Измерение содержания влаги в контейнерах с оксидом плутония

Изобретение относится к измерению содержания влаги в контейнерах с оксидом плутония. Техническим результатом изобретения является возможность проведения измерений без необходимости проникновения внутрь контейнера и проведение измерений непосредственно на месте нахождения контейнеров с оксидом плутония. Изобретение направлено на способ измерения содержания влаги в навеске порошка PuO₂ путем определения содержания тепловых нейтронов, излучаемых данной навеской порошка PuO₂, с последующим определением на основании этого значения содержания влаги в данном порошке с учетом установленного соотношения между долей тепловых нейтронов, излучаемых другой навеской порошка PuO₂, и известным значением содержания влаги в этой навеске порошка PuO₂. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к измерению содержания влаги в контейнерах с оксидом плутония.

Уровень техники

Перед отправкой контейнеров с оксидом плутония на хранение важно знать содержание влаги в этих контейнерах.

Обычный способ измерения содержания влаги в оксиде плутония, упакованном в контейнеры, связан с разрушением контейнера. Поэтому такой способ может использоваться только для проведения измерений на образцах, поскольку такие измерения невозможно выполнить на всем продукте. Кроме того, время, требуемое для получения результатов, чрезвычайно длительно (порядка нескольких дней). Другой недостаток состоит в том, что измерения такого рода должны проводиться в специализированной лаборатории.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение было разработано для получения способа измерений без необходимости проникновения внутрь контейнера и который может применяться непосредственно на месте нахождения контейнеров с оксидом плутония.

Принцип, предложенный для измерения, основан на пассивном детектировании нейтронов, спонтанно излучаемых порошком оксида плутония, упакованным в контейнеры.

Нейтроны замедляются атомами водорода и, в частности, атомами водорода, входящими в молекулу воды. Таким образом, содержание влаги в порошке оксида плутония можно проанализировать путем оценки замедления нейтронов, излучаемых ядром атомов водорода, входящих в молекулы воды, содержащейся в порошке оксида плутония. По процентному соотношению нейтронов с низкой энергией, присутствующих в спектре нейтронной эмиссии порошка, можно определить содержание присутствующей в порошке влаги, если предположить, что все атомы водорода входят в состав воды.

Такой принцип измерения представляет собой основу для разработки измерительного устройства, предназначенного для определения содержания влаги в порошке оксида плутония, не превышающем 0,3 мас.% при длительности измерения порядка 15 минут. При этом можно обеспечить проверку превышения порога 0,3% путем сравнения записей с эталонным спектром, полученным на образце с 0% содержанием влаги (или сухим спектром).

Окружающий фоновый нейтронный шум можно учесть при обработке данных с помощью программного обеспечения, выполняющего вычитание спектра из значения суммарного внешнего подсчета нейтронов, полученного с помощью второй системы измерения.

Таким образом, настоящее изобретение представляет собой способ измерения содержания влаги в навеске порошка PuO₂, включающий следующие этапы:

- помещение навески порошка PuO₂, для которой требуется измерить содержание влаги, в ячейку, содержащую средство экранирования тепловых нейтронов снаружи ячейки, причем ячейка также содержит средство подсчета нейтронов внутри ячейки;

- измерение энергетического спектра нейтронов с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки в течение заданного периода времени;

- измерение количества нейтронов окружающей среды с помощью средства подсчета нейтронов, расположенного снаружи ячейки, одновременно с выполнением подсчета с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки;

- определение содержания влаги в указанной навеске порошка PuO₂ путем сравнения доли тепловых нейтронов, излучаемых этой навеской порошка PuO₂, полученной в виде разности между измерениями энергетического спектра нейтронов с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки, и измерениями нейтронов окружающей среды, с указанным установленным соотношением между долей тепловых нейтронов, излучаемых другой навеской порошка PuO₂, и известным содержанием влаги в этой навеске порошка PuO₂.

