Глава 20. Качественные и полуколичественные измерения |
615 |
Ðèñ. 20.4. Зависимость количества отложений оксида урана в печи про каливания (кальцинаторе) от производительности установки, определенного во время эксперимента по управляемому накоплению отложений. Этот рисунок предс тавляет пример выравнивания количества отложений на установившемся зн ачении после первона- чального образования. При производительности 40 кг урана у величение температуры печи привело к последующему образованию отложений [1 4]
му накоплению отложений также обеспечивают наилучшую точность, получаемую в измерениях отложений, сделанных в идеальных условиях. Погрешности, полу- ченные в этих экспериментах [14], включены в сводку опубликованных данных измерений отложений, которые приведенны в таблице раздела 20.6.7.
20.6 ИСКУССТВО И НАУКА ИЗМЕРЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ
Измерение ядерных материалов, отложенных в установках по переработке, является как искусством, так и наукой. Измерение является отражением влияния политических, экономических, медицинских требований и требований по безопасности, а также законов физики. Для практика процесс измерения часто длителен, утомителен и происходит в достаточно трудных условиях, что показано на рис. 20.5. Работа сочетает в себе черты детективного расследования и поиска клада, как это захватывающе описано Цакером и Деженом в работе [18]. В действительности, стоимость кампании по тщательному измерению отложений составляет около 10 долларов на 1 г обнаруживаемого материала, т.е. сравнима с ценой золота.
Ядерный материал, накопленный в трубах, трубопроводах, перчаточных боксах, оборудовании, полах, стенах и т.п. обычно распределяется рассеянным и неравномерным образом. Аналитику трудно определить геометрию измерения, идентифицировать форму материала и измерить его без помех от соседних источ- ников излучений. По этим причинам измерение отложений равнозначно искусству, для которого требуются опыт, воображение, чувство сора змерности и удача.
616 |
Н. Энсслин и Х. А. Смит, мл. |
Ðèñ. 20.5. Измерения отложений являются как наукой, так и искусством и, как показано на этой карикатуре, обычно проводятся в сложных условиях
Для измерения отложений также необходимы научно-технические знания по источникам и детекторам излучений, процедурам градуировки, геометрии и анализу погрешностей. Все эти вопросы рассматриваются в оставшейся части этой главы.
20.6.1 Полезные характеристики излучений
В табл. 20.4 перечислены источники гамма- и нейтронного излучений, которы обладают достаточной проникающей способностью, чтобы проводить измерения отложений урана и плутония. Указанные в таблице значения энергий нейтронов представляют собой приблизительные средние энергии для реальных спектров нейтронов спонтанного деления, вынужденного деления или (α,n)-ре- акций. Интенсивности нейтронного излучения представляют приблизительные значения интенсивностей (рассчитанные по табл. 11.1 и 11.3 главы 11), которые указывают на относительную легкость или сложность проведения анализа различных изотопов или химических соединений.
Большинство измерений отложений урана и плутония основано на пассивной регистрации пика гамма-излучения 235U с энергией 186 кэВ и совокупности пиков гамма-излучения 239Pu с энергиями 375 и 414 кэВ. Обычно для регистрации этих гамма-квантов применяются как портативные детекторы NaI, так и термолюминесцентные дозиметры (ТЛД), поскольку указанные гамма-кванты обладают наивысшими энергиями (и, следовательно, большей проникающей способностью) при необходимых интенсивностях. Такие интенсивности достаточны для
618 |
Н. Энсслин и Х. А. Смит, мл. |
Метод пассивной регистрации нейтронов может оказаться полезным при необходимости измерения отложений в насосах, вентилях или другом крупном оборудовании, которое является слишком плотным, чтобы дать возможность выйти гамма-квантам. Нейтроны лучше проникают сквозь металл и большие залежи отложений, чем гамма-кванты, но для создания сильного сигнала необходимо большее количество ядерного материала. Нейтронные измерения более сложны в интерпретации, поскольку нейтроны не обладают уникальным значением энергии, их трудно коллимировать, они подвержены эффектам размножения и замедления, и их число может возрасти на порядок в результате реакций (α,n) в химиче- ских соединениях. Эти эффекты приводят к тому, что нейтронные измерения переоценивают количество отложений, в то время как эффекты самоослабления при гамма-измерениях приводят к недооценке количества от ложений.
Как показано в табл. 20.4, пассивный счет нейтронов применим для контроля умеренно больших количеств урана в форме оксида и фторида. Нейтронный сигнал обусловлен реакциями (α,n) в оксидных или фторидных соединениях. Также возможен активный анализ 235U, но он очень чувствителен к находящимся вблизи отражателям, замедлителям и поглотителям, и отклик приблизительно обратно пропорционален четвертой степени расстояния между измеряемым ураном и прибором [20]. Достаточно практичными являются пассивные нейтронные измерения плутония по спонтанному делению 240Pu, являющемуся основным источ- ником нейтронов, если нет больших количеств фторидных сое динений.
В настоящее время на нескольких установках изучается возможное применение приборов сканирования инфракрасного излучения для обнаружения отложений плутония. Основным источником инфракрасного излучения является тепло, образуемое при альфа-распаде 238Pu. Инфракрасное сканирование оборудования с целью обнаружения “горячих точек” технически возможно, однако неизвестно, можно ли провести количественные измерения.
20.6.2 Детекторы и приборы считывания
Из-за трудных условий, в которых должны проводиться измерения отложений, измерительная аппаратура должна быть портативной, прочной и простой в эксплуатации. Также желательно, чтобы в случае необходимости работы от батарей или внутри пластмассового корпуса, аппаратура имела простое кнопочное управление и низкую потребляемую мощность. Большинство приборов, используемых в настоящее время, — это, в основном, приборы радиационного контроля, портативные многоканальные анализаторы и коллимированные детекторы NaI. Они удовлетворяют этим требованиям.
Приборы радиационного контроля представляют собой счетчики Гейгера или небольшие коллимированные или неколлимированные детекторы NaI, которые реагируют на гаммаили бета-излучение. Они используются для быстрого обследования больших площадей с целью обнаружения мест скопления отложений и обычно оснащены измерителями скоростей счета со звуковым индикатором мощности излучения. Затем проводятся количественные измерения отложений с использованием детекторов NaI (рис. 20.6). Разрешение и эффективность этих детекторов, составляющие примерно от 7 до 10 %, обычно достаточны для измерений отложений. Типичные размеры кристалла для измерений плутония составляют 5 см в диаметре и 5 см толщины, а для измерений урана — 5 см в диа-
