системы на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия с относительной эффективностью регистрации в диапазоне (15÷80)%, при этом интенсивность гамма-излучения основного аналитического пика урана-235 с энергией 185,7 кэВ рассчитывают в энергетическом интервале ±(1,8÷5) полной ширины пика на половине высоты (ПШПВ) относительно его центроиды по формуле

где I_Σ - суммарная интенсивность гамма-излучения, определенная в выбранном энергетическом интервале, с^-1;

I_B - интенсивность непрерывной фоновой составляющей под пиком полного поглощения основного аналитического пика урана-235 с энергией 185,7 кэВ, определенная в выбранном энергетическом интервале и обусловленная продуктами распада урана и радиоактивными примесями, находящимися в коррозионных отложениях на стенках измерительной камеры; радиоактивными примесями, которые могут присутствовать в анализируемом гексафториде урана, а также гамма-излучением от внешних источников, с^-1;

I_Ф - фоновая интенсивность гамма-излучения от урана-235, обусловленная коррозионными отложениями на стенках измерительной камеры, определенная в выбранном энергетическом интервале от камеры без гексафторида урана, с^-1.

Поставленные задачи достигаются также тем, что энергетические интервалы для определения I_Σ и I_ф (границы пика) выбирают в зависимости от массовой доли изотопа уран-235 в анализируемом гексафториде урана, причем для гексафторида урана природного изотопного состава или с массовой долей изотопа уран-235 менее 0,711% границы пика выбирают в диапазоне ±(1,8÷2,5) ПШПВ симметричным относительно его центроиды, а для гексафторида урана с массовой долей изотопа уран-235 более 0,711% границы пика выбирают несимметричным в диапазоне (3,5÷5) ПШПВ слева и (1,8÷2,5) ПШПВ справа относительно его центроиды.

Кроме того, поставленные задачи достигаются также и тем, что интенсивность непрерывной фоновой составляющей I_B определяют аппроксимацией усредненных значений интенсивности непрерывного фонового распределения слева и справа от границ пика в областях с шириной (0,5÷1) ПШПВ с помощью кривой Гальтона; что для устранения составляющей фоновой интенсивности гамма-излучения от урана-235, обусловленной внешними источниками, измерительную камеру окружают защитой из свинца; что фоновую интенсивность гамма-излучения от урана-235 I_Ф, обусловленную коррозионными отложениями на стенках измерительной камеры, определяют или путем откачки гексафторида урана из измерительной камеры и измерения интенсивности гамма-излучения от пустой измерительной камеры или методом двух давлений, сущность которого заключается в измерении давления, температуры гексафторида урана и интенсивности гамма-излучения от гексафторида урана с одинаковой массовой долей изотопа уран-235 при двух различных давлениях газа и расчете I_Ф по формуле

где p₁, р₂ - первое и второе давление гексафторида урана, при котором измеряются интенсивности гамма-излучения, Па;

Т₁, T₂ - абсолютная температура гексафторида урана, определенная при первом (p1) и втором (р2) давлении гексафторида урана в измерительной камере соответственно, К;

I_Σ1, I_Σ2 - суммарная интенсивность гамма-излучения, определенная в выбранном энергетическом интервале при первом (p₁) и втором (р₂) давлении гексафторида урана в измерительной камере соответственно, с^-1;

I_B1, I_B2 - интенсивность непрерывной фоновой составляющей под пиком полного поглощения урана-235 с энергией 185,7 кэВ, определенная в выбранном энергетическом интервале при первом (p₁) и втором (р₂) давлении гексафторида урана в измерительной камере соответственно, с^-1.

Заявленный способ осуществляется через систему измерения массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, содержащую измерительные камеры с патрубками впуска и выпуска, подсоединенными к технологическим трубопроводам с гексафторидом урана, на которых между патрубками впуска и выпуска измерительных камер установлены расходомерные шайбы или подкачивающие компрессоры, или иные устройства, обеспечивающие перепад давления в технологических потоках газообразного гексафторида урана, дистанционно управляемые входные и выходные клапаны, установленные на патрубках впуска и выпуска, блоки детектирования, датчики температуры и давления, внутренние блоки сбора, управления и обработки информации, контроллеры гамма-спектра, внутренние информационные шины и магистрали информационного обмена. В систему дополнительно введены цеховые блоки сбора, управления и обработки информации, центральный блок сбора, управления и обработки информации, дистанционно управляемые откачные клапаны, клапаны отбора гексафторида урана и соединенные с ними пробоотборники, при этом цеховые блоки сбора, управления и обработки информации подключены по магистралям информационного обмена к внутренним блокам сбора, управления и обработки информации и к центральному блоку сбора, управления и обработки информации, контроллеры гамма-спектра выполнены в виде цифровых гамма-спектрометрических систем, блоки детектирования выполнены на основе полупроводниковых детекторов из особо чистого германия с относительной эффективностью регистрации в диапазоне (15÷80)%, которые установлены так, что кристаллы детекторов размещены в эффективных центрах измерительных камер, корпусы которых для уменьшения влияния внешнего гамма-фона, для устранения гамма-фона урана-235, находящегося во внешних источниках, а так же для уменьшения сорбции летучих фторидов продуктов деления урана изготовлены из коррозионно-стойкой стали и окружены защитой из свинца.

