Способ определения ядерного энерговыделения при возникновении реакции деления (варианты)

Изобретение относится к средствам охраны окружающей среды и объектов от загрязнений, анализа состояния радиоактивных веществ и может быть использовано при испытаниях ядерного оружия и других ядерно-физических установок (ЯФУ). Способ определения ядерного энерговыделения включает измерение наведенной активности содержащегося в почве Na-24, образовавшегося от потока нейтронов вследствие ядерной реакции деления (ЯРД) на исследуемом объекте, выполнение нейтронно-физических расчетов, определение величины энерговыделения по выведенным зависимостям. Нейтронно-физические расчеты включают корректировку измеренной активности Na-24 от нейтронного потока по глубине почвы, концентрации природного Na-23 и алгоритмы перехода к энерговыделению. Техническим результатом является возможность определения факта энерговыделения и его величины при возникновении внештатных аварийных ситуаций на ЯФУ в отсутствие предварительно установленных систем регистрации ионизирующих излучений при возникновении любых ЯРД. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и объектов от загрязнений, анализа состояния радиоактивных веществ, испытания ядерного оружия, мониторинга состояния ЯФУ (ядерно-физических установок) с делящимися материалами (ДМ).

Может быть использовано для регистрации энерговыделения и определения его величины на ЯФУ при возникновении любых ядерных реакциях деления (ЯРД).

Известно техническое решение: Заявка: 94020227/25, 01.06.1994. Способ обнаружения делящихся материалов.

Изобретение заключается в разработке метода обнаружения делящихся элементов. Сущность состоит в облучении исследуемого объекта импульсным потоком нейтронов с последующим измерением временного хода потока запаздывающих нейтронов, испускаемых осколками деления и по наличию характерной компоненты распада осколков деления с эффективным временем полураспада судят о содержании делящихся материалов в данном объекте.

Однако с помощью данного способа весьма сложно определить возможное энерговыделение ДМ и определить вероятность ошибки

Известно также техническое решение: Патент RU 2451348 С2. Способ определения энерговыделения в активной зоне по показаниям нейтронных детекторов в процессе эксплуатации реактора типа ВВЭР.

Сущность: энерговыделение определяют по показаниям нейтронных детекторов в процессе эксплуатации ЯФУ (реактора ВВЭР), выполняют нейтронно-физические расчеты для смоделированных и для реальных сборок, осуществляют аппроксимацию функции перехода от показаний детекторов к линейному энерговыделению.

Недостатками известного решения является то, что оно может использоваться при измерении линейного (стабильного во времени) энерговыделения. Необходима сложная система предварительно установленных и настроенных систем детектирования и предварительная корректировка их показаний. При импульсных формах ЯРД и внештатных ситуациях информация о величинах энерговыделения будет отсутствовать.

Указанное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному.

Решаемой технической задачей предлагаемого способа является универсальность и простота регистрация ядерного энерговыделения ДМ, достоверность определения его величины при любом виде ЯРД в отсутствии предварительно установленных систем детектирования ионизирующих излучений (ИИ).

Решение указанной технической задачи обеспечивается изложенной ниже совокупностью существенных признаков.

Использование в качестве детектора излучений образовавшегося в почве Na-24.

Нейтронно-физические расчеты с разработанными алгоритмами перехода от измеренной удельной активности Na-24 вследствие нейтронного потока исследуемой ЯФУ при возникновении ЯРД с рассчитанным распределением нейтронного потока по глубине почвы и концентрацш природного Na-23, к величине энерговыделения,

при этом

выведена зависимость, связывающая измеренное значение удельной активности Na-24 с величиной энерговыделения ДМ

где

q[кг.m.э] - величина энерговыделения;

А_уд - удельная активность Na-24, Бк/кг;

T - время, прошедшее с момента аварии, с;

α - среднее число нейтронов, испускаемых за один акт деления;

R - расстояние до исследуемого объекта;

K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ЯФУ и местом отбора пробы.

Нейтронно-физические расчеты с разработанным алгоритмом перехода от измеренной поверхностной активности Na-24 вследствие нейтронного потока исследуемой ЯФУ при возникновении ЯРД, с рассчитанным распределением нейтронного потока по глубине почвы и концентрации природного Na-23, к величине энерговыделения,

при этом

выведена зависимость, связывающая измеренное значение поверхностной активности Na-24 с величиной энерговыделения ДМ

где

A_s - поверхностная активность Na-24, Бк/м²;

K(R_S) - коэффициент, зависящий от расстояния между ИО и местом проведения измерений.

