Глава 15

Приборы регистрации полного потока нейтронов и их применение

Дж. Спринкл (Переводчик Н.В. Мошкина)

15.1 ВВЕДЕНИЕ

Приборы регистрации полного потока нейтронов (в российской практике принято название "нейтронные радиометры" — прим. пер.) обычно представляют собой приборы, которые не измеряют непосредственно энергию нейтронов. Они являются более простыми, чем счетчики нейтронных совпадений, способны обнаруживать меньшие количества материалов, излучающих нейтроны, и менее чувствительны к эффектам размножения нейтронов и изменениям эффективности. Они в меньшей степени способны различать изотопы или химические соединения, в которых образуются нейтроны. Иногда в этих приборах предусмотрена возможность частичной энергетической дискриминации для уменьшения сигнала от нежелательных составляющих регистрируемого излучения. Как правило, эти приборы используются в административном контроле для гарантии того, что анализируются только предназначенные для этого материа лы.

Во многих приборах регистрации полного потока нейтронов используются детекторы на основе 3Не с замедлителем. Детекторы на основе 3Не относительно просты в эксплуатации и обладают высокой надежностью. Они могут выдержать облучение до флюенса приблизительно 1013 быстрых нейтронов/см2 без серьезного радиационного повреждения и обеспечить необходимую дискриминацию полей гамма-излучения мощностью дозы менее 1 Р/ч. Приемлемая эффективность регистрации может быть достигнута тщательной проработкой конструкции. Счетчики нейтронов (производства США) имеют обычно диаметр 2,54 см и наполнены 3Не под давлением 4 атм. Эффективность регистрации таких счетчи- ков в поле тепловых нейтронов составляет около 90 %. Для регистрации нейтронов спонтанного деления с эффективностью около 20 % может быть сконструирована сборка детекторов с 3Не-счетчиками, размещенными на расстоянии 5 см друг от друга. Аналогичная сборка детекторов со счетчиками, наполненными BF3, обеспечивает лучшую дискриминацию гамма-излучения (глав а 13).

В этой главе описано несколько приборов регистрации полного потока нейтронов и их применение в порядке возрастания их размеров и сложности. В заключе- ние приведены примеры трех приборов, используемых для специальных применений: два монитора влажности и энергетически независимый "длинный" счетчик.

15.2 НАПРАВЛЕННЫЙ НЕЙТРОННЫЙ ЗОНД SNAP

Направленный нейтронный зонд SNAP (Shielded Neutron Assay Probe) является самым простым и портативным нейтронным детектором из описанных в

440	Дж. Спринкл

Диаметр 241 мм

	3Не-счетчики диаметром 25 мм,
	активной длиной 203 мм
Полиэтиленовый
цилиндр
диаметром
127 ìì
0,8 мм кадмия
	203 ìì
Защита из поли-	305 ìì
этилена
	51 ìì

Ðèñ. 15.1. Детектор SNAP-II [1]

этой главе. Его усовершенствованная версия SNAP-II [1] показана на рис. 15.1. SNAP-II состоит из двух 3Не-счетчиков диаметром 2,5 см, активной длиной 20 см и давлением 4 атм, размещенных в полиэтиленовом цилиндре диаметром 12,7 см. Диаметр цилиндра 12,7 см оптимален для регистрации нейтронов деления с энергиями от 1 до 2 МэВ. Поверхность полиэтиленового цилиндра покрыта тонким листом кадмия, преимущественно для поглощения фоновых тепловых нейтронов. Вдоль оси цилиндра имеется сквозной канал для размещения отдельных топливных стержней (ТВЭЛов — прим. пер.). Такая конфигурация обеспечивает высокую эффективность анализа ТВЭЛов, содержащих плутоний. С внешней стороны цилиндра расположена направленная защита толщиной 5,7 см; ограничение защиты по толщине обусловлено требованием портативности детектора. Вес прибора SNAP-II составляет всего 10 кг.

