Способ определения ядерно-физических параметров сборки, содержащей делящееся вещество

 

Использование: исследование конструкций, содержащих делящееся вещество (например, подкритических сборок и ТВЭЛов). Сущность: сборку облучают импульсным потоком первичного излучения, в результате чего в ней вызывается процесс деления. Импульс первичного излучения длится 5 50 нс, при этом в течение нескольких сотен наносекунд измеряют временное распределение мгновенных и запаздывающих гамма-квантов, образующихся в сборке. Изменение интенсивности гамма-излучения во времени относительно первичного импульса характеризует физические процессы, происходящие в сборке. Благодаря исключению влияния разброса времен пролета гамма-квантами и уменьшению отношения фон-эффект (вследствие снижения времени измерения) в условиях удаленности детектора от сборки повышается точность определения параметров сборки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится главным образом к области исследования подкритических сборок, а также для исследования любых других конструкций, например тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), содержащих делящееся вещество. Изобретение может быть использовано для определения реактивности, продолжительности жизни нейтронов и других параметров сборок. Известен способ измерения энергетических спектров нейтронов деления от подкритичных сборок с малой реактивностью. Согласно способу нейтронами от импульсного источника с длительностью импульса несколько микросекунд облучают сборку и относительно этого импульса измеряют по времени пролета заданной базы скорость нейтронов деления, временной спектр которых длится несколько сотен микросекунд. Недостатком способа является относительно большой фон, так как детектор, регистрирующий нейтроны из сборки, удален из сборки на несколько десятков метров (мала геометрическая эффективность регистрации), а время измерения относительно большое, так как нейтроны разных энергий имеют большой разброс времени пролета базы. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения ядерно-физических параметров сборки, по которому создают импульс излучения длительностью несколько микросекунд, инициирующего деление в сборке, регистрируют нейтроны, образующиеся в сборке, измеряют временное распределение нейтронов относительно импульса излучения, по форме временного распределения определяют ядерно-физические параметры сборки такие, как реактивность и время жизни мгновенных нейтронов в сборке. Детектор нейтронов при этом помещен в непосредственной близости от сборки. Целью изобретения является повышение точности определения параметров сборки в условиях удаленности детектора от сборки путем исключения влияния разброса времен пролета базы частицами и уменьшения отношения фон-эффект. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения ядерно-физических параметров сборки, содержащей делящееся вещество, включающем в себя создание импульса излучения, вызывающего процесс деления в сборке, регистрацию частиц, образующихся в сборке, измерение временного распределения регистрируемых частиц относительно импульса излучения, определение ядерно-физических параметров сборки по форме временного распределения, в качестве регистрируемых частиц используют гамма-кванты, которые отделяют от нейтронов деления по времени пролета заданной базы. Цель достигается также тем, что импульс излучения создают длительностью 5-50 нс, а временное распределение измеряют в течение 200-2000 нс. Кроме того, в форме временного распределения совместно анализируют интенсивности мгновенного и запаздывающего гамма-излучения. На чертеже условно изображены временные распределения гамма-квантов для различных сборок, т.е. зависимость интенсивности гамма-квантов в детекторе (в логарифмическом масштабе по ординате) от времени измерения, причем за ноль отсчета времени принят передний фронт импульса ускорителя, частицы которого направляют на сборку с делящимся материалом. Импульс ускорителя условно представлен с бесконечно крутыми передним и задним фронтами, его длительность выбирается существенно меньше времени измерения после импульса ускорителя. Кривые 1, 2 относятся к сборкам с размножением нейтронов в делящемся материале для двух различных реактивностей, кривые 3, 4 к сборкам без размножения нейтронов, содержащих различное количество делящегося вещества. Обозначенные уровни n₁-n₄ определяются мощностью импульса облучения и количествами делящегося и конструкционных материалов в сборке. Уровни 0,01n₃ и 0,01n₄ примерно соответствуют началу проявления запаздывающего гамма-излучения из осколков деления. Способ осуществляется следующим образом. Импульсы частиц ускорителя, допустим, протонов или дейтpонов с энергией 10-100 МэВ и длительностью 5-50 нс, направляют на исследуемую сборку. Эти частицы при взаимодействии с оболочкой или внешними конструкционными элементами сборки, образуют нейтроны и гамма-кванты с известными угловыми распределениями и энергетическими спектрами под каждым углом относительно направления пучка. Вторичные частицы вызывают процесс деления в делящемся материале, а также неупругие взаимодействия в конструкционных элементах и делящемся материале. Таким образом, во время действия импульса ускорителя полное число N_уск гамма-квантов на детекторе определяется как различными неупругими взаимодействиями в материале сборки N_сб, так и процессом деления в делящемся материале N_дел, причем N_уск N_сб + N_дел. Соотношение между N_сб и N_дел зависит от геометрического расположения детектора и пучка ускорителя, а также от конструкции сборки, количества и вида материалов в ней. Может быть как N_сб < N_дел, так и N_сб > N_дел. Детектор гамма-квантов (который, в принципе, может регистрировать и нейтроны) располагают на некотором расстоянии от сборки (базе). При пролете этой базы нейтроны запаздывают относительно гамма-квантов (например, при 10 и более, чем на 200 нс) и, следовательно, легко отделяются регистрирующей аппаратурой. Синхроимпульс от ускорителя запускает на 200-2000 нс временной анализатор непрерывного действия. Каждый гама-квант поступает на вход "Стоп" или счетный вход временного анализатора, который фиксирует момент прихода (регистрации) гамма-квантов. Соответствующий код анализатора передается в память ЭВМ. Для набора необходимой статистики импульсы ускорителя можно повторять необходимое число раз, например 10³-10⁵, при этом на каждый импульс ускорителя регистрировать только один или несколько гамма-квантов. После окончания импульса ускорителя характер изменения интенсивности гамма-квантов будет иметь вид экспоненциальной или близкой к ней кривой распада из-за конечного времени жизни нейтронов или запаздывающего гамма-излучения осколков деления. Из приведенных выше временных распределений можно определить постоянную времени распада α ≈ 30-4000 нс (для времени измерения 200-2000 нс) количество гамма-квантов за время импульса и после и импульса ускорителя. Для двух сборок с различными реактивностями, т.