СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫГОРАНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G21C17/06 

Изобретение относится к области измерений ядерных излучений, конкретно для осуществления контроля выгорания в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) и может быть использовано при контроле выгорания топлива на предприятиях, хранящих или ведущих работы с ОЯТ с целью повышения производительности технологического цикла переработки ОЯТ за счет оптимальной комплектации. Знание выгорания отработавшего топлива АЭС необходимо также для разработки и осуществления гарантий МАГАТЭ.

Одной из основных проблем аналитического контроля в ядерном топливном цикле является разработка методов определения выгорания с необходимой точностью и экспрессностью. В большинстве случаев прямое измерение выгорания ядерного топлива невозможно. Для осуществления контроля выгорания ядерного топлива известны несколько способов. Определение выгорания по изменению изотопного состава топлива с использованием расчетных выражений (метод тяжелых атомов) (Определение выгорания топлива в реакторе ВВЭР. / Габескирия В.Я. и др. // Атомная энергия, - 1977. - Т.43, вып.4 - С.240). Недостаток метода - необходимость использования нейтронно-физических и ядерных констант. Определение выгорания по измерению отношения числа атомов продукта деления (монитора выгорания) к числу тяжелых атомов в растворенном образце твэла. По содержанию радионуклида цезий-137 (Определение выгорания и изотопного состава отработавшего топлива ВВЭР-365. / Степанов А.В. и др. // Атомная энергия, - 1980. - Т.49, вып.4 - С.225.) или неодим-148 в топливе (Определение выгорания и изотопного состава отработавшего топлива ВВЭР-440. / Степанов А.В., Макарова Т.П., Бибичев Б.А. и др. // Атомная энергия, - 1983. - Т.55, вып.3, с.141-146.)

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа настоящего изобретения, по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ измерения выгорания топлива в тепловыделяющей сборке (ТВС) гамма-спектрометрическим методом, заключающийся в том, что ТВС перемещают перед коллиматором, и в нескольких точках по высоте измеряют спектры гамма-излучения продуктов деления, и определяют выгорание по массовой доле радионуклида цезий-137 в облученном уране (Измерение выгорания топлива в ТВС ВВЭР-365 и ВВЭР-440 гамма-спектрометрическим методом. / Бибичев Б.А., Майоров В.П., Протасенко Ю.М. и др. // Атомная энергия, - 1982. - Т.53, вып.4, с.222-224.)

В том же источнике описано устройство для осуществления способа, наиболее близкое предлагаемому, которое содержит блок детектирования, узел сканирования ТВС, трехсекционный щелевой коллиматор, у которого первая секция расположена внутри защитной камеры.

Описанные способ и устройство обладают следующими недостатками.

Необходимо проводить измерения в режиме сканирования по высоте активной зоны измеряемой ТВС, что требует перемещения ТВС и приводит к увеличению времени измерения и существенно усложняет конструкцию измерительной установки при разработке промышленного образца.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности и экспрессности определения выгорания в ОЯТ в промышленном масштабе.

Для получения указанного технического результата в заявленном способе определения выгорания топлива в ТВС гамма-спектрометрическим методом, заключающемся в прямых измерениях потока излучения, испускаемого поверхностью ТВС, и в определении выгорания по удельному содержанию радионуклида цезий-137 в облученном уране, согласно предлагаемому техническому решению процесс определения выгорания совмещают с процессом разгрузки чехлов с ТВС из транспорта, при этом чехол с ТВС фиксируют так, чтобы центр активной зоны ТВС находился на оси блока детектирования. Затем поток гамма-излучения, испускаемый всей активной зоной ТВС, пропускают через коллиматор, у которого входное отверстие обеспечивает проекцию всей активной зоны ТВС на входное окно блока детектирования. Затем поток гамма-излучения пропускают через ослабляющий фильтр и измеряют спектр гамма-излучения фотонов, попадающих на поверхность входного окна блока детектирования, в одном зафиксированном положении чехла с ТВС. По пику полной энергии радионуклида цезий-137 с энергией 662 кэВ определяют удельное содержание цезия-137 в уране.

Техническим результатом является существенное повышение экспрессности определения выгорания топлива в ТВС в промышленном масштабе, повышение производительности переработки ОЯТ за счет оптимальной комплектации партий ТВС по содержанию урана и вследствие этого увеличение загрузки аппарата-растворителя при соблюдении условий ядерной безопасности, а также упрощение конструкции измерительной установки.

