Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы учёта и контроля делящихся материалов в производстве. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
С.В. Беденко, И.В. Шаманин
ОСНОВЫ УЧЁТА И КОНТРОЛЯ
ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ
В ПРОИЗВОДСТВЕ
Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета
Издательство
Томского политехнического университета
2011
УДК 621.039
Б38
Беденко С.В.
Б38 Основы учёта и контроля делящихся материалов в производ-
стве: учебное пособие / С.В. Беденко, И.В. Шаманин; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 91 с.
В пособии даются общие представления о системах и мерах, которые
используются для обеспечения сохранности делящихся материалов в производстве. Рассматривается назначение систем учёта, контроля и физической
защиты ядерных материалов. Рассматривается контроль нейтроннофизических параметров в системах хранения и транспортировки облученного
топлива. Особое внимание уделено ядерной и радиационной безопасности систем хранения облученного ядерного топлива.
Предназначено для студентов и магистров, обучающихся в ФТИ.
УДК 621.039
Рецензенты
Кандидат технических наук, начальник отдела радиационной
безопасности ФГУП «Горно-химический комбинат»
В.В. Мартынов
Кандидат физико-математических наук
начальник отдела оценки, развития и адаптации персонала
(учебно-производственного центра) ОАО СХК
Ю.А. Артельный
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2011
© Беденко С.В., Шаманин И.В., 2011
© Обложка. Издательство Томского
политехнического университета, 2011
СОДЕРЖАНИЕ
3
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 7
1. РОЛЬ СИСТЕМ УЧЁТА И КОНТРОЛЯ
ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ .................................................................... 8
1.1. Элементы учѐта, контроля и физической защиты ядерных
материалов .......................................................................................... 9
1.2. Учѐт ядерных материалов ............................................................... 10
1.3. Контроль ядерных материалов ....................................................... 11
2. КАТЕГОРИРОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ......................... 12
2.1. Ядерные материалы, подлежащие учѐту и контролю .................. 12
2.2. Категоризация ядерных материалов .............................................. 13
3. МЕТОДЫ И ПРОЦЕДУРЫ ИЗМЕРЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
В ЦЕЛЯХ УЧЁТА И КОНТРОЛЯ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ...... 20
3.1. Учѐтные и подтверждающие измерения ....................................... 20
3.2. Разрушающий и неразрушающий методы учѐта и контроля
ядерных материалов ........................................................................ 22
3.1.1. Неразрушающий анализ в учѐте и контроле ядерных
материалов ............................................................................. 23
3.1.2. Разрушающий анализ в учѐте и контроле ядерных
материалов ............................................................................. 31
3.3. Контроль качества измерений в системе учѐта и контроля ......... 32
4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ
НА СТАДИЯХ ЯТЦ И ОПАСНОСТЬ ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ .. 34
4.1. Ресурсы ............................................................................................. 34
4.2. Урановые рудники. Первичная переработка руды ....................... 35
4.3. Переработка уранового концентрата ............................................. 36
4.3.1. Преобразование в UF6 ........................................................... 36
4.3.2. Обогащение урана ................................................................. 37
4.3.3. Газоцентрифужная технология ............................................ 38
4.3.4. Лазерное разделение изотопов ............................................ 39
4.4. Изготовление ядерного топлива (таблеток, твэл и ТВС) ............ 40
4.5. Облучение топлива в реакторах ..................................................... 42
4.6. Транспортировка и хранение облученного ядерного топлива ... 42
4.7. Радиохимическая переработка облученного ядерного топлива . 43
4.8. Хранение и переработка радиоактивных отходов ....................... 45
5. ЗАДАЧИ УЧЁТА И КОНТРОЛЯ НА СТАДИЯХ ЯТЦ ...................... 49
4
6. КОНТРОЛЬ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ................ 56
6.1. Хранение облучѐнного ядерного топлива ..................................... 57
6.2. «Мокрое» хранение облучѐнного топлива АЭС ........................... 58
6.3. «Сухое» хранение облучѐнного топлива АЭС .............................. 60
6.4. Ядерная и радиационная безопасность систем
хранения ядерных материалов ....................................................... 61
6.4.1. Ядерная безопасность. Основные проблемы
ядерной безопасности хранилищ ОЯТ ................................ 61
6.4.2. Методы расчета эффективного коэффициента
размножения в хранилищах ОЯТ ....................................... 62
6.4.3. Радиационная безопасность ................................................. 64
6.4.4. Радиационные характеристики облученного
ядерного топлива ................................................................... 65
6.4.5. Нейтронная составляющая радиационных
характеристик ОЯТ ............................................................... 66
6.5. Нейтронно-физические параметры систем долговременного
«сухого» хранения ОЯТ ................................................................. 77
6.5.1. Нейтронно-физические параметры камеры
пролетом 12 м СХОЯТ. Случай «свежего» топлива ......... 77
6.5.2. Нейтронно-физические параметры камеры
пролетом 12 м СХОЯТ.