Направленная защита SNAP-II обеспечивает угол обзора в 120°. На рис. 15.2 представлена зависимость относительной чувствительности детектора от угла, под которым относительно оси детектора размещается источник PuLi. Отношение эффективностей регистрации при размещении источника с передней и задней сторон детектора составляет 4,2 для источника PuLi (средняя энергия нейтронов 0,65 МэВ) и снижается до 2,2 для источника нейтронов спонтанного деления 252Cf (средняя энергия нейтронов 2,2 МэВ).

Собственная эффективность детектора SNAP-II для нейтронов деления составляет приблизительно 17 %, что значительно лучше, чем эффективность 10 % исходной модели детектора SNAP [2]. Кроме того, площадь активного окна детектора SNAP-II более, чем в два раза превышает площадь активного окна его пред-

Глава 15. Приборы регистрации полного потока нейтронов и их применение 441

270°

90°

180°

Относительная направленная чувствительность

Вид сверху на детектор SNAP с защитой

0°

90°

270°

Ðèñ.15.2. Круговая диаграмма чувствительности детектора SNAP, измеренная в средней плоскости с источником PuLi (средняя энергия — 0,65 МэВ) [2]

шественника. Следовательно, полная эффективность регистрации для точечного источника, находящегося на расстоянии 1 м, увеличивается в 4,5 раза до значения приблизительно 0,01 % [1]. Для других расстояний между источником и детектором полная эффективность регистрации пропорциональна (r + a)-2, ãäå r — расстояние от оси детектора, измеряемое в сантиметрах, à — постоянная, зависящая от диаметра замедляющего цилиндра. Обычно постоянная à равна примерно 3 см, а для того, чтобы аппроксимация была допустима, расстояние r должно быть больше, чем 3à. Эта функция эффективности не оправдывает себя в случае, когда детектор находится рядом с поверхностями, отражающими нейтроны, такими как бетонный пол. Для полевых условий, в которых требуется использование SNAP-II в зоне, окруженной нейтронными источниками и отражателями, определение соответствующего фона может быть затруднено. В этих обстоятельствах полезно установить подходящий полиэтиленовый клин в уго л обзора детектора.

SNAP-II был разработан для работы в полевых условиях и используется в режиме полного счета нейтронов, поскольку измеряемый сигнал часто низок. В этих условиях важно использовать простую и компактную электронику. Для данного применения хорошо подходят такие коммерчески доступные компактные устройства, как Eberline SAM I или Ludlum Model 22. Они содержат источник высокого напряжения, платы предусилителя и усилителя, дискриминаторы и счет- чики импульсов в одном небольшом корпусе.

Детектор SNAP-II предоставляет очень ограниченный объем информации об энергии или направлении регистрируемых нейтронов. Часто он используется для измерения отложений или проверочных измерений, когда недоступны эталонные стандартные образцы. Примеры таких применений приведены ниже.

442	Дж. Спринкл

15.2.1 Контроль металлического плутония

Детектор SNAP использовался для контроля содержания 240Pu в слитках металлического плутония в Хэнфорде (Ричланд, штат Вашингтон) [3]. Основным источником нейтронов в металлическом плутонии является спонтанное деление изотопа 240Pu. Кроме того, в слитках, содержащих 2000 г плутония, ярко выражены эффекты размножения нейтронов, которые могут увеличивать полную скорость счета нейтронов на 90 % и зависят от геометрии слитков .

Измеренный отклик детектора SNAP, представляющий собой полную скорость счета нейтронов Т (полное число нейтронов в секунду ), выражался в виде

T(í / ñ) = k m I F ,

(15.1)

где k — градуировочная постоянная; m — масса плутония;

I — массовая доля изотопа 240Pu;

F — коэффициент, учитывающий размножение нейтронов в слит ке.

Коэффициент F был определен эмпирически подгонкой серии расчетов размножения нейтронов в объеме слитков методом Монте-Карло по следующему выражению:

F = 1+ (1− aI)m/ b ,				(15.2)
a =	619,5 (d − 2,673)2	+1801	,	(15.3)
	b
b = 417,8 (d −1,333)2 +1757 ,				(15.4)

где d — диаметр слитка в дюймах;

a, b — коэффициенты, приведенные в дюймах.