Таким образом, основной отличительной особенностью способа контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана и системы измерения для его реализации от известных является то, что измерение интенсивности гамма-излучения осуществляют с помощью цифровых гамма-спектрометрических систем на основе полупроводниковых детекторов из особо чистого германия со сверхстабильными спектрометрическими трактами, позволяющими учесть все фоновые составляющие под основным аналитическим пиком урана-235 с энергией 185,7 кэВ при определении массовой доли урана-235 в гексафториде урана, который может как содержать, так и не содержать радиоактивные примеси. Кроме того, интенсивность гамма-излучения основного аналитического пика урана-235 в отличие от известных способов определяют в различных энергетических интервалах в зависимости от массовой доли изотопа уран-235 в анализируемом гексафториде урана.

В результате отпадает необходимость в дополнительных методах стабилизации спектрометрических трактов и в дорогостоящих масс-спектрометрах. Кроме того, повышается точность измерений. Способ и реализующая его система измерения обеспечивают практическое отсутствие систематической погрешности при осуществлении сложной системы технологического контроля динамичной разделительной цепочки, имеющей разветвленную структуру и требующей множество точек контроля массовой доли урана-235 в гексафториде урана.

На фиг.1 представлена реализующая способ блок-схема системы контроля. Устройства А, входящие в систему, содержат измерительную камеру 1, блок детектирования 2 с полупроводниковым детектором из особо чистого германия 2а, цифровую гамма-спектрометрическую систему регистрации и обработки спектрометрической информации 3, датчики температуры 4 и давления 5 с адаптерами 6 и 7 соответственно, внутреннюю интерфейсную магистраль информационного обмена 8, внутренний блок сбора, управления и обработки информации 9, клапаны 10-13 с контроллером клапанов 14, клапан отбора гексафторида урана 15, пробоотборник 16. Несколько таких устройств объединяются по внешней интерфейсной магистрали информационного обмена 17 и образуют цеховую систему технологического контроля Б. Расходомерная шайба или подкачивающий компрессор, или иное устройство 18, установленное на технологическом трубопроводе с гексафторидом урана 19 в месте расположения измерительной камеры 1, обеспечивает необходимый для работы устройства А перепад давления гексафторида урана. Цеховые системы технологического контроля Б, соединенные через цеховые блоки сбора, управления и обработки информации 20 по центральной магистрали информационного обмена 21 с центральным блоком сбора, управления и обработки информации 22, образуют заводскую систему контроля обогащения гексафторида урана. Цеховые блоки сбора, управления и обработки информации могут полностью дублировать функции центрального блока сбора, управления и обработки информации, что обеспечивает высокую надежность и гибкость системы контроля. Центральный блок сбора 22 передает необходимую информацию в технологическую сеть управления разделительным каскадом 23.

Способ контроля массовой доли урана-235 в газовой фазе гексафторида урана осуществляют следующим образом.

Измерительная камера 1 из коррозионно-стойкой стали расположена на протоке гексафторида урана, проходящего через входной и выходной дистанционно управляемые клапаны 10 и 11 из технологического трубопровода 19. Для устранения влияния внешнего гамма-фона камера окружена защитой из свинца. В эффективном центре камеры 1 установлен полупроводниковый детектор из особо чистого германия 2а блока детектирования 2, который регистрирует гамма-излучение от гексафторида урана, находящегося в измерительной камере, и от коррозионных отложений на стенках измерительной камеры. На выходе блока детектирования формируется сигнал в виде электрических импульсов с амплитудой, пропорциональной энергии гамма-квантов, поступающий на вход цифровой гамма-спектрометрической системы 3, в которой объединены все системы, необходимые для оцифровки входного сигнала и высококачественного набора спектров - цифровой сигнальный процессор, источник высокого напряжения, цифровой стабилизатор, многоканальный анализатор и интерфейс связи с компьютером. В результате в цифровой гамма-спектрометрической системе 3 в течение заданного временного интервала измерения регистрируется спектр энергетического распределения гамма-квантов от гексафторида урана, который по внутренней интерфейсной магистрали информационного обмена 8 передается во внутренний блок сбора, управления и обработки информации 9. В блок 9 по внутренней интерфейсной магистрали 8 через адаптеры 6 и 7 также передается и накапливается информация о величинах давления и температуры гексафторида урана посредством установленных внутри камеры 1 платинового термометра сопротивления 4 и абсолютного вакуумметра 5. По окончании временного интервала измерения в блоке 9 производится расчет массовой доли изотопа уран-235 по формуле (с) с учетом формул (1) и (2). Градуировочный коэффициент α₁, входящий в расчетную формулу (с), определяется один раз при настройке системы, для чего производится отбор гексафторида урана через клапан 15 в пробоотборник 16 и его лабораторный анализ для определения массовой доли урана-235. Аналогично производится периодический контроль градуировочного коэффициента (не чаще одного раза в год).

