УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРОНОГРАФИИ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ И СПОСОБ НЕЙТРОНОГРАФИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2016 года по МПК C09K11/02 

Настоящее изобретение относится к области неразрушающего исследования излучающих объектов с использованием нейтронографии.

Нейтронография представляет собой способ неразрушающего исследования, аналогичный по своему принципу радиографии с использованием рентгеновского излучения. Регулируемый пучок нейтронов из источника используется для создания изображения за счет прозрачности исследуемого объекта.

Традиционная нейтронографическая установка представлена схематически на фиг. 1, которая иллюстрирует источник нейтронов S_N, помещенный в замедляющую среду, которая предназначена для уменьшения энергии производимых нейтронов. Входное окно коллиматора C, который регулирует пучок, расположено на расчетном расстоянии от данного источника. На этом чертеже представлен коллиматор, имеющий расширяющуюся форму. Коллиматор оборудован фильтром F, изготовленным из материала, который предназначен, чтобы действовать в качестве барьера для гамма-излучения, которое может сопровождать поток нейтронов. Коллиматор включает в себя внутренние стенки, которые поглощают нейтроны, и газообразный наполнитель, который является прозрачным для нейтронов. На выходе из коллиматора нейтроны взаимодействуют с исследуемым объектом Ob, проходят через него и поглощаются детектором Dect для формирования изображения. Использование замедляющего элемента, по существу, является необходимым, принимая во внимание, что, как правило, нейтронные источники излучают спектр быстрых нейтронов, которые очень редко оказываются подходящими для нейтронографии. Нейтроны затем необходимо замедлять в среде, так называемой замедляющей, которая окружает источник быстрых нейтронов. К сожалению, данный способ приводит к значительным потерям интенсивности, потому что замедляющая среда не является полностью прозрачной для нейтронов и в ней всегда происходят паразитные захваты нейтронов. В замедляющей среде нейтроны замедляются посредством последовательных столкновений, которые сопровождаются передачей энергии атомам данной среды.

Таким образом, анализируемый объект, через который проходит нейтронный поток, производит изображение, которое является специфическим для него. По существу, взаимодействие нейтронов с материалом характеризуют явления рассеяния и поглощения. Нейтроны имеют, в частности, способность обнаружения атомов водорода в среде через металлические конструкции, и анализ можно осуществлять посредством пространственного и временного ослабления пучка нейтронов.

Исследовательские ядерные реакторы, которые производят очень мощные нейтронные потоки, представляют собой установки, которые наилучшим образом приспособлены для осуществления нейтронографических исследований очень высокого качества. По существу, они занимают очень важное место среди установок, предназначенных для осуществления неразрушающих исследований.

Поскольку нейтроны представляют собой косвенно ионизирующие частицы, их непосредственное обнаружение является весьма затруднительным. Чтобы преодолеть данный недостаток, в детекторе используется материал, имеющий очень большое сечение (вероятность взаимодействия) для захвата нейтрона в целях обеспечения высокой эффективности, причем данный захват сопровождается вторичной передачей ионизирующих частиц, которые могут возбуждать традиционные детекторы, такие как фотопленки и сцинтилляторы (материалы, излучающие свет после взаимодействия с ионизирующим излучением (фотон или заряженная частица). По существу, свет от сцинтилляции производится не только посредством поглощения, но также посредством других типов взаимодействий с ионизирующим излучением, таких как, например, рассеяние.

В ядерной области существуют нейтронографические установки двух типов: нейтронография в реакторном топливном бассейне, где нейтронографическая система установлена на минимальном возможном расстоянии от активной зоны реактора непосредственно внутри бассейна (это погружаемая система, примеры которой представляют нейтронографическая система OSIRIS во Франции или система HFR в городе Петтен, Нидерланды), и нейтронография за пределами реактора, в которой пучок нейтронов извлекают из реактора для образования пучка, выходящего из реакторного топливного бассейна (пример представляет собой нейтронографическую систему ORPHEE).