Уравнение (15.1) может быть решено либо относительно m, либо относительно I. В Хэнфорде один из слитков был выбран в качестве "стандартного образца", а остальные считались "неизвестными" образцами. Статистический анализ 248 слитков выявил 8 выбросов. Было проверено содержание 240Pu в оставшихся 240 слитках. Диапазон масс слитков составил от 1453 до 2204 г, а массовая доля изотопа 240Pu варьировалась в диапазоне от 4,6 до 18,1 %. Неопределенность измерения составила 2 % (1σ), а сходимость результатов измерений при времени измерения 30 с была лучше 1 %.

15.2.2 Контроль баллонов с UF6

Детекторы SNAP использовались на установках по обогащению урана и в хранилищах для проверки содержания баллонов с UF6 [4]. В гексафториде урана нейтроны возникают в результате спонтанного деления изотопа 238U и в результате реакции 19F(α,n)22Na. Основным излучателем альфа-частиц является 234U. В природном UF6 80 % нейтронов образуются в (α,n)-реакциях, а оставшиеся — при спонтанном делении. С увеличением обогащения вклад нейтронов (α,n)-реакции резко возрастает. В частности, при увеличении обогащения с 3 до 90 % интенсивность образования нейтронов возрастает в 30 раз. Таким образом, полная скорость счета нейтронов является чувствительной мерой массы и обогащения UF6. Нейтроны обладают достаточно хорошей проникающей способностью, однако при прохождении в объеме UF6 имеют место эффекты поглощения и размноже-

Глава 15. Приборы регистрации полного потока нейтронов и их применение 443

ния. В табл. 15.1 представлены вычисленные коэффициенты утечки нейтронов из различных баллонов. Для более высоких обогащений эффект размножения нейтронов начинает преобладать над эффектом их поглощения.

При проверке содержимого баллонов с UF6 детектор SNAP размещают вплотную к баллону, параллельно его оси, в середине баллона. Такая геометрия является менее позиционно зависящей, менее чувствительной к высоте заполнения баллона и более удобной для оператора, чем геометрия, в которой оператору необходимо держать SNAP напротив одного из концов баллона. Фон от соседних баллонов часто высок. Приемлемые оценки значений фона (на уровне моря) получаются скорее при направлении активного окна детектора вверх, чем в направлении вниз, в сторону баллона. Отклик от баллона, стоящего на краю большого ряда баллонов, может оказаться меньше, чем отклик от баллона, находящегося в центре такого ряда. Для баллонов, содержащих UF6 разных обогащений, скорость полного счета нейтронов Т дается выражением

T = [cf(234)+ df(238)]m ,

(15.5)

где m — полная масса урана;

с, d — эмпирические градуировочные постоянные;

f(234), f(238) — массовые доли изотопов 234U è 238U, соответственно.

Таблица 15.1 — Коэффициент утечки нейтронов для различных ба ллонов

Тип баллона	Масса UF6, êã	Обогащение по	Коэффициент утечки
		235U, âåñ. %
14 òîíí	12 700	0,71	0,55
30Â	15 00	0,71	0,80
12Â	140	3,00	0,97
5À	15	10,00	1,00
5À	15	35,00	1,00
2S	1	65,00	1,01
2S	1	90,00	1,02

При низких обогащениях f(238) почти постоянна, а отношение f(234)/f(235) очень близко к константе. Тогда уравнение (15.5) может быть уп рощено:

T = [e + gf(235)]m ,

(15.6)

где e и g — градуировочные постоянные.

Очевидно, что если изотопный состав UF6 для всех баллонов одинаков, уравнение (15.6) может быть еще более упрощено до вида T = h m, с единственной градуировочной постоянной h.

Для баллонов весом 2,5, 10 и 14 тонн значение неопределенности измерения обычно равно 5 %. При временах измерения 60 и 120 с статистика не дает ощутимого вклада в эту неопределенность. Опыт, полученный в полевых условиях, показывает, что для каждого баллона требуется индивидуальная градуировка, воз-