Существенными признаками изобретения в способе определения выгорания являются:

- регистрация гамма-излучения от всего объема активной зоны облученных ТВС, упакованных в транспортном чехле;

- совмещение процесса определения выгорания с процессом разгрузки чехлов с ТВС из транспорта;

- фиксация чехла с ТВС так, чтобы центр активной зоны ТВС находился на оси блока детектирования;

- пропускание потока гамма-излучения, испускаемого всей активной зоной ТВС, через коллиматор, у которого входное отверстие обеспечивает проекцию всей активной зоны ТВС на входное окно блока детектирования;

- пропускание потока гамма-излучения через ослабляющий фильтр;

- измерение спектра гамма-излучения в одном зафиксированном положении чехла с ТВС.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения от наиболее близкого технического решения являются:

- регистрация гамма-излучения от всего объема активной зоны облученных ТВС, упакованных в транспортном чехле;

- совмещение процесса определения выгорания с процессом разгрузки чехлов с ТВС из транспорта;

- фиксация чехла с ТВС так, чтобы центр активной зоны ТВС находился на оси блока детектирования;

- пропускание потока гамма-излучения, испускаемого всей активной зоной ТВС, через коллиматор, у которого входное отверстие обеспечивает проекцию всей активной зоны ТВС на входное окно блока детектирования;

- пропускание потока гамма-излучения через ослабляющий фильтр;

- измерение спектра гамма-излучения, попадающего на поверхность входного окна блока детектирования, в одном зафиксированном положении чехла с ТВС.

Указанные признаки обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Для достижения технического результата предлагаемое устройство, в отличие от известного, дополнительно снабжено ослабляющим фильтром гамма-излучения, расположенным перед поверхностью входного окна блока детектирования, и единым защитным моноблоком, который выполняет функции коллиматора и защиты блока детектирования, при этом отверстие коллиматора выполнено в виде проходки в защитном моноблоке, а также исполнительным механизмом мостового крана, который фиксирует чехол с ТВС неподвижно в одном положении относительно блока детектирования.

Отличительными признаками устройства являются:

- ослабляющий фильтр гамма-излучения, расположенный перед поверхностью входного окна блока детектирования;

- единый защитный моноблок, который выполняет функции коллиматора, защиты блока детектирования, при этом отверстие коллиматора выполнено в виде проходки в защитном моноблоке;

- исполнительный механизм мостового крана, который фиксирует чехол с ТВС неподвижно в одном положении относительно блока детектирования.

Указанные признаки обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

Фиг.1 - блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа

1 - исполнительный механизм мостового крана,

2 - чехол с ТВС в зоне контроля,

3 - активная зона ТВС,

4 - ось блока детектирования,

5 - коллиматор,

6 - входное отверстие коллиматора,

7 - входное окно блока детектирования,

8 - блок детектирования,

9 - ослабляющий фильтр, расположенный стационарно в защитном моноблоке,

10 - защитный моноблок.

Фиг.2 - спектр гамма излучения ТВС

1 - пик полной энергии цезия-137 с энергией 662 кэВ,

2 - рассеянное на фильтре излучение с энергией 662 кэВ (энергия рассеянных фотонов меньше 662 кэВ),

3 - пики кобальта-60 с энергиями 1173 и 1332 кэВ, обусловленные активацией конструкционных материалов, и пик с энергией 1324 кэВ, обусловленный наложением сигналов от фотонов с энергией 662 кэВ.

Фиг.3 и Фиг.4 - Зависимость удельного содержания радионуклида цезий-137 от выгорания.

Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности.

В исходном состоянии, когда чехол с ТВС в зоне контроля отсутствует, измеряют гамма-спектр фона в энергетическом интервале от 0 до 1500 кэВ.

Время измерения гамма-спектра задается по «живому» времени с аппаратным учетом просчетов гамма-спектрометрического тракта.

При разгрузке транспорта перед отправкой на хранение каждый чехол с TBC фиксируют в исполнительном механизме мостового крана и устанавливают так, чтобы центр активной зоны ТВС находился на оси блока детектирования, пропускают поток гамма-излучения, испускаемый всей активной зоной ТВС, через коллиматор с входным отверстием, обеспечивающим проекцию всей активной зоны ТВС на входное окно блока детектирования. Затем поток гамма-излучения пропускают через ослабляющий фильтр, расположенный стационарно в защитном моноблоке перед поверхностью входного окна, и измеряют спектр гамма-излучения фотонов, попадающих на поверхность входного окна блока детектирования. Наличие в спектре рассеянного и тормозного излучений (2) (фиг.2) ослабляющего фильтра при этом не влияет на формирование пика полной энергии (1) цезия-137 (Ej=662 кэВ). Длительность однократного измерения не превышает 5 мин.

