Производственный опыт использования двухдиапазонного счетчика показал, что метод нейтронных совпадений обеспечивает точность анализа от 2 до 4 % для хорошо охарактеризованных плутониевых образцов в виде металла и оксида. Для гетерогенных оксидов и металлов с примесями метод нейтронных совпадений не имеет явного преимущества по сравнению с методом регистрации полного потока нейтронов. Это объясняется тем, что поправка на саморазмножение применима только для чистых металлических и хорошо охарактеризованных оксидных образцов, когда геометрические эффекты превосходят эффекты размножения, вызванные нейтронами (α,n)-реакций. В других больших размножающих образцах регистрация полного потока нейтронов часто обеспечивает более точ- ный анализ ввиду его меньшей чувствительности к размножению. С другой стороны, метод нейтронных совпадений более точен для скрапа с низким размножением, когда бывает необходимо отсекать нейтроны сильных (α,n)-реакций или высокого фона в помещении. В общем случае, для всего многообразия материалов необходимо использовать как метод совпадений, так и метод регистрации полного потока нейтронов.

17.3АКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОННЫХ СОВПАДЕНИЙ

Пассивная установка совпадений HLNCC и многие специализированные блоки детектирования, созданные на ее основе, применимы для пассивного анализа плутония. Однако это оборудование не может быть использовано для пассивного анализа большинства урановых образцов из-за предельно низкого уровня выхода нейтронов спонтанного деления. Для анализа урана были разработаны активные счетчики нейтронных совпадений, использующие те же самые портативные или транспортабельные блоки электроники, а также небольшие AmLi-ис- точники нейтронов для облучения 235U èëè 233U. Активные счетчики нейтронных совпадений могут также работать в пассивном режиме при извлеченном источнике подсветки. Описание этих счетчиков представлено в данной главе, поскольку они схожи с пассивными счетчиками. Рассмотрены следующие приборы:

1.активный колодезный счетчик нейтронных совпадений AWCC (Active Well Coincidence Counter);

2.воротниковый счетчик нейтронных совпадений для урана UNCC (Uranium Neutron Coincidence Counter);

3.пассивный воротниковый счетчик нейтронных совпадений для плутония PNCC (Passive Neutron Coincidence Counter);

4.монитор для входного контроля баллонов с UF6 RAM (Receipts Assay Monitor).

17.3.1Активный колодезный счетчик нейтронных совпадений AWCC

На рис. 17.23 показана конструкция установки AWCC [18]. Она очень похожа на пассивную установку, за исключением наличия двух небольших (~5Ч104 нейтр./с) AmLi-источников, размещенных сверху и снизу измерительной полости. Два кольца 3He-счетчиков дают высокую эффективность регистрации

Ðèñ. 17.23. Чертеж активного колодезного счетчика нейтронных совпадений AWCC. Показано расположение 3He-счетчиков, замедлителя и полости для образца, экранированной кадмием

нейтронных совпадений, вызванных вынужденным делением. Сами AmLi-источ- ники не производят совпадающих нейтронов, но зато образуют много случайных совпадений, что является главным источником погрешностей при анализе (см. раздел 16.7.2). Полиэтиленовый замедлитель и кадмиевые экраны сконструированы таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность регистрации вынужденных делений и минимальную эффективность регистрации нейтронов (α,n)-реакции из AmLi-источников подсветки.

Никелевый отражатель в измерительной полости детектора обеспечивает более проникающее нейтронное облучение и слегка улучшенную статистическую точность, по сравнению с той, которая могла бы быть достигнута без него. При наличии этого отражателя максимальный диаметр образца составляет 17 см. Для образцов большого диаметра никелевый отражатель может быть удален, при этом измерительная полость имеет диаметр 22 см. Концевые пробки имеют полиэтиленовые диски, выполняющие роль прокладок, причем эти диски могут быть удалены для увеличения высоты рабочей полости. Убирая диски с верхней и нижней пробок, можно получить высоту рабочей полости, равную 35 см.

Кадмиевый экран с внешней стороны детектора уменьшает влияние фона низкоэнергетических нейтронов в помещении. Кадмиевый экран внутри колодца детектора поглощает тепловые нейтроны из нейтронного потока подсветки и улучшает экранирование между 3He-счетчиками и AmLi-источником. При установленном на место кадмиевом экране режим работы AWCC называется "быст-

рым". В этом случае нейтронный спектр имеет относительно высокую энергию и установка хорошо подходит для анализа больших количеств 235U. Конфигурация установки при удаленных кадмиевых экранах называется "тепловой". В этом слу- чае спектр облучающих нейтронов имеет сравнительно низкую энергию, а чувствительность установки значительно повышается, но при этом проникающая способность таких нейтронов крайне низка. В данной конфигурации установка применяется для анализа небольших или низкообогащенных ура новых образцов.

В табл. 17.2 представлены эксплуатационные характеристики установки AWCC как в быстром, так и в тепловом режимах работы. Абсолютная точность анализа практически не зависит от величин анализируемых масс (см. раздел 16.7.2). В общем, установка AWCC лучше всего подходит для анализа массивных образцов из высокообогащенного урана и ее не следует использовать для образцов с низким обогащением по 235U, исключая анализ в тепловом режиме образцов с хорошо известными свойствами. Установка AWCC может также быть использована в пассивном режиме для контроля плутония, при этом Am- Li-источники должны быть удалены.

Таблица 17.2 — Основные характеристики установки AWCC

ã235U

* Определяется как чистый сигнал совпадений, равный 3σ от скорости счета внешнего фона при времени измерения 1000 с.