Рассчитанное в блоке 9 значение массовой доли урана-235 в гексафториде урана передается в цеховый блок сбора, управления и обработки информации 20 и далее на центральный блок 22 посредством магистралей информационного обмена 17 и 21, где происходит накопление и отображение информации о значениях массовой доли урана-235 во всех точках контроля, находящихся в разных цехах разделительного производства. Центральный блок сбора 22 передает необходимую информацию в технологическую сеть управления каскадом 23.

Периодически производят определение фоновой интенсивности гамма-излучения от урана-235, обусловленной коррозионными отложениями на стенках измерительной камеры и внешним фоном, одним из двух способов следующим образом.

Примеры осуществления:

1. По команде с блока 9 контроллер 14 закрывает входной и выходной клапан 10 и 11, после чего открывает клапана 12 и 13, подсоединяя измерительную камеру к откачной линии. Производится удаление гексафторида урана из измерительной камеры. Затем производится измерение и расчет фоновой интенсивности гамма-излучения от урана-235, обусловленной коррозионными отложениями на стенках измерительной камеры в выбранном энергетическом интервале. После измерения контроллер 14 по команде с блока 9 закрывает клапана 12 и 13 и открывает клапана 10 и 11, обеспечивая проток гексафторида урана через измерительную камеру и определение массовой доли урана-235 по формуле (с) с учетом формулы (1) и рассчитанного значения фоновой интенсивности по результатам измерения откачанной камеры.

2. По команде с блока 9 контроллер 14 закрывает клапан 11 и через 5-10 минут после этого закрывает клапан 10. Производится измерение интенсивности гамма-излучения при первом давлении с одновременной регистрацией температуры и давления гексафторида урана. После этого контроллер 14 по команде с блока 9 открывает клапан 11 на время 5-10 минут, после чего клапан 11 закрывается и производится измерение интенсивности гамма-излучения при втором давлении с одновременной регистрацией температуры и давления гексафторида урана. После чего контроллер 14 по команде с блока 9 открывает клапана 10 и 11, обеспечивая проток гексафторида урана через измерительную камеру; одновременно в блоке 9 по результатам измерений интенсивности гамма-излучения при первом и втором давлении гексафторида урана в измерительной камере рассчитывается фоновая интенсивность гамма-излучения от урана-235, обусловленная коррозионными отложениями на стенках измерительной камеры по формуле (2), и используется в дальнейшем при расчетах массовой доли урана-235 в гексафториде урана по формуле (с) с учетом формулы (1).

Приведенные в качестве примера на фиг.2 результаты определения массовой доли урана-235 в гексафториде урана потока питания получены с одного из устройств, входящих в систему контроля обогащения гексафторида урана с использованием измерительной камеры объемом 25 дм³ из нержавеющей стали, цифровой гамма-спектрометрической системы на основе многоканального анализатора DSA2000 производства фирмы Канберра с полупроводниковым детектором из особо чистого германия с относительной эффективностью регистрации 25%, абсолютного датчика давления 626А фирмы Баратрон с относительной погрешностью 0,15% от измеряемого значения давления и термопреобразователя микропроцессорного ТСПУ Метран-276МП с относительной погрешностью 0,15%. Здесь же нанесены результаты специально проведенных масс-спектрометрических измерений массовой доли урана-235 в гексафториде урана с интервалом в один час. Расхождения с результатами масс-спектрометрического метода определения массовой доли урана-235 составляют не более 1% отн. для гексафторида урана природного изотопного состава. В обычном режиме работы параллельное определение массовой доли урана-235 в гексафториде урана технологических потоков, входящих в данную систему контроля обогащения гексафторида урана методами масс-спектрометрии, не проводится.

Использование заявляемых способа контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана и системы измерения для его реализации позволит оперативно реагировать на отклонения массовой доли изотопа уран-235 в технологических потоках гексафторида урана, снизить аппаратурные затраты при реализации сложных схем контроля массовой доли урана-235 в разветвленной технологической цепочке разделительных заводов за счет отказа от использования эталонных измерителей массовой доли изотопа уран-235 и увеличить точность определения массовой доли урана-235 в гексафториде урана за счет полного учета всех фоновых составляющих под основным аналитическим пиком урана-235 с энергией 185,7 кэВ и использования сверхстабильных блоков детектирования и цифровых гамма-спектрометрических систем.