OSIRIS представляет собой экспериментальный реактор, тепловая мощность которого составляет 70 МВт. Реактор этого типа имеет бассейн с легкой водой и открытой активной зоной, и его основная задача заключается в том, чтобы проводить исследования и облучать топливные элементы и конструкционные материалы для имеющих высокую мощность атомных электростанций высоким потоком нейтронов, а также чтобы производить радиоактивные элементы.

В случае исследования облученных топливных элементов соответствующая нейтронографическая система представляет собой нейтронографию при погружении по очевидным причинам, связанным с излучающей природой исследуемого объекта.

Строгие ограничения, связанные с данным типом нейтронографии высокоизлучающих объектов при погружении в реакторный топливный бассейн, связаны с типом детектора, используемого для формирования нейтронографического изображения. Вследствие радиоактивной среды система должна быть нечувствительной к гамма-излучению таким образом, чтобы только сохранять полезный сигнал (взаимодействия с тепловыми нейтронами). В настоящее время устройство, используемое в рамках системы OSIRIS для осуществления нейтронографического анализа и установленное на дно бассейна, состоит из трех основных частей:

- пирамидальный коллиматор, вершина которого является слегка усеченной, где установлена плита из алюминиевого сплава, образующая область входа для нейтронов;

- камера, расположенная сзади коллиматора, в которой помещается исследуемый объект;

- подложка, расположенная сзади камеры, содержит металлическую кассету, в которой находится преобразователь, способный преобразовывать нейтронный поток в бета-излучение. Эта кассета выполняет функцию изолирующего резервуара по отношению к нейтронному преобразователю, предназначенному для погружения в процессе фазы облучения.

Вся конструкция является подвижной и перемещается вперед или назад, приближаясь или удаляясь от активной зоны реактора. Данная технология называется термином «переносная технология», потому что радиографическое изображение формируется при выполнении двух последовательных операций:

- облучение преобразователя;

- экспонирование фотопленки после переноса кассеты за пределы бассейна для получения изображения бета-излучающей активности преобразователя.

Таким образом, данный способ, который позволяет только сохранять нейтронный сигнал, основан на получении изображения в два этапа после переноса части системы за пределы реакторного топливного бассейна: активируемый преобразователь открыт нейтронному потоку после исследуемого объекта, затем данный преобразователь переносят за пределы бассейна, чтобы получать изображение его активности (бета- активности), которая производит изображение при передаче поглощения нейтронов исследуемого объекта. Он предоставляет преимущества, будучи пригодным для исследования объекта в непосредственной близости от активной зоны без извлечения его из бассейна и способным производить изображение высокорадиоактивных объектов, потому что фотопленка никогда не находится вблизи этих объектов. Таким образом, облученные топливные стержни в экспериментальном устройстве OSIRIS можно исследовать посредством нейтронографии до и после облучения, что позволяет изменять состояние топлива и наблюдать эффект облучения.

Тем не менее, для систем, которые позволяют производить нейтронографические изображения в таких условиях, требуется использование системы, которая позволяет переносить за пределы реакторного топливного бассейна кассету для облучения из материала типа алюминиевого сплава или другого (активируемого) металлического материала. Активация этой кассеты налагает строгие ограничения на процесс измерения (сигнал обратной связи от эксперимента OSIRIS): продолжительность обслуживания и дозиметрия для оператора.

Кроме того, для используемых в настоящее время способов нейтронографии посредством переноса требуется установка первичных преобразователей, которые преобразуют нейтроны в остаточное бета-излучение, на второй системе, которая обеспечивает формирование изображения (радиографическая пленка или радиолюминесцентный экран с с длительным послесвечением), включая необходимость приведения двух элементов в наиболее идеальный возможный контакт, чтобы оптимизировать разрешение изображения (использование вакуумной камеры и т. д.), и оператор должен выполнять многочисленные операции по обслуживанию.

Именно по этой причине, в более общем контексте исследования неразрушающими средствами излучающих объектов с использованием нейтронографии, один объект настоящего изобретения представляет собой устройство нового типа, предназначенное для погружения в целях осуществления операций для неразрушающего исследования путем усовершенствованной нейтронографии образцов, в частности, облученного ядерного топлива.

