18.4 ГАММА-ИЗМЕРЕНИЯ ОБЛУЧЕННОГО ТОПЛИВА

Когда полная интенсивность гамма-излучения измеряется в верхней части ТВС, то сигнал определяется в первую очередь продуктами активации 60Ñî, 58Co è 54Mn в материалах конструкции. Когда тепловыделяющая сборка поднимается со стеллажа бассейна выдержки, но все еще остается в воде, то измерения полной интенсивности гамма-излучения могут быть проведены вдоль сборки. В этом случае сигнал обусловлен в основном продуктами деления в тепловыделяющих элементах. В этих условиях достоверность заявленных оператором значений времени охлаждения и выгорания проверяется с точностью около 10 %. ТВС с необычными предысториями облучения легко идентифицируются. Ионизационная камера, спроектированная для размещения напротив боковой стороны ТВС, объединена с вилочным детектором, описанным в разделе 18.5.

18.4.2Измерения интенсивности высокоэнергетического гам- ма-излучения

Более точные гамма-измерения могут быть проведены детектором на базе Ве(γ,n). Такой детектор состоит из 235U-камеры деления, окруженной полиэтиленом, который в свою очередь окружен бериллием. Нейтроны, образованные в фотонейтронной реакции в бериллии, замедляются в полиэтилене до тепловой энергии и регистрируются камерой деления. Так как порог образования фотонейтрона в бериллии равен 1665 кэВ, единственной значительной характеристикой продуктов деления, регистрируемой детектором, является гамма-излучение 144Се-Pr с энергией 2186 кэВ.

Если детектор Ве(γ,n) размещается вдоль материалов облученного топлива, то он будет измерять относительную активность продуктов деления 144Се-Pr и будет нечувствителен к низкоэнергетическим продуктам активации. Подобно другим гамма-детекторам, этот детектор бесполезен при размещении его сверху облученной тепловыделяющей сборки, потому что гамма-излучение экранируется материалами конструкции. Нейтроны, излучаемые топливом или образованные в бериллии при реакциях (n,2n), могут давать вклад в измерения фотонейтронов, если их количество значительно.

18.4.3 Гамма-спектрометрия высокого разрешения

Наиболее подробную информацию о выгорании топлива можно получить с помощью гамма-спектрометрии высокого разрешения. Концентрацию конкретных продуктов деления можно определить, измеряя активности отдельных продуктов деления; эти концентрации изотопов могут быть соотнесены с выгоранием топлива (см. раздел 18.3.3). Кроме того, некоторые отношения активностей (интенсивностей гамма-излучения) можно использовать для расчета изотопных отношений продуктов деления, которые могут быть соотнесены с выгоранием (см. раздел 18.3.5).

Целью гамма-измерений высокого разрешения является получение спектров гамма-излучения, которые точно представляют инвентарное количество продуктов деления и активацию всей тепловыделяющей сборки. Аппаратура, необходимая для выполнения этих измерений, более сложная, чем та, которая требуется для измерения полной интенсивности гамма-излучения или измерения черенковского излучения. Для сбора и анализа спектров требуется германиевый детектор со стандартным усилителем с высокой разрешающей способностью и многоканальный анализатор. Магнитный носитель также весьма желателен для записи

данных. Германиевый детектор наблюдает за погруженной в воду ТВС через длинный, заполненный воздухом коллиматор (с минимальной длиной 3 м для защиты от излучения), как показано на рис. 18.13. Оператор для проведения измерений подводит отдельные тепловыделяющие сборки к скани рующей системе.

Заполненный воздухом коллиматор выделяет сегмент из объема ТВС, гам- ма-спектр которого измеряется. Благодаря своей длине, коллиматор снижает мощность дозы у детектора до приемлемого уровня. Максимальная мощность дозы, полученная с коллиматором длиной 6 м и диаметром 5 см от топлива с глубиной выгорания 40 ГВт сут/т U с двухлетним сроком охлаждения, составляет около 10 мР/ч. Обычно уровень радиационного фона находится приблизительно в том же диапазоне. Германиевый детектор необходимо экранировать от радиационного фона, иначе детектор потеряет чувствительность к гамма-излучению ТВС. Кроме того, перед детектором можно поместить тонкие пластины свинца, меди и кадмия, чтобы уменьшить интенсивность излучения ТВ С.

Самоослабление излучения топливного материала может значительно повлиять на измеряемые сигналы. Например, как обсуждалось в разделе 18.3.5, для определения выгорания ТВС можно использовать отношение изотопов 154Eu/137Cs. Почти 92 % измеренного излучения изотопа 137Cs (661,6 кэВ) возникает в трех наружных рядах топливных стержней в тепловыделяющей сборке реактора PWR [23]. Так как только 78 % квантов 154Eu (1275 кэВ) возникает в этих трех наружных рядах, то по отношению 154Eu/137Cs нельзя точно охарактеризовать тот же самый сегмент объема ТВС.