Случай «выгоревшего» топлива .......................................... 83
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................ 89
ВВЕДЕНИЕ
5
В настоящее время в России эксплуатируются 11 энергоблоков с
реакторами РБМК-1000 и 9 блоков с реакторами ВВЭР-1000. Прогнозы,
сделанные в различных странах, показывают, что в ближайшее время в
мире ожидается увеличение мощности АЭС в десятки раз. Что приведет
не только к быстрому темпу производства урана и плутония, но и к росту облученного ядерного топлива, радиоактивных отходов и делящихся
веществ, являющихся основой любых ядерных материалов.
Обращение с большим количеством ядерных материалов требует
строгой системы учѐта и контроля их накопления, хранения, перемещения и иного использования. Важность такого контроля определяется, в
первую очередь, ядерной и радиационной опасностью ядерных материалов, а также высокой их стоимостью.
В данном учебном пособии даются общие представления о системах и мерах, которые используются для обеспечения сохранности ядерных и делящихся материалов в производстве. Рассматривается назначение систем учѐта, контроля и физической защиты. Приведены основные
принципы и структура этих систем. В пособии перечисляются подлежащие контролю ядерные материалы, обсуждаются их ядернофизические и химические свойства, изложены правила категорирования
ядерных материалов. Даются сведения о наиболее распространенных
методах разрушающего и неразрушающего контроля, рассмотрен баланс ядерных материалов на различных стадиях ядерного топливного
цикла.
В заключительном разделе пособия рассмотрены вопросы контроля
нейтронно-физических параметров в системах хранения и транспортировки облученного топлива. Основное внимание уделено ядерной и радиационной безопасности систем хранения облученного ядерного топлива.
Содержание учебного пособия соответствует учебному плану подготовки студентов по направлениям, реализуемым в Физикотехническом институте.
1. РОЛЬ СИСТЕМ УЧЁТА И КОНТРОЛЯ
6
ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Безопасность с точки зрения общества – это в первую очередь,
проблема, как обеспечить только мирное использование ядерных материалов (ЯМ).
Под ядерными материалами подразумеваются материалы, содержащие делящиеся вещества, или материалы способные их воспроизвести.
Цель программы нераспространения ядерных (делящихся) мате-
риалов: предотвратить распространение ядерных материалов в странах,
которые им еще не обладают или попадание его в руки террористов воизбежание национальной или всемирной ядерной катастрофы.
Основным инструментом международного контроля за ядерными
технологиями является созданная в 1957 г. МАГАТЭ. База для такого
контроля – подписанный в 1970 г. договор о нераспространении ядерного оружия.
С помощью развитой системы мер МАГАТЭ контролирует и не
допускает переключения ядерных материалов для немирного использования.
На уровне отдельного государства нераспространение обеспечивается следующими факторами:
1. Культурой людей, работающих с ядерными материалами и де-
лящимися веществами.
2. Мерами и средствами, обеспечивающими нераспространение
ядерных материалов. К таким мерам относятся:
2.1. Нормативно-правовые (законы, правила, указы, положения и распоряжения).