Такое соотношение между долей тепловых нейтронов, излучаемых навеской порошка PuO₂, и известным содержанием влаги в данной навеске может быть определено путем оценки увеличения результата подсчета из-за наличия этого содержания влаги по сравнению с начальной оценкой содержания влаги, полученной путем измерения эталонной навески порошка PuO₂ с известным содержанием влаги.

Оценку увеличения результата подсчета из-за присутствия влаги можно получить с помощью размещения пластиковых пленок между навеской эталонного PuO₂ и средством подсчета нейтронов.

Предпочтительно содержание влаги в навеске порошка PuO₂ измеряют в присутствии интенсивного источника нейтронов в указанной ячейке.

Кроме того, другим объектом изобретения является устройство, предназначенное для измерения содержания влаги в навеске порошка PuO₂, характеризующееся тем, что оно содержит:

- ячейку, имеющую средство экранирования тепловых нейтронов, поступающих снаружи ячейки, средство установки навески порошка PuO₂ и средство подсчета нейтронов внутри ячейки,

- средство подсчета нейтронов окружающей среды, расположенное снаружи ячейки,

- средство измерения энергетического спектра нейтронов, подсчитываемых с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки в течение заданного периода времени,

- средство компьютерной обработки, предназначенное для определения содержания влаги в навеске порошка PuO₂ путем сравнения пропорции тепловых нейтронов, излучаемых навеской порошка PuO₂, определяемой с помощью функции разности между результатами измерений энергетического спектра нейтронов, подсчитываемых с помощью средства подсчета нейтронов, расположенного внутри ячейки, и измерением нейтронов окружающей среды с взаимоотношением, определенным между пропорцией тепловых нейтронов, излучаемых навеской порошка PuO₂, и известным содержанием влаги в данной навеске порошка PuO₂.

Предпочтительно в средстве, содержащем навеску порошка PuO₂, размещать контейнер с PuO₂.

Также предпочтительно ячейка содержит средство, предназначенное для охлаждения средства подсчета нейтронов внутри ячейки. Средство охлаждения может включать два концентрических канала, состоящих из внутреннего канала и внешнего канала, и во внутреннем канале расположено средство для установки контейнера с PuO₂, причем ячейка содержит средство подачи и средство отвода охлаждающего газа, подключенные так, что они позволяют обеспечить циркуляцию охлаждающего газа между двумя каналами и между внутренним каналом и контейнером с PuO₂.

Средство подсчета нейтронов внутри ячейки может состоять, по меньшей мере, из одного ³He счетчика. То же касается средства подсчета нейтронов, установленного внутри ячейки.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение, его другие преимущества и конкретные свойства будут более понятными из нижеследующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера, совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает схематически продольное сечение измерительной ячейки, используемой для выполнения настоящего изобретения;

фиг.2 - блок-схему устройства, предназначенного для измерения содержания влаги в навеске порошка PuO₂ в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - график изменения увеличения числа нейтронов в функции содержания влаги в навеске порошка PuO₂;

фиг.4 - энергетические спектры нейтронов, излучаемых двумя навесками порошка PuO₂ с различным содержанием влаги.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 схематично показано продольное сечение измерительной ячейки 1, используемой для выполнения настоящего изобретения.

Размеры ячейки 1 выбраны такими, чтобы в нее можно было устанавливать цилиндрический контейнер 2 с порошком PuO₂ и счетчики 3 и 4 нейтронов. Ячейка 1 может, например, иметь форму параллелепипеда. Она содержит стенку 11, в которой сформировано отверстие 12, через которое устанавливают и извлекают контейнер 2. Отверстие 12 закрыто пробкой 13.

Ячейка 1 изолирует счетчики 3 и 4 нейтронов от воздействия тепловых нейтронов с наружной стороны ячейки. Она предназначена для минимизации фонового нейтронного шума и минимизации искажения реального выходного спектра порошка PuO₂. Размеры ячейки 1 соответствуют размерам контейнера PuO₂ и счетчиков 3 и 4 нейтронов.

Обычно ячейка может быть выполнена в форме параллелепипеда с размерами 35 см × 20 см × 20 см.