Настоящее изобретение может преимущественно относиться к нейтронографии при погружении в реакторный топливный бассейн (в частности, в целях применения в будущей нейтронографической системе реактора им. Жюля Горовица (RJH)) путем создания устройства, которое позволяет получать нейтронографическое изображение высокого разрешения, в среде с высоким нейтронным потоком и высоким потоком гамма-излучения, в реакторном топливном бассейне, с использованием системы, которую можно переносить за пределы бассейна, гарантируя при этом минимальную активацию связанных с ней конструкций, таким образом, чтобы обеспечивать наилучшую противорадиационную защиту оператора, который обслуживает вышеупомянутую переносную нейтронографическую систему.

Более конкретно, первый объект настоящего изобретения представляет собой устройство, предназначенное для использования в нейтронографии при погружении в среду, содержащую анализируемые образцы, отличающееся тем, что оно включает в себя первый преобразователь, включающий в себя первый материал, способный преобразовывать нейтронное излучение в остаточное бета-излучение, и второй преобразователь, включающий в себя второй материал, способный преобразовывать остаточное бета-излучение в световое излучение, причем вышеупомянутый второй преобразователь находится в постоянном контакте с вышеупомянутым первым преобразователем.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения вышеупомянутое устройство дополнительно включает в себя подложку, включающую в себя гидрированные компоненты, на которой расположены вышеупомянутый первый и второй преобразователи, причем вышеупомянутая подложка является прозрачной для светового излучения.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения первый материал включает в себя диспрозий.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения вышеупомянутый второй преобразователь содержит сцинтилляционный материал, который представляет собой соединение, содержащее гадолиний, которое может быть типа Gd₂O₂S (Tb), то есть оно может быть легировано тербием.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения сцинтилляционный материал смешивают с органическим связующим веществом.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения толщина первого преобразователя составляет приблизительно 100 мкм.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения толщина второго преобразователя составляет приблизительно 10 мкм.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения прозрачная подложка, включающая в себя гидрированные компоненты, является типа полиметилметакрилата, может иметь толщину, составляющую приблизительно несколько миллиметров.

Второй объект настоящего изобретения представляет собой герметичную систему, включающую в себя резервуар, герметичный для вышеупомянутой среды, содержащую устройство согласно настоящему изобретению.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения резервуар изготовлен из материала с низкой активацией нейтронным потоком, который может представлять собой алюминиевый сплав.

Третий объект настоящего изобретения представляет собой способ нейтронографии при погружении в среду с использованием герметичной системы согласно настоящему изобретению, отличающийся тем, что он включает следующие этапы:

- погружение вышеупомянутой герметичной системы в жидкую среду, содержащую анализируемые образцы;

- облучение вышеупомянутой системы потоком нейтронов;

- извлечение вышеупомянутой системы из вышеупомянутой жидкой среды;

- извлечение вышеупомянутого герметичного резервуара;

- регистрация сцинтилляции, производимой вторым преобразователем.

Преимущественно сам анализируемый объект не находится непосредственно в жидкой среде, которая может представлять собой воду, но помещается в камеру, расположенную между концом коллиматора и кассетой для облучения. Эту камеру заполняют сжатым воздухом, чтобы удалить воду.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения анализируемые образцы представляют собой ядерное топливо, облученное или необлученное в случае нейтронографических исследований, осуществляемых перед облучением. Настоящее изобретение будет более понятным, и другие его преимущества окажутся очевидными после ознакомления с последующим описанием, которое представлено посредством неограничительного примера, сопровождаемого чертежами, в числе которых:

- фиг. 1 иллюстрирует нейтронографическое устройство согласно предшествующему уровню техники;

- фиг. 2 иллюстрирует герметичную систему согласно настоящему изобретению, которая включает в себя первый преобразователь и второй преобразователь;

- фиг. 3 иллюстрирует этап регистрации сцинтилляции, производимой вторым преобразователем в способе нейтронографии согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение будет описано в рамках нейтронографического анализа излучающих объектов в реакторном топливном бассейне, но его также можно применять в случае неразрушающего исследования образцов, погруженных в среду.

