Способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана

Изобретение относится к анализу ядерных материалов радиационными методами и предназначено для оперативного контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовых потоках изотопно-разделительного уранового производства. Сущность изобретения: способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана заключается в том, что газообразный гексафторид урана десублимируют в измерительной камере путем понижения температуры основания камеры, определяют интенсивность гамма-излучения изотопа уран-235 в твердой фазе и рассчитывают массовую долю изотопа уран-235 в гексафториде урана по формуле:

где М - масса гексафторида урана в измерительной камере, определяемая с помощью массового расходомера или весоизмерительной системы, г; Iγ - интенсивность гамма-излучения от урана-235 в гексафториде урана, находящегося в измерительной камере в твердой фазе, с^-1; - градуировочный коэффициент. Техническим результатом изобретения является повышенная оперативность и точность оценки значения массовой доли изотопа уран-235 в газовых потоках гексафторида урана. 1 н.п. и 6 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к анализу ядерных материалов радиационными методами и предназначено для оперативного контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовых потоках изотопно-разделительного уранового производства.

Известны способы контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана (патент RU №2256963, МПК7 G21C 17/06, G01N 23/00, опубл. 20.07.2005; патент RU №2185667, МПК7 G21C 17/06, G01N 23/00, опубл. 20.07.2002; патент RU №2325672, МПК7 G01T 1/00, G01N 23/00, опубл. 27.05.2008), заключающиеся в измерении интенсивности гамма-излучения урана-235 от гексафторида урана, а также давления и температуры гексафторида урана, находящегося в измерительной камере в газообразном состоянии. В этих способах контроля массовую долю урана-235 определяют по формуле

где I_γ - интенсивность гамма-излучения урана-235; Т - температура гексафторида урана в камере; p - давление гексафторида урана в камере; α - градуировочная постоянная.

Интенсивность гамма-излучения урана-235 определяют путем измерения характеристического гамма-излучения, присущего данному изотопу (как правило, по основному аналитическому пику 185,7 кэВ гамма-спектра, сопровождающему естественный альфа-распад урана-235).

Наиболее полно учитывает все фоновые составляющие под контролируемым пиком способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана и система измерения для его реализации (патент RU №2325672, МПК7 G01T 1/00, G01N 23/00, опубл. 27.05.2008) (прототип).

Задачей данного изобретения является расширение арсенала способов контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовых потоках гексафторида урана.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу контроля массовой доли изотопа урана-235 в газовой фазе гексафторида урана, заключающегося в измерении интенсивности гамма-излучения изотопа уран-235 в измерительной камере, газообразный гексафторид урана десублимируют в измерительной камере путем понижения температуры основания камеры, определяют интенсивность гамма-излучения изотопа уран-235 в твердой фазе и рассчитывают массовую долю изотопа уран-23 5 в гексафториде урана по формуле:

где М - масса гексафторида урана в измерительной камере, определяемая с помощью массового расходомера или весоизмерительной системы, г;

I_γ - интенсивность гамма-излучения от урана-235 в гексафториде урана, находящегося в измерительной камере в твердой фазе, с^-1;

- градуировочный коэффициент.

Градуировочный коэффициент 'α определяют один раз при настройке системы, например, путем сравнения результатов измерений с результатами эталонных измерений, выполненных с помощью масс-спектрометра.

Массу гексафторида урана, помещаемого в измерительную камеру, предварительно рассчитывают по формуле:

где S - площадь поверхности десублимации, см²;

h - максимально допустимая толщина слоя гексафторида урана в твердой фазе, см;

ρ - средняя плотность гексафторида урана в твердой фазе, г/см³.

При расчете массы гексафторида урана, помещаемого в измерительную камеру, по формуле (4) учитывают, что площадь поверхности десублимации определяется эффективной площадью применяемого детектора гамма-излучения, а максимально допустимую толщину слоя твердой фазы гексафторида урана выбирают меньше толщины слоя полного самопоглощения в гексафториде урана в твердой фазе.

Интенсивность гамма-излучения основного аналитического пика изотопа уран-235 с энергией 185,7 кэВ рассчитывают по формуле

где I_Σ - суммарная интенсивность гамма-излучения от урана-235 в измерительной камере с десублимированным гексафторидом урана, определенная в выбранном энергетическом интервале, с^-1;

I_B - интенсивность непрерывной фоновой составляющей под пиком полного поглощения основного аналитического пика урана-235 с энергией 185,7 кэВ, определенная в выбранном энергетическом интервале и обусловленная радиоактивными примесями, которые могут присутствовать в анализируемом гексафториде урана, а также гамма-излучением от внешних источников, с^-1;

I_Ф - фоновая интенсивность гамма-излучения в измерительной камере без гексафторида урана, обусловленная коррозионными отложениями на стенках камеры, определенная в выбранном энергетическом интервале, с^-1.

Для устранения составляющей фоновой интенсивности гамма-излучения от урана-235, обусловленной внешними источниками, измерительную камеру окружают защитой из свинца.

Контроль массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана проводят циклами.

В начале каждого цикла с блока сбора, управления и обработки информации через внутреннюю магистраль информационного обмена подают информационные сигналы, приводящие элементы измерительной системы в следующие состояния:

- входной клапан измерительной камеры - закрыт;

- выходной клапан измерительной камеры - закрыт;

- устройство для откачки - не работает;

- нагнетательное устройство -не работает;

- термоэлектрический элемент, присоединенный к основанию измерительной камеры, - в режиме охлаждения рабочей поверхности до температуры -5…-10°С.

Затем с блока сбора, управления и обработки информации подают информационные сигналы:

- на входной клапан, открывающий его;

- на нагнетательное устройство, разрешающий его работу.