Предпочтительно ячейка 1 может быть двухслойной, выполненной из материалов, поглощающих нейтроны, слоя инертного кадмия, предназначенного для задержки внешних тепловых нейтронов, и покрытия из B₄С, предназначенного для экранирования эпикадмиевых нейтронов. Для обеспечения наилучшей эффективности в составе применяемого карбида бора необходимо использовать обогащенный бор с 96% содержанием ¹⁰В. Рекомендуемая толщина слоев составляет 2 мм для слоя кадмия и 9 мм для слоя карбида бора. Используемый карбид бора В₄С не должен содержать более 5% связующего вещества или других включений. В частности, не следует использовать вспененный материал (содержащий только 50% В₄С), поскольку он содержит большое количество водорода, обладающего эффектом существенного увеличения фонового шума.

Повышение температуры счетчиков 3 и 4 во время присутствия в ячейке контейнера 2 с PuO₂ в ходе цикла измерений можно ограничить путем подключения системы охлаждения к внутреннему объему ячейки 1. Следующие температурные условия гарантируют правильную работу измерительной системы:

- изменение температуры счетчиков в ходе измерений, а именно в течение периода приблизительно 15 минут, должно быть меньше 2 или 3°С;

- градиент температуры вдоль счетчиков должен составлять менее 2 или 3°С;

- изменение температуры в течение цикла последовательных измерений параметров нескольких контейнеров должно быть менее 10°С.

На фиг.1 показана система охлаждения, состоящая из двух цилиндрических каналов: внутреннего канала 5 и внешнего канала 6, установленных концентрично относительно контейнера 2. Стенка внешнего канала 6 прикреплена к верхней части ячейки, в то время как стенка внутреннего канала 5 прикреплена к нижней части ячейки. Нижняя часть внешнего канала 6 сообщена с каналами 61 и 62, через которые поступает охлаждающий воздух. Охлаждающий воздух циркулирует между внешним каналом 6 и внутренним каналом 5, затем проходит между внутренним каналом 5 и контейнером 2 и выходит по каналу 51 отвода охлаждающего воздуха.

Счетчики 3 и 4 нейтронов представляют собой счетчики ³He, расположенные на расстоянии 2 см от контейнера PuO₂, и на расстоянии 5 см от стенки 11 ячейки 1. Они передают наружу электрические сигналы, представляющие детектированные нейтроны, с помощью соединительных кабелей 31 и 41.

Внутренний канал 5 содержит элементы, которые не показаны на чертеже, предназначенные для установки и центровки контейнера 2 с PuO₂.

На фиг.2 показана схема измерения содержания влаги в навеске порошка PuO₂ в соответствии с настоящим изобретением. На этом чертеже ячейка 1, контейнер 2 с порошком PuO₂, счетчики 3 и 4 нейтронов и их соединительные кабели 31 и 41 показаны схематично.

В измерительном устройстве используется система определения нейтронов, система определения фонового шума и блок управления и обработки данных.

Система определения нейтронов содержит два счетчика 3 и 4 нейтронов, которые образуют часть модуля 7, содержащего соответствующие электронные цепи и схемы обработки, включая предварительные усилители, блоки питания низкого напряжения и высокого напряжения, сумматор импульсов, карту бипараметрического анализа (с выхода которой поступает пара значений амплитуды/времени нарастания для каждого поступающего импульса) и кодирующие устройства.

Устройство также содержит систему обнаружения фонового шума. Если измерение выполняют в месте, открытом для нейтронов, фоновый шум представляет собой важный параметр, который следует постоянно контролировать и который следует учитывать, в противном случае качество и надежность результатов будут существенно ухудшены. Обычно лучший способ устранения фонового эффекта состоит в записи его до начала измерений (для получения фонового шума без полезного сигнала), проведении измерений (для получения суммы фонового шума и полезного сигнала) и с последующим вычитанием одного результата измерения из другого. Однако этот способ нельзя использовать в местах, в которых происходит постоянное перемещение контейнеров с PuO₂. В этом случае фоновые шумы до и после того, как контейнер будет установлен в ячейку, могут быть совершенно различными. Поэтому фоновый шум необходимо записывать непрерывно, даже при проведении измерений параметров контейнера в ячейке.