Фиг. 2 иллюстрирует один пример устройства, используемого согласно настоящему изобретению и предназначенного для погружения в бассейн реактора, производящего нейтроны. Данное устройство включает в себя первый преобразователь C1 и второй преобразователь C2 в контакте с первым преобразователем. Согласно данному примеру второй преобразователь находится на поверхности подложки S3. Когда поток нейтронов F_N проходит через все устройство, он встречает захватывающие нейтроны центры P1 в первом материале первого преобразователя, захватывающие нейтроны центры P2 во втором материале второго преобразователя C2 и замедляющие нейтроны центры P3 в материале подложки S3.

Материал первого преобразователя является таким, что он способен производить остаточное бета-излучение, время затухания которого составляет, как правило, несколько часов.

С первым преобразователем находится в тесном контакте второй преобразователь (сцинтиллятор) бета-излучения в световое излучение, который, кроме того, обладает высокой способностью поглощения нейтронов. Данный второй преобразователь, таким образом, выполняет тройную функцию:

- когда он находится в реакторном топливном бассейне в кассете для облучения в процессе нейтронографического облучения, он уменьшает активацию кассеты посредством поглощения остаточного теплового нейтронного потока, который проходит через первичный преобразователь (приблизительно 85% потока); затем он используется в качестве нейтронного экрана для защиты активируемых конструкций, расположенных до нейтронного потока (тыльная сторона кассеты для облучения);

- снова в процессе нейтронографического облучения он уменьшает помехи на конечное изображение и, таким образом, повышает качество изображения посредством поглощения паразитного нейтронного потока, происходящего в результате возможных событий рассеяния, которые происходят после первичного преобразователя;

- после переноса за пределы бассейна и за пределы нейтронного потока он формирует нейтронографическое изображение посредством преобразования бета-излучения, излучаемого активированным первичным преобразователем, и регистрирует его сцинтилляционный сигнал. Его тесный контакт с первичным преобразователем обеспечивает оптимальную однородность и позволяет гарантировать пространственное разрешение изображения.

Кроме того, блок первичного преобразователя и вторичного преобразователя находится на прозрачной твердой подложке, причем данная прозрачная твердая подложка выполняет тройную функцию:

- позволяет легко управлять блоком посредством придания жесткости плите, имеющей большие размеры, но весьма ограниченную толщину;

- уменьшает влияние активации кассеты для облучения быстрыми нейтронами, замедляя быстрые нейтроны посредством своих гидрированных соединений;

- обеспечивает усиленную биологическую защиту в процессе обслуживания блока посредством поглощения остаточного бета-излучения, поступающего от первичного преобразователя и без поглощения светового сигнала, производимого вторичным преобразователем.

Изготовленное таким способом устройство встраивают в герметичный резервуар B, как проиллюстрировано на фиг. 2, таким образом, что образуется идеальная герметичная система, допускающая погружение блока из двух преобразователей без разрушения и взаимодействия со средой погружения. Роль герметизации заключается также в том, чтобы предотвращать попадание нейтронов в воду по пути между началом коллиматора и преобразователем, без которого невозможно получение правильного изображения.

Таким образом, герметичными и наполненными газом (гелием или воздухом) оказываются следующие устройства: коллиматор, камера, содержащая исследуемый объект, и кассета, содержащая преобразователи.

Чтобы осуществлять регистрацию сцинтилляции, герметичный резервуар извлекают из среды погружения и из него извлекают подложку и преобразователи.