С помощью нагнетательного устройства из газовой магистрали начинают нагнетать в измерительную камеру гексафторид урана, необходимое количество которого предварительно рассчитывают по формуле (3).

Гексафторид урана проходит через массовый расходомер (или при использовании весоизмерительной системы, подключенной к камере, - напрямую) и поступает в измерительную камеру, где десублимируется тонким слоем на охлажденном участке камеры. Как только масса гексафторида урана, поступившего в камеру, достигнет заданного значения, с блока сбора, управления и обработки информации поступают информационные сигналы:

- на входной клапан, закрывающий его;

- на нагнетательное устройство, запрещающий его работу.

Состояние остальных информационных сигналов остается неизменным.

Сигнал с выхода детектора гамма-излучения, расположенного непосредственно на измерительной камере, в виде электрических импульсов с амплитудой, пропорциональной энергии гамма-квантов, поступает на вход цифровой гамма-спектрометрической системы. В гамма-спектрометрической системе в течение времени, необходимого для получения достаточного количества импульсов, регистрируется спектр энергетического распределения гамма-квантов от гексафторида урана, который по внутренней магистрали информационного обмена передается в блок сбора, управления и обработки информации.

После завершения регистрации гамма-спектра в блоке сбора, управления и обработки информации осуществляется расчет значения суммарной интенсивности гамма-излучения I_Σ от урана-235 в измерительной камере с десублимированным гексафторидом урана и интенсивности непрерывной фоновой составляющей I_в, обусловленной радиоактивными примесями, которые могут присутствовать в анализируемом гексафториде урана. В то же время с блока сбора, управления и обработки информации через внутреннюю магистраль информационного обмена подают информационные сигналы:

- на выходной клапан, открывающий его;

- на устройство для откачки, разрешающий его работу;

- на термоэлектрический элемент, переводящий его в режим нагрева рабочей поверхности.

Состояние остальных информационных сигналов остается неизменным.

Нагрев основания измерительной камеры приводит к процессу сублимации гексафторида урана. Газообразный гексафторид урана через открытый выходной клапан с помощью устройства для откачки выводят в газовую магистраль каскадной установки.

После вывода гексафторида урана из измерительной камеры с блока сбора, управления и обработки информации подают информационные сигналы:

- на выходной клапан, закрывающий его;

- на устройство для откачки, запрещающий его работу;

- на термоэлектрический элемент, переводящий его в режим охлаждения.

Сигнал с выхода детектора гамма-излучения в виде электрических импульсов с амплитудой, пропорциональной энергии гамма-квантов, поступает на вход цифровой гамма-спектрометрической системы. В цифровой гамма-спектрометрической системе ведется регистрация гамма-спектра для определения фоновой интенсивности гамма-излучения от урана-235 в измерительной камере без гексафторида урана, который передается в блок сбора, управления и обработки информации.

По окончании временного интервала измерения в блоке сбора, управления и обработки информации по формуле (2) осуществляется расчет массовой доли изотопа уран-235. Рассчитанное значение массовой доли изотопа уран-235 в гексафториде урана передается через внешнюю магистраль информационного обмена в локальную вычислительную сеть управления каскадной установки.

Система готова к проведению следующего цикла измерения.

В отличие от приведенных выше известных способов, в которых массовая доля изотопа уран-235 в гексафториде урана определяется по формуле (1), в предлагаемом способе контроля массовая доля изотопа уран-235 в гексафториде урана рассчитывается по формуле (2), которая позволяет исключить погрешности, связанные с погрешностями измерения температуры и давления гексафторида урана в измерительной камере.

Другим существенным отличием является то, что интенсивность гамма-излучения изотопа уран-235 определяют в твердой фазе гексафторида урана, тем самым увеличивая скорость счета детектора гамма-излучения за счет повышения массы контролируемого урана-235 в измерительной камере.

Использование предлагаемого способа контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана позволит повысить оперативность и точность оценки значения массовой доли изотопа уран-235 в газовых потоках гексафторида урана.

1. Способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, включающий измерение интенсивности гамма-излучения изотопа уран-235 в измерительной камере, отличающийся тем, что газообразный гексафторид урана десублимируют в измерительной камере, определяют интенсивность гамма-излучения изотопа уран-235 в твердой фазе и рассчитывают массовую долю изотопа уран-235 в гексафториде урана по формуле:

где М - масса гексафторида урана в измерительной камере, определяемая с помощью массового расходомера или весоизмерительной системы, г;
Iγ - интенсивность гамма-излучения от урана-235 в гексафториде урана,
находящегося в измерительной камере в твердой фазе, с^-1;
- градуировочный коэффициент, определяемый при настройке системы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массу гексафторида урана, помещаемого в измерительную камеру, предварительно рассчитывают по формуле:
М=S·h·ρ,
где
S - площадь поверхности десублимации, см²;
h - максимально допустимая толщина слоя гексафторида урана в твердой фазе, см;
ρ - средняя плотность гексафторида урана в твердой фазе, г/см³;
причем толщину слоя твердой фазы гексафторида урана выбирают меньше толщины слоя полного самопоглощения в гексафториде урана в твердой фазе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что массу гексафторида урана, помещаемого в измерительную камеру, контролируют с помощью массового расходомера.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что массу гексафторида урана, помещаемого в измерительную камеру, контролируют с помощью весоизмерительной системы, подключенной к измерительной камере.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что гексафторид урана десублимируют в измерительной камере путем понижения температуры основания камеры.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что после определения интенсивности гамма-излучения изотопа уран-235 в твердой фазе гексафторид урана сублимируют и выводят из измерительной камеры.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что гексафторид урана сублимируют в измерительной камере путем повышения температуры основания камеры.