Такие измерения можно выполнить с использованием системы определения фонового шума, работающей на основе счетчика 8 нейтронов, идентичного счетчикам, используемым в ячейке 1 и расположенного рядом с ячейкой. Счетчик 8 выдает сигнал, представляющий количество детектированных нейтронов, и этот сигнал передается по соединительному кабелю 81 в соответствующие электронные цепи и схемы обработки, расположенные в модуле 9 и включающие предварительный усилитель, формирующий усилитель, карту определения подсчета/масштабирования и необходимые источники питания высокого напряжения и низкого напряжения.

С выхода модулей 7 и 9 поступает информация, предназначенная для блока 10 управления и обработки данных. Блок 10 содержит программу, разработанную для компьютера типа ПК (PC), и может выполнять следующие операции:

- повторная инициализация или регулировка всех параметров,

- калибровка получения спектра и измерений,

- получение спектра, обработка фонового шума и вычисление содержания влаги,

- проверка правильной работы всего устройства (циклично между каждым измерением).

Калибровку измерений необходимо проводить перед началом использования такого измерительного устройства в соответствии с настоящим изобретением. Эта операция выполняется в ходе двух фаз. Первая фаза состоит в оценке увеличения числа подсчета из-за присутствия влаги. Вторая фаза состоит в оценке содержания влаги, начиная с выполнения измерений на эталонном контейнере PuO₂ с известным содержанием влаги.

Первая фаза может быть проведена с использованием пластиковых пленок (поливинилхлоридных (ПВХ) или полиуретановых) и контейнера с PuO₂ с низким содержанием влаги (менее 0,3%) путем построения кривой, аналогичной представленной на фиг.3. Кривая 20 на графике, изображенном на фиг.3, представляет процентное увеличение числа А нейтронов в функции процентного содержания влаги в массе Н.

Вторая фаза может быть выполнена с использованием двух отдельных способов. В соответствии с первым способом используют два контейнера с точно известным содержанием влаги, перекрывающим весь заданный диапазон измерений (в идеале от 0 до 0,3%). Следующий этап состоит в проведении измерений с использованием этих двух контейнеров для получения двух эталонных точек и определения взаимосоответствия между содержанием влаги и увеличением значения подсчета.

В соответствии со вторым способом используют контейнер с PuO₂, содержание влаги которого не известно точно при условии, что этот контейнер является практически сухим, и набор пленок из ПВХ или полиуретана с разной толщиной, которыми окружают контейнер для имитации различных значений содержания влаги. Затем определяют соответствие между повышением содержания влаги и увеличением числа подсчета. После этого для проведения оценки измерений требуется использовать только одну эталонную точку (например, среднее содержание влаги в данной партии продукта).

На графике, изображенном на фиг.4, показаны энергетические спектры нейтронов, излучаемых двумя навесками порошка PuO₂. По оси ординат отложено число нейтронов в произвольных единицах. По оси абсцисс отложено значение энергии Е, отдаваемой нейтронами на счетчиках. Значение Е_th на оси абсцисс представляет наиболее вероятное среднее значение энергии, отдаваемой тепловыми нейтронами (764 кэВ).

На графике, изображенном на фиг.4, показаны два спектра. Область, отмеченная кружком, содержит два пика. Кривая с меньшим пиком была получена для порошка PuO₂ без каких-либо следов влаги. Кривая с большим пиком была получена для порошка PuO₂ с содержанием влаги 0,6%. Значение содержания влаги получают путем нормализации поверхности пика для энергетического канала, соответствующего тепловым нейтронам.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет выполнять измерения в течение 15 минут, необходимых для перехода через порог содержания влаги 0,3 мас.%.

Для получения более точных результатов измерений могут быть проведены некоторые улучшения. Например, для увеличения скорости подсчета может быть увеличено количество счетчиков внутри ячейки. Кроме того, внутри ячейки может быть установлен интенсивный источник нейтронов (до 10⁷ нейтронов в секунду), чтобы дополнительно усилить полезный сигнал. Этот интенсивный источник нейтронов может быть построен на основе ²⁵²Cf.

