Применение импульсных нейтронных генераторов для контроля ядерных материалов (ВНИИА им. Духова)

При обращении с отходами ядерного производства необходимо контролировать массу ядерных материалов путем достоверной характеризации и паспортизации упаковок с отходами. Знание количественного состава имеющихся в упаковках делящихся материалов позволит как совершенствовать систему учета и контроля радиоактивных веществ, так и принимать правильные решения при направлении их на захоронение или дополнительную переработку.

Методы неразрушающего контроля делящихся материалов (ДМ), применяемые в настоящее время в России, являются, главным образом, пассивными – основанными на регистрации собственного γ- и нейтронного излучения ДМ. Однако γ-излучение ²³⁵U или ²³⁹Pu имеет слабую проникающую способность и во многих случаях сравнительно низкую для практических измерений интенсивность. Кроме того, у ²³⁵U или 239Pu малый выход нейтронов спонтанного деления, поэтому в отличие от ²⁴⁰Pu и других четных изотопов они практически не могут быть зарегистрированы по нейтронному излучению. Таким образом, пассивные методы могут дать лишь косвенную информацию о содержании в отходах ²³⁵U или 239Pu при условии знания истории облучения анализируемых нуклидов в ядерном реакторе. В случае, когда содержание в отходах ²⁴⁰Pu незначительное или известно с низкой точностью, пассивные методы не способны дать информацию по количеству ²³⁵U и ²³⁹Pu с достаточной степенью достоверности. 

Возможности активных методов (с применением внешних источников излучения) являются гораздо более широкими. Существующие установки активного контроля с радиоизотопными AmLi- или Cf-источниками применяются для измерения, как правило, малых емкостей. Наиболее распространенным методом активного контроля является метод дифференциального затухания нейтронов, при котором используются импульсные нейтронные генераторы [1-2]. При использовании такого метода возможно прямое определение содержания ²³⁵U или ²³⁹Pu в образцах с разным обогащением и объемом до нескольких кубометров. При этом в измеренных величинах откликов ДМ отдельно учитывается вклад нейтронов спонтанного деления ²⁴⁰Pu, ^242,244Cm и (α,n)-реакций. Повышаются также чувствительность и быстрота измерений.

Установка неразрушающего контроля ДМ 

За последние 30 лет в мире созданы десятки установок контроля ДМ, совершенствование которых ведется и в настоящее время. Более 60% зарубежных установок контроля ядерных отходов, размещенных в бочках или контейнерах, используют комбинацию пассивных и активных методов. Чувствительность лучших разработанных в настоящее время устройств достигает уровня 1-10 мг ²³⁵U или ²³⁹Pu в емкости объемом 200 литров примерно за 10-20 минут измерения.

ФГУП «Всероссийский научно-иссле­довательский институт автоматики им. Н.Л. Духова» (ФГУП «ВНИИА») является единственным в России разработчиком и производителем портативных импульсных нейтронных генераторов – ИНГ. Такие генераторы создаются на основе использования миниатюрных отпаянных электровакуумных нейтронных трубок, в которых реализуются ядерные реакции T(d,n)⁴He или D(d,n)³He. В настоящее время получаемые в генераторах потоки нейтронов с энергиями 14 МэВ или 2,5 МэВ достигают величины 10¹¹ нейтрон/с.

Установка активного нейтронного контроля количества ДМ, сконструированная и изготовленная во ФГУП «ВНИИА», содержит серийно выпускаемый импульсный нейтронный генератор ИНГ-07Т, восемь пропорциональных ³He-счетчиков в полиэтиленовом замедлителе с кадмиевым фильтром, блоки питания, электронные схемы и программное обеспечение. 

Установка представляет собой измерительную камеру, в которую помещается 70-литровый контейнер с ДМ. Загрузка контейнера в камеру производится сверху через съемную полиэтиленовую крышку. Габаритные размеры установки: 680 мм (ширина) х 840 мм (длина) х 1170 мм (высота). Вес – около 150 кг (без контейнера). Установка выполнена в мобильном варианте, то есть может перемещаться вручную по полу на четырехколесной тележке (рис. 1). 

Предварительные испытания

Для исследования технических характеристик установки были проведены ее предварительные испытания. В процессе испытаний внутри контейнера размещались различные образцы урана массой от 0,35 г до 26 г в пересчете на ²³⁵U, а также инертные материалы (матрицы) из графита, стали и полиэтилена.