Процесс разгрузки и измерения спектра гамма-излучения фотонов повторяют до тех пор, пока все чехлы с ТВС, находящиеся в транспорте, не будут измерены и отправлены на хранение.

Далее выполняют следующие вычисления:

- вычисляют скорость счета в пике 662 кэВ цезия-137 в гамма-спектрах фона и контролируемых чехлах с ТВС;

- вычисляют удельное содержание цезия-137 в топливе, кг/тU исходного, контролируемого чехла с ТВС на дату измерений в соответствии с формулой

где С_K и С₀ - среднее удельное содержание цезия-137, находящегося соответственно в контролируемом и образцовом чехле с ТВС, кг/тU исходного. Величину С₀ устанавливают при градуировке после ввода в эксплуатацию;

I₀ и I_K - скорости счета гамма-квантов в пике 662 кэВ цезия-137 от образцового и контролируемого чехла с ТВС. Величину I₀ устанавливают при градуировке после ввода в эксплуатацию;

F_k - коэффициент, учитывающий различие конструкций ТВС, устанавливают при градуировке после ввода в эксплуатацию.

Если образцовый и контролируемый чехол с ТВС одного типа, то F_K=1. В противном случае значение коэффициента F_K может быть больше или меньше единицы в зависимости от типа образцовой и контролируемой ТВС;

- вычисляют выгорание топлива в контролируемом чехле с ТВС по удельному содержанию цезия-137 в соответствии с формулой

где М - средняя молярная масса разделившихся ядер;

Y - эффективный выход цезия-137 для смеси разделившихся ядер;

N - число Авогадро;

С_K - среднее удельное содержание цезия-137, находящегося в контролируемом чехле с ТВС, кг/тU исходного.

На фиг.3 и фиг.4 приведены зависимости удельного содержания цезия-137 от выгорания топлива с исходным обогащением 3,6% и 4,4% соответственно.

Предлагаемое устройство определения выгорания (фиг.1), осуществляющее способ, содержит исполнительный механизм мостового крана (1), чехол с ТВС (2), активную зону ТВС (3), ось блока детектирования (4), коллиматор (5), входное отверстие коллиматора (6), входное окно блока детектирования (7), блок детектирования (8), ослабляющий фильтр (9), расположенный стационарно в защитном моноблоке (10).

В качестве блока детектирования могут применяться сцинтилляторы NaI(Tl), CsI с фотоэлектронным умножителем или полупроводниковый детектор. Объем сцинтиллятора составляет от 50 до 150 см³. Ослабляющий фильтр установлен перед входным окном блока детектирования.

Диаметр проекции входного отверстия коллиматора на позиции измерения чехла (фиг.1) рассчитывают в соответствии с формулой

где D - диаметр проекции;

d_k - диаметр коллиматора;

L - расстояние между измеряемым чехлом и входным отверстием коллиматора;

l_k - расстояние между входным отверстие коллиматора и входным окном детектора.

Устройство работает следующим образом.

При разгрузке транспорта перед отправкой на хранение каждый контролируемый чехол с ТВС фиксируют в исполнительном механизме мостового крана (1) и устанавливают так, чтобы центр активной зоны ТВС (3) находился на оси (4) блока детектирования. Поток гамма-излучения, испускаемый всей активной зоной (3) ТВС, проходит через коллиматор (5) с входным отверстием (6), который обеспечивает проекцию всей активной зоны (3) ТВС на входное окно (7) блока детектироваиия (8). Затем поток гамма-излучения проходит через ослабляющий фильтр (9), расположенный стационарно в защитном моноблоке (10) перед поверхностью входного окна (7) блока детектирования (8).

Гамма-излучение, попадающее на поверхность входного окна (7) блока детектирования (8), регистрируется в виде спектра (фиг.2).

Примеры осуществления способа.

Контроль выгорания топлива производили в железнодорожно-транспортном коридоре при выгрузке чехлов с ТВС из вагонов-контейнеров.

Детектор NaI(Tl) диаметром 40 мм был установлен в защитном моноблоке. На детектор проецировали всю активную зону ТВС, находящихся в чехле. Для уменьшения загрузки сцинтилляционного детектора перед блоком детектирования был установлен ослабляющий свинцовый фильтр толщиной 70 мм. Расстояние от детектора гамма-излучения до контролируемого чехла с ТВС 9 м и толщина свинцового фильтра 70 мм выбраны таким образом, чтобы загрузка детектора гамма-излучения не превышала 3·10⁴ с^-1 при максимально возможном выгорании топлива в ТВС, что обеспечило оптимальную скорость счета при измерениях.

