566 |
Дж. Р. Филлипс |
Ðèñ. 18.21. Зависимость измеренной интенсивности нейтронного излучения 17 облученных тепловыделяющих сборок PWR от заявленной глубины выгорания. Сплошная линия представляет собой степенную функцию, описывающую сборки, имеющие исходное обогащение 3,6 %
енса нейтронов для достижения той же глубины выгорания, что и высокообогащенное топливо. Из рисунка видно, что данные по топливу с исходным обогащением 3,6 % образуют степенную зависимость между скоростью счета и глубиной выгорания с β = 3,9. Заявленные оператором глубины выгорания отличаются от расчетных значений в среднем на 0,9 %.
18.6ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ В ОБЛУЧЕННОМ ТОПЛИВЕ
Âразделах 18.4 и 18.5 рассматривается множество методов пассивных неразрушающих измерений облученного топлива. Каждый метод обеспечивает косвенное измерение выгорания топлива. Ни уникальные характеристики гамма-из- лучения, ни нейтронные характеристики изотопов урана или плутония не могут быть измерены непосредственным образом. Для определения реальной концентрации делящихся материалов существуют два возможных подхода. Один метод использует расчетные или определенные эмпирически зависимости, связывающие выгорание с остаточным содержанием 235U и плутония. Другой метод использует активную подсветку нейтронами, чтобы подавить сигнал собственных нейтронов и получить результирующий отклик нейтронов вынужденного деления делящихся изотопов. Оба метода в настоящее время разрабатываются в нескольких странах. Они кратко описаны в конце этого раздел а.
18.6.1Косвенное определение характеристик топлива с помощью пассивных измерений выгорания
Большинство методов пассивных неразрушающих измерений облученного топлива в полевых условиях сейчас ограничиваются проверкой уровней относительного выгорания сборок. При ограничении времени и наличия технического персонала традиционно проводится измерение максимально возможного количе-
Глава 18. Измерения облученного топлива |
567 |
ства сборок, но для большинства из них измерение проводится только в одной точке их длины. Если измерения в этой точке представительные, то могут быть получены относительные значения выгорания сборок. Предварительно установленные соотношения между выгоранием и уровнями пассивного излучения затем позволяют проверить тот факт, что результаты измерений соответствуют заявленным значениям выгорания и времени охлаждения (точность заявленных оператором значений выгорания из-за изменений параметров активной зоны не может быть лучше 5 %). Так как очень трудно намеренно удалить делящийся материал из сборок без устранения также источников излучения продуктов деления, эта проверка подразумевает, что делящийся материал остае тся в целости.
В принципе, содержание делящихся материалов в топливе может быть определено косвенно с помощью измерения сигналов гамма-излучения и нейтронов. Сначала необходимо было бы получить абсолютное значение выгорания топлива с помощью разрушающего анализа части топлива. Затем результаты гамма-изме- рений высокого разрешения активностей отдельных продуктов деления или отношения активностей продуктов деления могли быть приведены к результатам разрушающего анализа для получения абсолютной градуировки. Измерения нейтронов также могли бы быть связаны с абсолютным значением выгорания. Результаты измерений нейтронов и гамма-излучения следовало бы интегрировать по осевым профилям ТВС, чтобы откорректировать неравномерность выгорания. Чтобы абсолютная градуировка, сделанная на одной установке, была использована и на другой, такая градуировка должна быть откорректирована для различных специфичных для реактора параметров, включая обогащение топлива, предысторию технологического процесса, и концентрации замедлителей и поглотителей. Некоторые примеры влияния таких параметров даны в раздел ах 18.3.5 и 18.3.6.
Если можно установить абсолютные значения выгорания топлива, то путем расчета можно получить концентрацию делящихся изотопов. Эти расчеты обыч- но выполняются с помощью таких сложных компьютерных программ, как CINDER [6 и 7]. Пример результатов такого расчета дан на рис. 18.22, на котором построен график зависимости концентрации изотопов плутония от выгорания. Точность таких компьютерных программ для урана и плутония обычно составляет от 5 до 10 %. Если характер протекания процесса в реакторе не известен, то погрешность может возрасти до 5-15 % [11].