Описание сущности предложенного изобретения

При попадании нейтронного потока на поверхность почвы происходит множество процессов, в частности ядерные реакции [1, 4]. Одной из них является превращение природного стабильного Na-23 в нестабильный изотоп Na-24. Число нейтронов, поглощенных в грунте, определяется выражением [2]:

Флюенс поглощенных нейтронов на участке местности в декартовой системе координат:

Na-24 - γ активен. Гамма-кванты испускаются двух энергий: Ε₁=1368 кэВ и Е₂=2754 кэВ. Следовательно, гамма-излучение с энергиями Ε₁ и Е₂ являются характеристическими признаками наличия натрия в почве и прошедшего нейтронного потока.

Локальную наведенную активность с координатами (X,Y,h) от исследуемой ЯФУ можно представить в виде

а ядерное энерговыделение

Для проведения расчета величины ядерного энерговыделения, с использованием перечисленных выше соотношений, требуется определить гамма-спектрометрическим методом локальную активность выбранного изотопа Na-24, активируемого нейтронами.

В точках с координатами (Χ,Υ), определяющими место отбора пробы (или измерения поверхностной активности), активность излучения гамма-квантов с энергией Ε Α_Νа(i,k)(Χ,Υ,Ε):

Формула для расчета величины ядерного энерговыделения определяется из выражения:

где A_{уд_Na} - наведенная активность в грунте, Бк/см³,

q - величина ядерного энерговыделения, кг,

η_(i,k)(E) - квантовый выход излучения,

A_Na(i,k)(X,Y,E) - активность излучения гамма-квантов с энергией Ε радионуклида в пробе, определяемая спектрометрической аппаратурой, квант/с,

ρ - плотность грунта, г/см³,

Ν_Α - число Авогадро,

Μ_i - атомная масса i-го радионуклида,

С_i - доля активируемого i-го элемента в грунте, отн. ед.,

С_к - доля активируемого k-го изотопа в природной смеси изотопов i-го элемента, отн. ед.,

σ_k - сечение активации, см²,

λ_к - постоянная распада, с^-1,

t - время с момента аварии, с.

При измерении поверхностной активности переносным спектрометром в точках с координатами (Χ,Y), определяющими положение детектора относительно центра аварии, плотность потока гамма-квантов с энергией Ε φ_Na(i,k)(X,Y,E) выбранного радионуклида:

где

µ_g(Ε) - линейный коэффициент ослабления в грунте от энергии (Е) фотонного излучения радионуклида;

µ_ν(Ε) - линейный коэффициент ослабления в воздухе от энергии фотонного излучения радионуклида.

Отсюда формула для расчета величины ядерного энерговыделения, при измерении поверхностной активности с использованием переносного спектрометрического оборудования в зоне аварии:

где φ_Na(i,k)(X, Y,E) - плотность потока гамма-квантов с энергией Ε наведенного радионуклида, определяемая спектрометрической аппаратурой на высоте Н, квант/(с∗см²).

Решая представленные уравнения, получаем соотношения для определения величины энерговыделения.

Т.о., исследуя пробы гамма-спектрометрической аппаратурой, анализируя спектрограммы и проводя предлагаемые расчеты, получаем следующие результаты.

1. При отсутствии на спектре пиков полного поглощения (ППП) с Ε₁=1368 кэВ и Е₂=2754 кэВ энерговыделения не происходило.

2. Наличие ППП с Ε₁=1368 кэВ и Ε₂=2754 кэВ указывает на происшедшее нейтронное облучение проб и энерговыделение ЯФУ.

3. Анализируя счетность ППП вышеуказанных энергий, зная сечение нейтронов спектра деления с Na-23, определяем флюенс нейтронов, прошедших через исследуемую пробу.

4. По рассчитанной с помощью метода Монте-Карло модели распространения потока нейтронов по радиусу и глубине при возникновении ядерной РД, получаем алгоритм расчета с количеством распавшегося ДМ и его энерговыделением.

5. С помощью вышеприведенного алгоритма получаем зависимости, позволяющие определить искомое энерговыделение от результатов проведенных измерений.