Источники информации

1. Патент RU №2189612 С1, МПК 7 G01N 23/00, опубл. 20.09.2002.

2. R.B.Walton, T.D.Reily, J.L.Parker, J.H.Menzel, E.D.Marshall and L.W.Fields, "Measurement of UF₆ Cylinders with Portable Instruments", Nuclear Technology 21, 133 (1974).

3. Патент RU 2256963, C2, МПК G21C 17/06, G01N 23/00, опубл. 20.07.2005, Бюл. №20 (прототип).

Предложенная группа изобретений относится к анализу физических свойств ядерных материалов и предназначена для использования в системах оперативного контроля процесса обогащения гексафторида урана в разветвленной технологической цепочке разделительных заводов. Задачей изобретения является создание такого способа и системы контроля, которые позволяют учесть все фоновые составляющие, характеризующие естественный альфа-распад урана-235, устранить дополнительную погрешность измерений, связанную с нестабильностью характеристик блоков детектирования. Способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана включает в себя измерение в выбранном временном интервале интенсивности гамма-излучения урана-235, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана, непрерывно протекающего через измерительную камеру, и расчет массовой доли изотопа уран-235. Измерение интенсивности гамма-излучения ведут с помощью цифровой гамма-спектрометрической системы на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия, при этом интенсивность гамма-излучения основного аналитического пика урана-235 с энергией 185,7 кэВ в энергетическом интервале ±(1,8÷5) полной ширины пика на половине высоты (ПШПВ) относительно его центроиды определяют расчетным путем. Указанный способ реализуется при помощи соответствующего устройства. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, включающий измерение в выбранном временном интервале интенсивности гамма-излучения урана-235, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана, непрерывно протекающего через измерительную камеру, и расчет массовой доли изотопа уран-235, отличающийся тем, что измерение интенсивности гамма-излучения ведут с помощью цифровой гамма-спектрометрической системы на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия, при этом интенсивность гамма-излучения основного аналитического пика урана-235 с энергией 185,7 кэВ рассчитывают в энергетическом интервале ±(1,8÷5) полной ширины пика на половине высоты (ПШПВ) относительно его центроиды по формуле

I_γ=I_Σ-I_B-I_Ф,

где I_γ - интенсивность гамма-излучения основного аналитического пика урана-235, определенная в выбранном энергетическом интервале, с^-1;

I_Σ - суммарная интенсивность гамма-излучения, определенная в выбранном энергетическом интервале, с^-1;

I_B - интенсивность непрерывной фоновой составляющей под основным аналитическим пиком урана-235, определенная аппроксимацией с помощью кривой Гальтона усредненных значений интенсивности непрерывного фонового распределения слева и справа от выбранного энергетического интервала для определения I_Σ в областях с шириной (0,5÷1) ПШПВ и обусловленная продуктами распада урана и радиоактивными примесями, находящимися в коррозионных отложениях на стенках измерительной камеры, радиоактивными примесями, которые могут присутствовать в анализируемом гексафториде урана, а также гамма-излучением от внешних источников, с^-1;

I_Ф - фоновая интенсивность гамма-излучения от урана-235, обусловленная коррозионными отложениями на стенках измерительной камеры, определенная в выбранном энергетическом интервале от камеры без гексафторида урана, с^-1,

причем для гексафторида урана природного изотопного состава или с массовой долей изотопа уран-235 менее 0,711% энергетические интервалы для определения I_Σ и I_Ф выбирают в диапазоне ±(1,8÷2,5) ПШПВ симметричными относительно центроиды основного аналитического пика гамма-излучения урана-235, а для гексафторида урана с массовой долей изотопа уран-235 более 0,711% энергетические интервалы для определения I_Σ и I_Ф выбирают несимметричными в диапазоне (3,5÷5) ПШПВ слева и (1,8÷2,5) ПШПВ справа относительно центроиды основного аналитического пика гамма-излучения урана-235.

где p₁, p₂ - первое и второе давления гексафторида урана, при которых измеряются интенсивности гамма-излучения, Па;

T₁, Т₂ - абсолютная температура гексафторида урана, определенная при первом (p₁) и втором (р₂) давлениях гексафторида урана в измерительной камере соответственно, К;

I_Σ1, I_Σ2 - суммарная интенсивность гамма-излучения, определенная в выбранном энергетическом интервале при первом (p₁) и втором (р₂) давлениях гексафторида урана в измерительной камере соответственно, с^-1;

I_B1, I_B2 - интенсивность непрерывной фоновой составляющей под основным аналитическим пиком урана-235, определенная в выбранном энергетическом интервале при первом (p₁) и втором (р₂) давлениях гексафторида урана в измерительной камере соответственно, с^-1.