1. Способ измерения содержания влаги в навеске порошка PuO₂, характеризующийся тем, что он содержит следующие этапы:

помещение навески порошка PuO₂, для которой требуется измерить содержание влаги, в ячейку, содержащую средство экранирования тепловых нейтронов снаружи ячейки, причем ячейка также содержит средство подсчета нейтронов внутри ячейки,

измерение энергетического спектра нейтронов с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки в течение заданного периода времени,

измерение количества нейтронов окружающей среды с помощью средства подсчета нейтронов, расположенного снаружи ячейки, одновременно с выполнением подсчета с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки,

определение содержания влаги в указанной навеске порошка PuO₂ путем сравнения доли тепловых нейтронов, излучаемых этой навеской порошка PuO₂, полученной в виде разности между измерениями энергетического спектра нейтронов с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки, и измерениями нейтронов окружающей среды с указанным установленным соотношением между долей тепловых нейтронов, излучаемых другой навеской порошка PuO₂, и известным содержанием влаги в этой навеске порошка PuO₂.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что указанное соотношение между долей тепловых нейтронов, излучаемых навеской порошка PuO₂, и известным содержанием влаги в данной навеске порошка PuO₂ определяют путем оценки увеличения результата подсчета из-за известного содержания влаги, начиная с оценки содержания влаги, полученной путем измерений с использованием навески эталонного порошка PuO₂, с известным содержанием влаги.

3. Способ по п.2, характеризующийся тем, что оценку увеличения результата подсчета из-за присутствия влаги выполняют путем установки пластиковых пленок между навеской эталонного PuO₂ и средством подсчета нейтронов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание влаги в навеске порошка PuO₂ измеряют в присутствии интенсивного источника нейтронов в указанной ячейке.

5. Способ по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что навеска PuO₂, содержание влаги в которой следует измерить, расположена в контейнере.

6. Устройство для измерения содержания влаги в навеске порошка PuO₂, характеризующееся тем, что оно содержит

ячейку, имеющую средство экранирования тепловых нейтронов снаружи ячейки, средство размещения навески порошка PuO₂ и средство подсчета нейтронов внутри ячейки,

средство подсчета нейтронов в окружающей среде, расположенное снаружи ячейки,

средство измерения энергетического спектра нейтронов, подсчитываемых с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки в течение заданного периода времени,

средство компьютерной обработки, предназначенное для определения содержания влаги в навеске порошка PuO₂ путем сравнения доли тепловых нейтронов, излучаемых навеской порошка PuO₂, полученной в виде разности между измерениями энергетического спектра нейтронов с помощью средства подсчета нейтронов внутри ячейки, и измерениями нейтронов окружающей среды, с указанным определенным соотношением между долей тепловых нейтронов, излучаемых другой навеской порошка PuO₂, и известным содержанием влаги в этой навеске порошка PuO₂.

7. Устройство по п.6, характеризующееся тем, что средство размещения навески порошка PuO₂ выполнено с возможностью размещения контейнера с порошком PuO₂.

8. Устройство по п.6, характеризующееся тем, что ячейка содержит приспособление для охлаждения средства подсчета нейтронов внутри ячейки.

9. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что приспособление для охлаждения содержит два концентрических канала - внутренний и внешний, причем во внутреннем канале расположено средство для установки контейнера с PuO₂, а ячейка содержит средства подачи и отвода охлаждающего газа, подключенные с возможностью обеспечения циркуляции охлаждающего газа между двумя указанными каналами и между внутренним каналом и контейнером с PuO₂.

10. Устройство по любому из пп.6-9, характеризующееся тем, что средство подсчета нейтронов внутри ячейки состоит, по меньшей мере, из одного счетчика ³He.

11. Устройство по любому из пп.6-10, характеризующееся тем, что средство подсчета нейтронов снаружи ячейки состоит, по меньшей мере, из одного счетчика ³He.

12. Устройство по любому из пп.6-11, характеризующееся тем, что ячейка также содержит мощный источник нейтронов.