Измеряли спектр гамма-излучения фотонов, попадающих на поверхность входного окна блока детектирования, в одном зафиксированном положении чехла с ТВС и по пику полной энергии радионуклида цезия-137 с энергией 662 кэВ определяли удельное содержание цезия-137 в облученном уране. Определяли выгорание в контролируемом чехле с ТВС.

В различных чехлах ТВС с исходным обогащением 3,6% удельное содержания цезия-137 составило от 1,0 до 1,5 кг/тU исходного, а соответствующее выгорание топлива составило от 27 до 40 ГВт·сут/тU (фиг.3).

В различных чехлах ТВС с исходным обогащением 4,4% удельное содержания цезия-137 составило от 40 до 50 кг/тU исходного, а соответствующее выгорание топлива составило от 1,5 до 1,9 ГВт·сут/тU (фиг.4).

Таким образом, в отличие от прототипа существенно повышена экспрессность определения выгорания ОЯТ.

Контроль выгорания топлива в чехлах с ТВС повысил производительность переработки ОЯТ за счет оптимальной комплектации партий ТВС по содержанию урана-232, урана-235, урана-236 и вследствие этого увеличили загрузку аппарата-растворителя при соблюдении условий ядерной безопасности.

Использование: атомная промышленность, конкретно для осуществления контроля выгорания в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) и может быть использовано при контроле выгорания топлива на предприятиях, хранящих или ведущих работы с ОЯТ, с целью повышения производительности технологического цикла переработки ОЯТ за счет оптимальной комплектации. При измерении выгорания топлива в ТВС гамма-спектрометрическим методом процесс определения выгорания совмещают с процессом разгрузки чехлов с ТВС из транспорта, при этом чехол с ТВС фиксируют так, чтобы центр активной зоны ТВС находился на оси блока детектирования. Поток гамма-излучения, испускаемый всей активной зоной ТВС, пропускают через коллиматор. Затем пропускают поток гамма-излучения через ослабляющий фильтр и измеряют спектр гамма-излучения фотонов. По пику полной энергии радионуклида цезий-137 с энергией 662 кэВ определяют удельное содержание цезия-137 в уране. Устройство определения выгорания в отработавшем ядерном топливе снабжено исполнительным механизмом мостового крана, ослабляющим фильтром гамма-излучения, а коллиматор и защита блока детектирования выполнена как единый защитный моноблок, при этом отверстие коллиматора выполнено в виде проходки в защитном моноблоке, а исполнительный механизм мостового крана фиксирует чехол с ТВС неподвижно в одном положении относительно блока детектирования.

Изобретение позволяет быстро определять выгорание топлива в ТВС в промышленных масштабах, повысить производительность переработки ОЯТ за счет оптимальной комплектации партий ТВС по содержанию урана, а также упростить конструкцию измерительной установки. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения выгорания отработавшего ядерного топлива, включающий прямые измерения потока излучения, испускаемого поверхностью тепловыделяющей сборки (ТВС), и определение выгорания по удельному содержанию радионуклида цезий-137 в облученном уране, отличающийся тем, что гамма-излучение регистрируют от всего объема чехла с размещенными в нем облученными ТВС тепловыделяющих элементов через коллиматор с входным отверстием, обеспечивающим проекцию всей активной зоны ТВС на входное окно блока детектирования, пропускают поток гамма-излучения через ослабляющий фильтр, измеряют спектр гамма-излучения фотонов, попадающих на поверхность входного окна блока детектирования, в одном зафиксированном положении чехла с ТВС и по пику полной энергии радионуклида цезия-137 с энергией 662 кэВ определяют удельное содержание цезия-137 в уране.2. Устройство для определения выгорания в отработавшем ядерном топливе, содержащее блок детектирования, коллиматор и защиту блока детектирования, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено исполнительным механизмом мостового крана, ослабляющим фильтром гамма-излучения, расположенным стационарно перед поверхностью входного окна блока детектирования, а коллиматор и защита блока детектирования выполнены как единый защитный моноблок, при этом отверстие коллиматора выполнено в виде проходки в защитном моноблоке, а исполнительный механизм мостового крана фиксирует чехол с ТВС неподвижно в одном положении относительно блока детектирования.