При измерении удельной активности Na-24:

где

q[кг.m.э] - величина ядерного энерговыделения;

А_уд - удельная активность Na-24, Бк/кг;

t - время, прошедшее с момента аварии, с;

α - среднее число нейтронов, испускаемых за один акт деления;

R - расстояние до исследуемого объекта;

K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ЯФУ и местом отбора пробы.

При измеренной поверхностной активности Na-24:

где

A_s - поверхностная активность Na-24, Бк/м²;

K(R_S) - коэффициент, зависящий от расстояния между ЯФУ и местом проведения измерений.

Выбор натрия обусловлен его следующими свойствами [3]:

- высокая концентрация в почве ~2.5%,

- сечение взаимодействия σ=5 барн,

- два характеристических ППП, позволяющих идентифицировать этот элемент в смешанных полях гамма-излучений,

- удобный для анализа период полураспада, Т_1/2=14.9 час.

Весь комплекс мероприятий от отбора пробы до получения величины ядерного энерговыделения занимает несколько часов при измерении удельной активности и гораздо меньшее время при измерении поверхностной активности, обеспечивает с вероятностью Р=0,95 суммарную погрешность анализа не более 30%.

В данном методе отсутствует влияние неравномерности разлета активного вещества в ближней зоне реакции деления и изменчивости метеорологических факторов на погрешность определения величины ядерного энерговыделения.

В процессе реализации предложенный способ заключается в том, что:

1. на известном расстоянии от исследуемого объекта измеряют наведенную поверхностную активность (отбирают пробу грунта);

2. гамма-спектрометрической аппаратурой измеряют спектры в области энергий Е₁=1368 кэВ и Е₂=2754 кэВ;

3. отсутствие ППП указанных энергий указывает на отсутствие или весьма незначительное энерговыделение ДМ ЯФУ;

4. при наличии ППП определяют поверхностную активность A_s (удельную активность пробы);

5. по предлагаемым в «способе…» зависимостям и полученным значениям (А_s)А_уд вычисляют энерговыделение ДМ:

- при измеренной удельной активности Na-24:

где

q[кг.m.э] - величина энерговыделения;

А_уд - удельная активность Na-24, Бк/кг;

t - время, прошедшее с момента аварии, с;

α - среднее число нейтронов, испускаемых за один акт деления;

R - расстояние до исследуемого объекта;

K(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ИО и местом отбора пробы.

При измеренной поверхностной активности Na-24:

где

A_s - поверхностная активность Na-24, Бк/м²;

K(R_S) - коэффициент, зависящий от расстояния между ИО и местом проведения измерений.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет определять величину энерговыделения при возникновении внештатных аварийных ситуаций на ЯФУ в отсутствии предварительно установленных систем регистрации ИИ при возникновении любых ядерных реакциях деления.

Литература

1. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. М., Наука, 1998.

2. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений. Атомиздат, М., 1967.

3. Войткевич Г.В., Кокин А.В. и др. Справочник по геохимии. М., Недра, 1990 г.

4. Левин В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. М., Атомиздат, 1975.

1. Способ определения ядерного энерговыделения в исследуемом объекте (ИО) при возникновении ядерной реакции деления, включающий измерение наведенной активности почвы около ИО, отличающийся тем, что около ИО отбирают пробы почвы, затем лабораторно-спектрометрическим методом измеряют удельную активность содержащегося в пробе природного изотопа Na-24, а величину энерговыделения определяют по зависимости, связывающей величину энерговыделения с измеренным значением удельной активности Na-24:

где
q[кг.т.э] - величина энерговыделения;
А_уд - удельная активность Na-24, Бк/кг;
t - время, прошедшее с момента аварии, с;
α - среднее число нейтронов, испускаемых за один акт деления;
R - расстояние до исследуемого объекта;
К(R) - коэффициент, зависящий от расстояния между ИО и местом отбора пробы.

2. Способ определения ядерного энерговыделения в исследуемом объекте (ИО) при возникновении ядерной реакции деления, включающий измерение наведенной поверхностной активности почвы около ИО, отличающийся тем, что измеряют поверхностную наведенную активность Na-24, а величину энерговыделения определяют по разработанной и рассчитанной зависимости, связывающей величину энерговыделения с измеренным значением поверхностной активности Na-24:

где
A_s - поверхностная активность Na-24, Бк/м²;
К(R_S) - коэффициент, зависящий от расстояния между ИО и местом проведения измерений.