По сравнению с обычной установкой, регистрирующей быстрые нейтронные совпадения, например, типа “Рэндом драйвер” [1], счетчик AWCC более портативен, легок, стабилен и менее подвержен влиянию внешнего гамма-фона. Последняя особенность делает его применимым для контроля материалов уран-ториево- го топливного цикла, которые обладают очень высоким уровнем гамма-излуче- ния из-за продуктов распада изотопа 232U. Установка “Рэндом драйвер” имеет преимущество в том, что нейтроны подсветки в ней имеют большую среднюю энергию и потому обладают большей проникающей способностью [19]. Эта уста-

новка имеет в тысячу раз меньшую ширину ворот совпадений, делая возможным использование источника подсветки с большей интенсивностью для улучшения чувствительности.

Установка AWCC обеспечивает решение нескольких измерительных задач, представляющих интерес для инспекторов. Список измеряемых материалов включает:

1.высокообогащенный уран (93 % 235U) в металлических блоках весом от 1 до 4 кг, который является исходным материалом для производст ва топлива;

2.контейнеры с уран-алюминиевыми отходами производства топливных элементов;

3.контейнеры с порошком оксида урана;

4.смесь оксида урана и графита;

5.уран-алюминиевые слитки и топливные стержни;

6.топливные элементы для материаловедческих реакторов.

Типичные градуировочные кривые для случаев 1, 3 и 4 приведены на рис. 17.24 и 17.25. На всех кривых заметны эффекты самопоглощения нейтронов в уране, а противоположный эффект размножения нейтронов в металле виден на рис. 17.24.

Недавние производственные испытания установки с топливными элементами материаловедческого реактора [20] показали, что можно получить сходимость результатов анализа на уровне ~1 % при времени измерения 400 с. Преимущество установки AWCC перед традиционной методикой, основанной на регистрации гамма-излучения этих материалов для анализа топливных элементов материаловедческого реактора, состоит в том, что эта установка не имеет проблем, связанных с геометрией измерений и низким содержанием 235U. Для контроля анализа топливных элементов и пластин для материаловедческого реактора установка AWCC видоизменяется, как показано на рис. 17.26 [21]. Два AmLi-источника устанавливаются внутри полиэтиленового вкладыша, в который помещаются топливные элементы. На рис. 17.27 показана градуировочная кривая для типовых пластин и элементов материаловедческого реактора.

Ðèñ. 17.24. Зависимость чувствительности установки AWCC от массы урана. Образцы набраны в виде стопки металлических дисков по 6 и 7 см

Ðèñ. 17.25. Зависимость чувствительности установки AWCC от массы порошка оксида высокообогащенного урана и его смеси с графитом [19]

Ðèñ. 17.26. Горизонтальное расположение установки AWCC с полиэтиленов ым вкладышем, используемым для анализа топливных пластин и элементов м атериаловедческих реакторов (МР)

17.3.2Воротниковый счетчик нейтронных совпадений для урана UNCC

Для целей ядерных гарантий большой интерес представляет измерение топливных сборок целиком, так как они являются выходным продуктом завода и входным для реактора. Обогащенный уран часто перемещается с одной установки или из страны на другую установку или в страну виде топливных сборок. Активный метод нейтронной подсветки [22] разрабатывался для измерения содержания 235U в свежих топливных сборках. Метод использует AmLi-нейтронный источник для возбуждения реакции деления в сборке и регистрацию совпадений нейтронов, полученных в результате этой реакции. Регистрация совпадений устраняет нежелательные акты регистрации случайных нейтронов от самого AmLi-ис- точника подсветки, а также влияние внешнего фона. Когда источник подсветки

Ðèñ. 17.28. Воротниковый счетчик нейтронных совпадений UNCC для урана на базе стандартного блока сдвигового регистра. Установка находится в положении для измерения макетов топливных сборок реактора с водой под давлением

Система в сборе, показанная на рис. 17.28, состоит из блока детектирования, электронного оборудования, микрокалькулятора HP-97 и несущей тележки, на которой при практическом применении система подкатывается к сборке. Задняя часть блока детектирования выполнена в виде дверцы, позволяющей охватить детектором измеряемую сборку.

Испытания и оценка установки UNCC были выполнены на заводе по производству топлива как для реакторов с водой под давлением [23], так и реакторов на кипящей воде [24]. С помощью активного режима с внешней подсветкой измерялось содержание 235U, а пассивный режим использовался для определения содержания 238U. Установка UNCC измеряет содержание 235U èëè 238U на единицу длины, которое пропорционально обогащению для данного типа сборки. Длина измеряемой зоны образца составляет ~400 мм, симметрично относительно центральной плоскости детектора.

Была выполнена серия измерений [23] с использованием полноразмерных (17Ч17 стержней) топливных сборок для реакторов с водой под давлением [23] с обогащением в диапазоне от 1,8 до 3,4 % по 235U. Подсветка тепловыми нейтронами была доведена до уровня насыщения для всех сборок, однако отклик измерительной установки продолжал увеличиваться как функция обогащения, потому что увеличивалось размножение на быстрых нейтронах. Подобные измерения были выполнены для топлива реакторов на кипящей воде. Градуировочная кривая на рис. 17.29 соответствует сборке 8Ч8 стержней для реактора на кипящей воде.

В итоге статистическая погрешность для измерения длительностью 1000 с изменялась от 0,6 до 0,9 % (1σ) в зависимости от типа сборки. Для более длительного времени регистрации, состоящего из нескольких циклов измерений, точ-