2.2. Организационные.
2.3. Технические меры и средства (оборудование и средства).
Совокупность этих мер и средств как раз и представляет собой га-
рантии нераспространения. В случае плохого учѐта и контроля могут
возникать локальные неконтролируемые цепные реакции, которые могут привести к различным видам аварий.
Все ЯМ является радиологически и химически токсичными веще-
ствами, поэтому требуют специального обращения.
Проблему специального обращения можно представить как сово-
купность двух основных задач:
Первая задача – это задача на критичность, т. е. обоснование
ядерной безопасности систем содержащих делящиеся вещества. Сего-
дня эта задача успешно решена. В настоящее время широко использу-
ются различные пакеты прикладных программ (ППП), реализующие ме-
7
тод Монте-Карло: MCU-RFFI, MCNP, SCALE, MMKFK-2. С их помощью можно рассчитывать значение эффективного коэффициента размножения в различных технических системах, содержащих ядерные делящиеся материалы, с большой точностью (~10–5…10–6).
Вторая задача – это изучение радиационных характеристик, моделирование радиационной обстановки вблизи систем содержащих ЯМ и
делящиеся вещества. Эта задача решена не полностью. В частности
имеются определенные трудности с определением источника нейтронов
и его основных характеристик (интенсивность, спектр нейтронного излучения).
Три главных составляющих специального обращения – физическая
защита, учѐт и контроль. Все ЯМ подлежат учѐту и контролю, но сами
процедуры учѐта и контроля, а также методы учѐта и контроля, зависят
от физических, химических и радиологических свойств ядерных материалов, содержащих делящиеся вещества. Большинство методов контроля основано на различных видах излучений, которые лежат в основе
разрушающего и не разрушающего контролей.
Цель систем учѐта и контроля:
1. Создание и обеспечение необходимых условий для эффектив-
ного управления ядерных материалов в РФ.
2. Обнаружение и предотвращение кражи, утраты, использова-
ние не по назначению.
3. Обеспечение гарантии того, что все ЯМ достаточным спосо-
бом учтены.
1.1. Элементы учѐта, контроля и физической защиты
ядерных материалов
В России имеется значительные количества ядерных материалов,
было накоплено 15 000 т облучѐнного ядерного топлива (ОЯТ), в 2015 г.
прогнозируется 25 000 т, а в 2030 г. – 33 000 т.
Все эти ЯМ и ОЯТ находятся на территории многих предприятий и
институтов. Защищенность ядерных материалов обеспечивается двумя
системами: системой учѐта и контроля, и системой физической защиты.
Основным назначением системы физической защиты (СФЗ) является
исключение несанкционированного доступа к ядерным материалам, основным назначением системы учѐта и контроля является исключение
несанкционированного перемещения ядерного материала по стадиям
ядерного топливного цикла (ЯТЦ). И только взаимная интеграция этих
двух систем обеспечивает необходимую защищенность делящегося и
8
ядерного материала в производстве.
СФЗ представляют собой совокупность соответствующих организационных и инженерно-технических мероприятий на объекте. Это –
технические средства обнаружения несанкционированных действий,
физические барьеры, поведение персонала (сил охраны), направленное
на пресечение этих действий. На смену «солдату с ружьем» пришли современные автоматизированные информационно-управляющие системы. Многие функции, выполняемые ранее человеком, переданы сейчас
техническим устройствам, что позволило повысить эффективность физической защиты предприятий ЯТЦ. Современные средства обнаружения, основанные на различных физических принципах, системы управления доступом на объект, позволяют обеспечить идентификацию личности, и только санкционированный проход персонала в охраняемые
зоны объекта, устанавливаются телекамеры, позволяющие видеть практически в темноте. Кроме того, вся получаемая информация передается,
и отображаться на пультах операторов для подготовки и принятия оперативных решений по ликвидации угрозы (пресечению несанкционированных действий). Причем все это меры безопасности (элементы ФЗ)
должны работать слаженно, вместе с системой учѐта и контроля обеспечивать сохранность делящегося материала.