Фиг. 3 иллюстрирует этап регистрации сцинтилляции устройством типа съемочной камеры Er. По существу, изображение формируется посредством регистрации сцинтилляции, производимой вторичным преобразователем, причем вышеупомянутая съемочная камера расположена с непосредственным видом на поверхность прозрачной подложки, которая покрывает вторичный преобразователь, без необходимости использования системы для отражения изображения, что в значительной степени упрощает данный тип способов считывания, широко используемых в нейтронографии прямым методом, который предусматривает применение зеркала (используемого для защиты электронных схем съемочной камеры от остаточного нейтронного или гамма-излучения путем его размещения вне оси).

Фиг. 3 представляет остаточное бета-излучение F_β, обусловленное временем затухания этого излучения, которое составляет несколько часов, в захватывающих центрах P1, причем передача этого остаточного бета-излучения, в свою очередь, позволяет производить световое излучение F_L в сцинтилляционных центрах P4.

Первый материал первого преобразователя может быть выполнен, например, из диспрозия, и толщина данного преобразователя может составлять приблизительно 150 мкм.

Второй материал второго преобразователя может содержать, например, легированный тербием оксисульфид гадолиния Gd₂O₂S(Tb) (Gadox), смешанный с органическим связующим веществом. Толщина второго преобразователя может составлять приблизительно 10 мкм.

Прозрачная подложка может содержать полиметилметакрилат Plexiglas® (PMMA) толщиной 5 мм.

Таким образом, функцию экранирования кассеты для облучения и поглощения рассеянных нейтронов обеспечивают одновременно поглощающий нейтроны преобразователь C2 и подложка S3. Предлагаемое решение имеет преимущество, представляющее собой возможность уменьшения стоимости системы посредством использования элемента, выполняющего несколько функций, причем одновременно предотвращается использование токсичных поглощающих нейтроны материалов, таких как кадмий, которые находятся в контакте с оператором.

Приведение двух преобразователей и твердой прозрачной гидрированной подложки в тесный контакт в процессе изготовления гарантирует получение очень высокого пространственного разрешения благодаря уменьшению толщины, требуемой для вторичного преобразователя (приблизительно 10 мкм, без необходимости какого-либо дополнительного поверхностного слоя между поверхностями двух преобразователей). Таким образом, становится возможным повышение пространственного разрешения в два раза по сравнению с существующим способом, обеспечивающим наилучшее пространственное разрешение (перенос с первичного преобразователя на тонкую рентгеновскую пленку).

Следующее преимущество представляет собой значительное уменьшение продолжительности процесса измерения посредством устранения необходимости приведения двух элементов в контакт (использование вакуумной камеры и т. д.).

Кроме того, способность поглощения нейтронов преобразователя C2 преимущественно участвует в формировании изображения высокого качества посредством устранения нежелательного обратного рассеяния нейтронов сзади устройства по направлению к преобразователю C1.

Использование неактивруемой прозрачной гидрированной подложки преимущественно позволяет уменьшать активацию кассеты, которую обуславливают реакции быстрых нейтронов (реакции ядерной активации типа (n, p) или (n, 2n)), посредством превращения в тепловые нейтроны быстрой части спектра падающих нейтронов, что позволяет использовать нейтронный спектр, включающий нейтроны любой энергии.

Данные реакции представляют собой реакции активации типов реакций, которые производят радиоактивные элементы посредством падающих быстрых нейтронов и, соответственно, включают в себя следующие реакции:

- реакция (n, p) образования изотопа, имеющего атомный номер на единицу меньше с сохранением массового числа;

- реакция (n, 2n) образования изотопа, сохраняющего тот же атомный номер, но с уменьшенным на единицу массовым числом.

Эти реакции производят только нейтроны, энергия которых превосходит определенный уровень, а именно высокоэнергетические быстрые нейтроны.

Биологическая защита прозрачной гидрированной подложки от бета-излучения, поступающего из первичного преобразователя, после переноса за пределы бассейна предоставляет возможность обслуживания, которое подвергает оператора лишь незначительному или отсутствующему облучению.

Прозрачность гидрированной подложки по отношению к сцинтилляционному свету, который излучает вторичный преобразователь, позволяет получать непосредственное изображение полной поверхности, соответствующей первичному преобразователю, без необходимости использования какой-либо сложной оптики и без обязательного дополнительного этапа оцифровки, который имеет место в случае способов, используемых в настоящее время.

