Министерство образования и науки Российской Федерации
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
А.В. Бушуев, А.Ф. Кожин, Е.В. Петрова, Т.Б. Алеева, В.Н. Зубарев
Методыиприборыизмерений ядерныхматериалов
ЛАБОРАТОРНЫЙПРАКТИКУМ
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений
МОСКВА 2011
УДК 621.039.531.08(075) ББК 31.46я7 Б 94
Бушуев А.В., Кожин А.Ф., Петрова Е.В., Алеева Т.Б., Зубарев В.Н. Методы и приборы измерений ядерных материалов. Лабораторный практикум.
М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – 156 с.
Лабораторный практикум состоит из двух частей, содержащих описание работ, проводимых в лабораторном корпусе (Часть 1) и в помещении реактора ИРТ МИФИ (Часть 2). Каждая часть имеет введение, в котором рассматриваются задачи контрольных измерений соответствующих ЯМ и методы их решения. Особое внимание в первой части уделяется методам спектрометрии ядерных излучений, лежащих в основе неразрушающих анализов ЯМ. Во второй части рассматриваются опыты по определению характеристик отработавших ТВС, особенности измерения протяженных высокоактивных источников излучения.
Цель занятий в практикуме – изучение и освоение наиболее распространенных методов контрольных измерений ЯМ с применением новейшей аппаратуры и программного обеспечения. Объектами исследований являются реальные и макетные твэлы, образцы ЯМ, отработавшие ТВС ИРТ МИФИ. Уделяется внимание определению характеристик измерительной аппаратуры, выбору режима работы, анализу погрешностей полученных результатов, контролю качества измерений. При измерениях отработавших ТВС студенты приобретают навыки безопасной работы с мощными источниками радиоактивного излучения.
Предназначено для студентов четвертого и пятого курсов, специализирующихся в области учета и контроля ядерных материалов.
Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.С. Трошин
ISBN 978-5-7262-1516-7 |
© Национальный исследовательский ядерный |
|
университет «МИФИ», 2011 |
|
Редактор Н.В. Шумакова |
Оригинал-макет изготовлен Т.Б. Алеевой |
|
|
|
Подписано в печать 15.12.2010. Формат 60×84 1/16 |
|
Уч.-изд.л. 10,0. Печ.л. |
9,75. Тираж 100 экз. Изд. № 1/3/69. Заказ № 15 |
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское ш., 31
ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42
СОДЕРЖАНИЕ
Часть 1. Определение характеристик ядерных материалов методом спектрометрии излучений
Введение………………………..……………………………......……....4
Работа 1. Основы гамма-спектрометрического метода контроля ядерных материалов…….…………………………………….....…….40
Работа 2. Основы альфа-спектрометрического метода контроля ядерных материалов……………………………………………...……56
Работа 3. Определение неоднородностей топливного столба в твэлах методом гамма-сканирования……………………................68
Работа 4. Определение концентрации ЯМ в растворах методом денситометрии на K-крае поглощения (ККД)……………………….74
Работа 5. Определение концентрации ЯМ в растворах с помощью рентгено-флюоресцентного анализа (РФА)…………...……..............86
Работа 6. Определение изотопного состава образцов плутония и урана с помощью программы FRAM…………………………...........97
Часть 2. Методы определения выгорания топлива отработавших ТВС
Введение………………………………………..……………………..114
Работа 7. Определение выгорания отработавших ТВС методом гамма-сканирования……………………………………………….....133
Работа 8. Определение выгорания по интенсивности нейтронного излучения отработавших ТВС………….…………….137
Рекомендуемая литература……………..……………..……………..141 Приложение 1…………………………………….....……..…………143 Приложение 2……………………..…………………………….……144 Приложение 3………………………..………………………….……153 Приложение 4………………………..………………………….……155
3
Часть 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ СПЕКТРОМЕТРИИ ИЗЛУЧЕНИЙ
Введение
Контроль за производством, сохранностью и применением ядерных материалов (ЯМ) основан на измерениях. Контролю подлежат материалы, находящиеся в разных физико-химических состояниях и обладающие разными количественными и качественными характеристиками.
Квантово-механические системы (атомы, ядра) могут находиться лишь в определенных энергетических состояниях. При переходе из одного состояния в другое испускаются излучения (гамма, рентгеновское) со строго определенной энергией. Вероятности переходов определяются квантовыми характеристиками состояний. Чем выше вероятность, тем больше интенсивность излучения, сопровождающего этот переход. Поскольку набор возможных энергетических состояний (уровней) для каждого атома и ядра индивидуален, то различаются и энергии испускаемых излучений. Спектры излучений могут рассматриваться как «подписи» нуклидов. Энергетические интервалы между уровнями составляют сотни и тысячи электронвольт, ширина уровней – десятые доли электронвольта, так что спектры излучений, испускаемых при переходах, имеют дискретную структуру.
Ядерные материалы представляют собой радиоактивные вещества, распады которых сопровождаются испусканием ионизирующих излучений. Большую часть всей информации о ЯМ получают из измерений их ядерных излучений. Поскольку часть излучений может поглощаться внутри измеряемого предмета, стремятся использовать наиболее проникающие виды излучений – гаммаили нейтронное.
Измерениям излучений, несущих полезную информацию о ЯМ, часто мешают фоновые излучения, источники которых могут находиться вне исследуемого образца или входить в его состав. В конечном счете, погрешность результата анализа зависит от числа
4
зарегистрированных сигналов, созданных измеряемым излучением ЯМ (полезные сигналы) и от соотношения между скоростями счета полезных и фоновых сигналов. Внешний фон можно ослабить путем применения специальной защиты детектора. Для отделения излучения, несущего полезную информацию, от фона внутренних источников применяют спектрометрический режим измерения.
Задачей спектрометрии являются измерение распределения частиц или фотонов по энергии. Анализируя распределения, можно обнаружить присутствие в спектре излучение определенного нуклида, а по интенсивности его излучения – содержание нуклида в образце. Успех анализа зависит от энергетического разрешения аппаратуры. Дополнительные возможности дает применение специальных программ математической обработки измеренных спектров.
Кроме измерений фотонных излучений существуют и другие неразрушающие методы контроля. В прошлом для этой цели широко использовали взвешивание – простой метод определения массы предметов, не дающий информации о химическом и изотопном составе. Чтобы охарактеризовать состав материала, требуются дополнительные (разрушающие) анализы для определения примесей, степени окисления (стехиометрии), содержания влаги и главное – изотопного состава. Таким образом, взвешивание можно рассматривать как один из этапов разрушающего анализа. Применение взвешивания в качестве неразрушающего метода предполагает наличие дополнительных данных о составе материала, полученных другими методами.
Все другие (кроме спектрометрии) неразрушающие методы измерения ЯМ (калориметрия, счет нейтронных совпадений) способны обеспечить высокую точность результатов, но требуют дополнительной информации для их расшифровки. Поэтому эти методы не являются самодостаточными.
В силу сказанного в предлагаемом лабораторном практикуме наибольшее внимание уделено изучению спектрометрических методов: гамма-спектрометрии, рентгеновской спектрометрии, альфаспектрометрии и их применению для решения некоторых практических задач.
Метод гамма-спектрометрии традиционно применяют для неразрушающего определения изотопного состава образцов урана и
5