1.2. Учѐт ядерных материалов
Начинается учѐт с категорирования ЯМ, так как сегодня учѐт ведется в зависимости от близости по количеству и качеству к оружейному материалу, то первая составляющая – идентификация и категорирование ядерных материалов.
Вторая составляющая – это измерение масс ядерных материалов
(Pu, U и др.) и основная составляющая учѐта при производстве ядерного
топлива. Проводят измерения на начальной стадии производства и на ее
конечной стадии. Внутри технологического процесса делящийся материал может быть потерян в связи с несовершенством самого процесса,
его просыпки персоналом (культуры на предприятии), потери в вентиляционных трубах, а также часть может распасться в соответствии с законом радиоактивного распада.
Третья составляющая – инвентаризация, ключевая процедура учета, только по ее результатам можно судить о том, как качественно осуществляется учѐт на производстве.
Четвертая составляющая учета – ведение учѐтной и отчѐтной документации (центральный аспект учета).
1.3. Контроль ядерных материалов
9
Контроль наличия и перемещения ЯМ включает в себя системы и
процедуры обеспечивающие:
1. Контроль доступа, т. е. по сути, контроль персонала.
2. Наблюдение за хранением и использованием ЯМ.
3. Проверку перемещения материала в соответствии с техноло-
гическим регламентом.
Любые виды, формы и количество ядерного материала, пригодного
для создания ядерного устройства, подвергаются особенно жестким мерам обеспечения сохранности.
Меры учѐта и контроля тем жестче, чем более привлекателен ЯМ с
точки зрения создания взрывного ядерного устройства, а система учѐта
и контроля не только контролирует перемещение ЯМ, но и создает непреодолимые препятствия внутренним нарушителям.
2. КАТЕГОРИРОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
10
2.1. Ядерные материалы, подлежащие учѐту и контролю
Применительно к ядерным материалам одним из основных понятий
является понятие учѐтной категории ядерных материалов. Если материал подпадает под учетную категорию, то к нему должны применяться
определенные правила учета, контроля и физической защиты. Если материал не подпадает под учѐтную категорию, то таких жестких правил к
нему не применяется.
Учѐту и контролю подлежат ЯМ, которые приведены в табл. 2.1.
Помимо основных элементов уран-плутониевого и ториевого циклов в
этот список входят трансурановые элементы. Кроме этого в список
включены некоторые специальные неядерные материалы в силу их значимости и использования при производстве оружейных материалов и
ядерных взрывных устройств. Например, Cf
252
, Li6, Н3 используются при
производстве ядерного и термоядерного оружия. Тяжелая вода применяется в качестве замедлителя в ядерных реакторах – наработчиках
оружейного плутония.
Ядерные материалы подлежат государственному учѐту и контролю,
если значения их масс, находящихся на предприятии, транспортируемых на одном транспортном средстве, равны или превышают минимальные количества, указанные в табл. 2.2. Из этой таблицы следует,
что для основных элементов уран-плутониевого и ториевого циклов их
минимальные учѐтные количества составляют 15 г. Для урана и тория
природного изотопного состава учѐтное количество начинается с 500 кг.
Если на предприятии находится совокупность ядерных материалов,
продукты, изделия, содержащие смесь приведенных в табл. 2.1 ядерных
материалов, то правила не распространяются на них, лишь в случаях
непревышения всех перечисленных в табл. 2.2 ограничений.
Государственному учѐту и контролю не подлежат:
уран, содержащийся в руде, а также в промежуточных продук-
тах, перерабатываемых на горно-металлургических предприятиях,
торий, содержащийся в руде, а также в промежуточных про-
дуктах, перерабатываемых на горно-металлургических предприятиях,
ядерные материалы, содержащиеся в закрытых источниках ио-
низирующего излучения;
Np
237
, Am
241
, Am
243
, Cf
252
в облученных продуктах;
Li6, если его содержание в литии не превышает 7,5 % атомных;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]