Изобретение относится к области неразрушающего исследования излучающих объектов с использованием нейтронографии. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии при погружении в среду, содержащую анализируемые образцы, включает в себя первый преобразователь (C1), включающий в себя первый материал, способный преобразовывать тепловое нейтронное излучение в остаточное бета-излучение посредством своей нейтронной активации; второй преобразователь (С2), включающий в себя второй материал, способный поглощать тепловое нейтронное излучение путем захвата и способный преобразовывать остаточное бета-излучение в световое излучение, причем вышеупомянутый второй преобразователь находится в контакте с вышеупомянутым первым преобразователем; подложку (S3), включающую в себя гидрированные компоненты, на которой расположен вышеупомянутый второй преобразователь, причем вышеупомянутая подложка является прозрачной для вышеупомянутого светового излучения. Технический результат - повышение пространственного разрешения нейтронографического изображения. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии при погружении в среду, содержащую анализируемые образцы, отличающееся тем, что оно включает в себя:
первый преобразователь (C1), включающий в себя первый материал, способный преобразовывать тепловое нейтронное излучение в остаточное бета-излучение посредством своей нейтронной активации;
второй преобразователь (С2), включающий в себя второй материал, способный поглощать тепловое нейтронное излучение путем захвата и способный преобразовывать остаточное бета-излучение в световое излучение, причем вышеупомянутый второй преобразователь находится в контакте с вышеупомянутым первым преобразователем;
подложку (S3), включающую в себя гидрированные компоненты, на которой расположен вышеупомянутый второй преобразователь, причем вышеупомянутая подложка является прозрачной для вышеупомянутого светового излучения.

2. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии по п. 1, отличающееся тем, что первый материал включает в себя диспрозий.

3. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что вышеупомянутый второй преобразователь содержит сцинтилляционный материал, который представляет собой соединение, содержащее гадолиний, которое может быть типа (легированного тербием) Gd₂O₂S.

4. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии по п. 1, отличающееся тем, что первый материал включает в себя диспрозий, и тем, что вышеупомянутый второй преобразователь содержит сцинтилляционный материал, который представляет собой соединение, содержащее гадолиний, которое может быть типа (легированного тербием) Gd₂O₂S.

5. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии по п. 4, отличающееся тем, что сцинтилляционный материал смешивают с органическим связующим веществом.

6. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии по п. 1 или 4, отличающееся тем, что толщина первого преобразователя составляет приблизительно 100 мкм.

7. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии по п. 1 или 4, отличающееся тем, что толщина второго преобразователя составляет приблизительно 10 мкм.

8. Устройство, предназначенное для использования в нейтронографии по п. 1 или 4, отличающееся тем, что подложка содержит прозрачный материал с гидрированными компонентами типа полиметилметакрилата, причем вышеупомянутая подложка может иметь толщину, составляющую приблизительно несколько миллиметров.

9. Герметичная система, предназначенная для использования в нейтронографии при погружении в среду, отличающаяся тем, что она включает в себя устройство по п. 1 или 4 и резервуар (В), герметичный по отношению к вышеупомянутой среде, содержащий первый преобразователь (C1), второй преобразователь (С2) и подложку (S3).

10. Способ нейтронографии при погружении в среду с использованием системы по п. 9, отличающийся тем, что он включает в себя следующие этапы:
- погружение вышеупомянутой системы в жидкую среду, содержащую анализируемые образцы;
- облучение вышеупомянутой системы потоком нейтронов;
- извлечение вышеупомянутой системы из вышеупомянутой жидкой среды;
- извлечение вышеупомянутых преобразователей из вышеупомянутого герметичного резервуара;
- регистрация сцинтилляции, производимой вторым преобразователем (С2).

11. Способ нейтронографии по п. 10, отличающийся тем, что анализируемые образцы представляют собой ядерное топливо.