С помощью 128-канального временного анализатора ВА-16 измерялись временные распределения нейтронов от всех восьми счетчиков тепловых нейтронов. Типичные временные распределения, полученные на установке, представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Временные распределения нейтронов от деления образцов ²³⁵U в пустом (без матрицы) контейнере; время измерения – 8 мин

В ходе предварительных испытаний получены следующие основные результаты.

Активный метод контроля количества делящихся материалов позволяет с высокой чувствительностью определять отклики ДМ, находящихся в замкнутых контейнерах без их вскрытия. За 8-15 мин измерений в 70-литровом контейнере с различными матричными наполнителями плотностью от 0,32 г/см³ до 1,6 г/см³ при потоке нейтронов генератора около 5*10⁸ нейтрон/с все используемые в экспериментах образцы ²³⁵U надежно обнаруживались как делящиеся материалы.

Путем экстраполяции полученных экспериментальных данных установлены минимально детектируемые массы 235U: 3±1 мг при использовании графитовых матриц и 32±11 мг в случае железных матриц.

Экспериментально подтверждено, что тип матричного материала и его плотность в контейнере определяются собственной константой временного спада нейтронов вынужденного деления, которая практически не зависит от массы ДМ. Это, в принципе, позволяет идентифицировать матрицу-наполнитель без вскрытия контейнера или дополнительных измерений.

ФГУП «ВНИИА» имеет достаточный опыт научно-иссле­довательских работ с ядерными материалами, принимало участие в разработке образцов аппаратуры с использованием ИНГ для контроля массы ДМ в контейнерах с низкоактивными твердыми отходами и технологическими растворами ядерного топливного цикла [3], для обнаружения делящихся материалов, незаконно перевозимых в багаже авиапассажиров [4], измерения подкритичности в хранилищах отработавшего ядерного топлива на АЭС [5]. 

Применение активных нейтронных методов контроля количества ДМ в замкнутых емкостях с помощью импульсных нейтронных генераторов позволит устранить имеющийся пробел в приборном оснащении отечественной системы учета и контроля РВ, качественно улучшить реализацию важных федеральных программ по обращению с РАО.

Авторы

Ю.Н. Бармаков, д.т.н.,
В.Ф. Батяев, к.ф.-м.н.,
Е.П. Боголюбов,
О.В. Бочкарев, к.ф.-м.н.,
Д.И. Юрков, к.т.н.

ФГУП «ВНИИА им. Н.Л.Духова»

Литература

1. Бармаков Ю.Н. Активные нейтронные методы контроля ЯМ / Ю.Н. Бармаков, Е.П. Боголюбов, О.В. Бочкарев // Атомкон. – 2009. – №4(5). – С. 70-72.
2. Бармаков Ю.Н. Установка комбинированного активного и пассивного контроля делящихся материалов и их нуклидного состава в отходах ядерной энергетики / Ю.Н. Бармаков, Е.П. Боголюбов, О.В. Бочкарев и др. // Сборник докладов V Международного ядерного форума «Безопасность ядерных технологий. Стратегия и экономика безопасности», 27 сентября – 1 октября 2010. – СПб: НОУ ИДПО «Атомпроф», 2010. – С. 307-312.
3. Боголюбов Е.П. Использование портативных нейтронных генераторов для контроля делящихся материалов в отходах и технологических растворах / Е.П. Боголюбов, Н.В. Исаев, Л.А. Корытко и др. // ВАНТ, серия «Ядерное приборостроение». – 2000. – Вып. 1(18). – С. 37-46.
4. Bogolubov Ye.P. Method and System Based on Pulsed Neutron Generator for Fissile Material Detection in Luggage / Ye.P. Bogolubov, S.A. Korotkov, L.A. Korytko et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. – 2004. – Vol. 213. – Pp. 439-444.
5. Боголюбов Е.П. Разработка комплекса аппаратуры и методического обеспечения контроля подкритичности размножающих систем импульсным нейтронным методом / Е.П. Боголюбов, Ю.Г. Полканов, И.И. Миронов и др. // Доклад на IV Международной конференции «Лазеры с ядерной накачкой и импульсные реакторы», Россия, г. Обнинск, 18-21 сентября 2007 года.