Если требуются только относительные значения, то анализ данных измерений с высоким разрешением не труден. Итоговые площади пиков 137Cs, 1347Cs è 154Eu можно получить с помощью многоканального анализатора. Концентрации и отношения изотопов можно получить, используя уравнение (18.2). Для отношений изотопов можно получить поправки на относительную эффективность, используя градуировку относительной эффективности, как описано в разделе 18.3.5 [24-26]. Эта методика корректирует отличия в самоослаблении материалов источника, эффективности детекторов и геометрии сканирования. Кроме того, стандартные методы анализа требуют внесения поправок, учитывающих распад изотопов к моменту выгрузки из реактора или к какому-либо другому конкретному времени. Затем можно построить график концентрации 137Cs и изотопных отношений 134Cs/137Cs è 154Eu/137Cs для партии ТВС, чтобы получить относительные значения выгорания. Если доступен хотя бы один способ разрушающего анализа топлива, можно рассчитать абсолютные значения выгор ания.

Во многих отчетах (например, [16 и 27]) описывается применение гамма-из- лучения для определения характеристик облученных топливных материалов. Два таких практических примера представлены на рис. 18.14 и 18.15, на которых сравниваются активность 137Cs и отношение изотопов 134Cs/137Cs с выгоранием для 14 ТВС реактора PWR с глубиной выгорания от 16 до 33 ГВт сут/т U. Каждый набор данных анализировался с помощью регрессионного анализа для полу- чения линейной зависимости. Другие две линии на каждом графике представляют пределы 95 % доверительной вероятности; результат любого последующего измерения будет лежать в этих пределах. Средняя разность между линией регрессии и точками результатов измерений составила 4,9 % для 137Cs è 4,6 % äëÿ 134Cs/137Cs. Похожие величины с погрешностью от 4 до 8 % можно получить для большинства условий измерений.

Ðèñ. 18.14. Корреляция измеренной активности 137Cs (произвольные единицы) с заявленной оператором глубиной выгорания для 14 сборок реактора PWR [16]

Ðèñ. 18.15. Корреляция измеренного отношения изотопов 134Cs/137Cs с заявленной оператором глубиной выгорания для 14 сборок реактора PWR [16]

18.4.4 Измерения черенковского излучения

Измерение черенковского излучения обеспечивает быстрый неразрушающий метод для проверки наличия источника гамма-излучения, распределенного внутри ТВС. Также это измерение можно использовать для обнаружения отсутствия топливного стержня в ТВС. Тепловыделяющие сборки можно контролировать и без размещения какой-либо аппаратуры в воде бассейна выдержки. Однако большую часть искусственного освещения необходимо выключить, чего оператор установки не может допустить. Когда искусственное освещение может быть вы-

ключено, инспектор должен перемещаться практически в темноте, чтобы провести измерения. Поэтому черенковский прибор должен: а) быть легким и переноситься в руке; б) обеспечивать незамедлительный результат измерений; в) быть радиационностойким и г) иметь точность, гарантирующую приемлемые результаты измерений для инвентаризации топлива.

На рис. 18.16 показан прибор, который способен как регистрировать черенковское свечение, так и определять его интенсивность [10]. Прибор состоит из двух основных составных частей: элементов, усиливающих изображение, и элект- ронно-оптического блока, в котором используется трубка фотоумножителя для измерения интенсивности света, проходящего через диафрагму и полевую линзу. Ток на выходе трубки фотоумножителя обеспечивает цифровую индикацию интенсивности поступающего света. Градуировка прибора производится с применением источника света на базе углерода-14 и фосфора, встроенного в специальную головку линзы.

Ðèñ. 18.16. Переносной прибор наблюдения черенковского свечения об лученного топлива и определения его интенсивности. Прибор (справа) является а даптацией промышленного прибора ночного видения (слева)

Когда прибором производят горизонтальное сканирование вдоль верхней ча- сти сборки, контур изображения очень четкий из-за весьма коллимированного характера черенковского излучения. Для топлива, хранящегося в стандартных вертикальных сборках, отверстия в верхних и поперечных пластинах и промежутки между топливными стержнями служат в качестве каналов черенковского излучения. Эти каналы позволяют излучению проходить через всю длину тепловыделяющей сборки, подвергаемой проверке сверху. Был выполнен ряд измерений в хранилищах для демонстрации полезности метода для быстрой проверки облученных тепловыделяющих сборок [10]. На рис. 18.17 показано изображение черенковского излучения двух ТВС реактора PWR, установленных на стеллаже реакторного бассейна выдержки. Светлые пятна соответствуют каналам вывода свечения из тепловыделяющей сборки с 15Ч15 стержнями. Смежные ТВС не показывают одинаковые группы светлых пятен, потому что наблюдатель не находится на одной прямой с осями сборок.