Это косвенное определение содержания делящихся материалов путем пассивных измерений собственного излучения трудно осуществимо из-за многих измеряемых переменных и участвующих параметров активной зоны реактора. Косвенная связь содержания делящихся материалов с результатами пассивных измерений страдает от неопределенности, в то время как прямое подтверждение неизменности характеристик топлива по результатами измерения сейчас является хорошо отработанной и надежной методикой.
18.6.2Определение характеристик топлива методом активной нейтронной подсветки
Непосредственное измерение содержания делящихся материалов в облученном топливе возможно с помощью мощного источника нейтронов, вызывающих деление. Такой источник может быть ускорителем, генератором нейтронов с энергией 14 МэВ или изотопным источником типа RaBe, SbBe или калифорния.
568 |
Дж. Р. Филлипс |
Ðèñ. 18.22. Зависимость относительной концентрации изотопов плутон ия (выраженной в весовых процентах от исходного урана) от глубины выгорания . Данные были полу- чены путем расчетов с помощью программы EPRI-CINDER [5]
Источник размещается рядом с облученным топливом, где он и образует сигнал вынужденного деления, пропорциональный количеству делящегося материала. Типичная интенсивность нейтронных источников должна быть порядка от 108 äî 109 нейтрон/с для индуцирования сигнала деления, сравнимого по величине с выходом собственных нейтронов. Практически системы активной нейтронной подсветки не могут определять разницу между ураном и плутонием. Сигнал вынужденного деления пропорционален полной массе делящихся изотопов 235U, 239Pu è 241Pu.
Комбинированная система активного и пассивного нейтронного анализа разработана Г. Шульцем, Х. Уэрзом и другими [19] с помощью источника на базе 252Cf. Система может определить выгорание топлива и исходное содержание урана. Содержание плутония может быть получено косвенным путем из соотношения изотопов.
На нескольких установках для измерений облученного топлива применялась активационная методика по запаздывающим нейтронам. На перерабатывающей установке в Даунри (Великобритания) применялся генератор нейтронов с энергией 14 МэВ для анализа контейнеров с "шелухой" [34]. Недавно эта система была преобразована в “калифорниевый шаффлер” для подсветки нейтронами [35]. Мощная система на базе “калифорниевого шаффлера” была также разработана для анализа высокообогащенного облученного урана [36]. Однако в настоящее время в эксплуатации не существует активных нейтронных систем для измерения тепловыделяющих сборок энергетических реакторов. Это произошло потому, что для активных нейтронных систем необходим ускоритель, нейтронный генератор или большой, хорошо экранированный изотопный источник, которые ограничивают использование этих систем стационарными установками в научно-исследователь- ских лабораториях или на перерабатывающих установках. Состояние активных нейтронных методов и результаты измерений обобщены в раб отах [4 и 11].
Окончание таблицы 18.6 |
|
|
570 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Специальный уровень |
Методика измерений |
|
|
|
проверки |
|
|
Аппаратура |
|
гамма-излучение |
нейтронное излучение |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Относительные |
Количественные измерения 137Cs, |
|
Германиевые детекторы |
|
концентрации продуктов |
134Cs/137Cs è 154Eu/137Cs; |
|
|
|
деления и актинидов |
корреляция с заявленной оператором |
|
|
|
|
информацией |
|
|
|
|
|
Количественные измерения |
Камеры деления |
|
|
|
интенсивностей испускания |
Детекторы на базе 10Âå |
|
|
|
нейтронов; корреляция с |
|
|
|
|
заявленной оператором |
|
|
|
|
информацией |
|
|
Непосредственное измерение |
Косвенно путем корреляции |
|
Германиевые детекторы |
|
содержания делящегося |
результатов измерений НРА и |
|
|
|
материала |
разрушающего анализа |
|
|
|
|
|
Количественные измерения |
Нейтронный источник |
|
|
|
нейтронов вынужденных |
Камеры деления |
|
|
|
делений в ядерном материале |
Детекторы на базе 10Âå |
|
|
|
|
|
|
Филлипс .Р .Дж