е. для кривых 1, 2, указанные постоянные времени соответствуют малым значениям реактивностей ( ρ < -0,4, ρ₁ > ρ₂). Формулы для вычисления ρ совпадают с формулами для случая регистрации нейтронов в прототипе. Для кривых 3, 4, т.е. сборок без размножения нейтронов, после окончания импульса ускорителя останется интенсивность, обусловленная только запаздывающими гамма-квантами деления. При этом под запаздывающими гамма-квантами подразумеваются гамма-кванты от изомерных состояний продуктов деления с периодами полураспада 100-1000 нс, доля которых k от количества мгновенных гамма-квантов составляет 5-10% т.е. k 0,05-0,1. Конструкция сборки считается известной, т.е. возможно проведение численных расчетов для моделирования временных распределений. Кроме того, доступны сборки с известными количествами делящегося материала и без него для калибровочных измерений. Вычисление отношения k ˙N_дел/(N_сб + N_дел) позволяет исключить интенсивность пучка, это отношение может быть прокалибровано для различных количеств делящегося материала (калибровочные кривые могут быть получены и для случая кривых 1, 2). Метод калибровочных кривых является наиболее простым для практического осуществления способа. Конкретные аналитические формулы будут громоздкими и тем сложнее, чем больше требуемая точность измерения, поскольку будут включать много рассчитанных или экспериментально измеренных поправочных коэффициентов. Кривые 1, 2, как и 3, 4, имеют условный иллюстративный характер, т.е. масштабы между кривыми 1, 2 и 3, 4 не соблюдены как по оси ординат, так и по оси абсцисс. Кроме того, после импульса ускорителя кривые могут иметь не точно экспоненциальную форму, а на кривых 1, 2 может быть "ступенька" (разрыв производной) в момент заднего фронта ускорителя. Положительный эффект получен за счет уменьшения отношения фон-эффект, что обусловлено сокращением времени измерения. Для иллюстрации этого эффекта допустим, что время измерения равно 1000 нс, а пролетная база равна 10 м. Временной спектр гамма-квантов не зависит от пролетной базы, а при регистрации нейтронов согласно прототипу измерительный интервал 1000 нс растягивается примерно в 3 раза из-за широкого энергетического спектра нейтронов деления. При этом отношение фон-эффект также увеличивается в 3 раза. Кроме того, кривая распада нейтронов сборки существенным образом трансформируется. Истинное количество гамма-квантов после импульса ускорителя N находится как разность эффекта + фон и фона N_ф, т.е. N(N + N_ф) N_ф. В случае нейтронов N (N + 3 N_ф) 3N_ф, при этом количество нейтронов и гамма-квантов деления примерно считаем одинаковым. Соответствую- щие статистические ошибки равны δN и δN при одинаковом времени измерения фона и эффекта + фон. Если N/N_ф ≈ 1, то при регистрации гамма-квантов ошибка уменьшается в / ≈ 1,5 раза. Примерно во столько же раз вырастет точность определения параметра Требование длительности импульса излучения 5-50 нс определяет конструктивные особенности ускорителя, которые, однако, можно реализовать. Применяют линейный резонансный ускоритель ионов водорода, работающий в пакетно-импульсном режиме: длительность ВЧ-импульсов в резонаторах 100-300 мкс, частота повторения 1-10 Гц. Необходимая длительность коротких импульсов (5-50 нс) выходящего пучка создается путем модуляции пучка в источнике в пределах каждого ВЧ-импульса, при этом короткие импульсы пучка повторяются с интервалом 1-2 мкс. Такой режим позволяет создать, например, за 1 с 10³ импульсов пучка. Если принять, что ток в импульсе пучка порядка 10 мА, а для модуляции пучка необходимо напряжение 1-10 кВ, то импульсная мощность модулятора пучка составляет не более 100 Вт при средней мощности 100 мВт. Характерное время квантования для временного анализатора 3-15 нс, разрешенное время обращения к памяти ЭВМ 5˙ 10²-10³ нс, что относительно легко реализуется на элементах современной электроники. Детектор гамма-квантов представляет собой, например, блок сцинтиллирующей пластмассы, просматриваемый временным ФЭУ, длительность импульса порядка 1-3 нс. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности измеряемых параметров по крайней мере в 1,5 раза.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СБОРКИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ДЕЛЯЩЕЕСЯ ВЕЩЕСТВО, включающий импульсное облучение сборки, регистрацию частиц, образующихся в сборке в результате деления, измерение временного распределения регистрируемых частиц относительно импульса первичного излучения, определение ядерно-физических параметров сборки по форме временного распределения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения параметров сборки в условиях удаленности детектора от сборки путем исключения влияния разброса времен пролета базы частицами и уменьшения отношения фон-эффект, в качестве регистрируемых частиц используют гамма-кванты, которые отделяют от нейтронов деления по времени пролета заданной базы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульс первичного излучения имеет длительность 5-50 нс, а временное распределение измеряют в течение 200-2000 нс. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что во временном распределении совместно анализируют интенсивность мгновенного и запаздывающего гамма-излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1