Глава 22. Приборы для калориметрического анализа

669

ность калориметрического измерения составляет 0,2 % [21]. Рабочие характеристики градиентных мостовых калориметров сведены в табл. 2 2.7.

Таблица 22.7 — Рабочие характеристики Маундских градиентных мостовых калориметров [10, 21]

Погрешность при мощности 2 Вт, %	0,5
Сходимость, %	0,1
Диапазон измерений
масса, кг	0,5–5
тепловая мощность, Вт	2–12
Время анализа
для продукта, ч	4
для скрапа, ч	8–16

22.5 КАЛОРИМЕТРЫ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ СТЕРЖНЕЙ

22.5.1 Аргоннский калориметр для топливных стержней

Аргоннский калориметр для топливных стержней длиной 1 м предназначен для неразрушающего анализа содержания плутония в необлученных топливных стержнях из смешанного оксидного топлива [22]. Прототипом этого прибора является Аргоннский калориметр более ранней разработки, используемый для калориметрического анализа топливных стержней длиной 15 см [23]. Был также создан калориметр для топливных стержней длиной 4 м [24]. Измерения на этих приборах относительно непродолжительны вследствие небольшого диаметра камеры для образца, и поэтому эти калориметры называются калориметрами с "быстрым откликом".

Эта система калориметрического анализа содержит следующие компоненты (рис. 22.8) [25, 26]:

1.Корпус калориметра. Калориметр для топливных стержней длиной 1 м представляет собой изотермический градиентный воздушный калориметр (см. раздел 21.5.4 главы 21), который работает в режиме сервоконтроля (см. раздел 21.6.3). Калориметр имеет три области регулируемой температуры: камера для образца диаметром 1 см, окружающая тепловая защита и схема нагрева, а также остальной объем корпуса. Температура в этих трех областях контролируется на уровне 33, 32 и 30 °С, соответственно.

2.Нагреватель предварительного нагрева. Нагреватель предварительного нагрева связан с корпусом калориметра и служит для нагрева стержней до их введения в измерительную камеру. Он сокращает время анализа и снабжен дополнительным пространством для размещения стержней длиной свыше 1 м.

3.Пульт управления. Пульт управления содержит схемы сервоконтроля, органы управления датчиком температуры и другие органы управления электри- ческими измерениями.

4.Компьютер. Сбор данных, анализ и вывод результатов измерений управляются небольшим портативным компьютером.

670

Р. Лайкс

Ðèñ. 22.8. Аргоннская калориметрическая система для топливных сте ржней (модель 4 для топливных стержней длиной 1 м), содержащая калориметр (сле ва), нагреватель предварительного нагрева (длинный белый цилиндр) и блок э лектроники. (Фотография предоставлена Аргоннской национальной лаборатор ией)

Эффективная длина топливных стержней, которая допустима для этого прибора, составляет 98 см. Более длинные топливные стержни должны анализироваться сегментами длиной по 1 м. Вдоль оси калориметра отклик на источники теплоты не линеен. Поэтому должна вводиться поправка на длину стержня и его положение [22]. Кроме того, при определении базового уровня мощности необходимо вставлять в камеру пустой топливный стержень для имитации потерь тепла на концах. Работа калориметра может контролироваться внутренней электрической градуировкой или градуировкой с использованием электрически нагреваемых резистивных стержней.

Полевые испытания и оценка калориметра для топливных стержней проводились на нескольких установках в Бельгии при сотрудничестве с МАГАТЭ [27 и 28]. На одной из установок производились измерения топливных стержней четырех различных геометрий, содержащих плутоний в количестве от 3,6 до 28,5 г, которые имели три различных изотопных состава. Все 12 топливных стержней предварительно нагревались, а затем производилось измерение в течение 1 ч, при этом каждому измерению предшествовало измерение базового уровня мощности в течение 1 ч. Сходимость результатов измерений составила 1 мВт в диапазоне от 10 до 135 мВт. Для стержней с мощностью более 50 мВт наблюдаемая точность составила порядка 3 % (1 σ) или меньше, что находилось в переделах погрешности измерений и неопределенности определения действительной массы плутония [27].

Измерения еще для двух партий из 6 и 11 топливных стержней из смешанного оксидного топлива проводились на двух других бельгийских установках. Некоторые из топливных стержней имели длину 2,5 м; неактивная часть таких стержней находилась внутри нагревателя предварительного нагрева. Для всех типов топливных стержней, для которых разрабатывался калориметр, калориметр работал хорошо и сходимость результатов измерений составила около 0,4 %. Для стержней с низким выходом тепловой мощности результаты измерений оказались недостоверными. Использование калориметра для топливных стержней длиной 1 м для стержней с выходной мощностью меньше 40 мВт не рекомендуется, так как выходная мощность составляла бы менее 5 % от базового уровня мощности [28]. Сведения о рабочих характеристиках Аргоннского калориметра для топливных стержней длиной 1 м приведены в табл. 22.8.

Глава 22. Приборы для калориметрического анализа

671

Таблица 22.8 — Рабочие характеристики Аргоннского калориметра для топливных стержней длиной 1 м при предполагаемой удельной мощности 5 мВт/г и известном изотопном составе [27 и 28]

Погрешность, %	1-3
Сходимость
относительная, %	0,4
абсолютная
масса, г	0,2
тепловая мощность, мВт	1
Диапазон измерений
масса плутония, г	8–160
тепловая мощность, мВт	40–800
Время анализа, мин	15–120

22.5.2Калориметр фирмы "Дженерал Электрик" для облученных топливных сборок

Установка фирмы "Дженерал Электрик" для хранения облученного топлива недалеко от г.Моррис, штат Иллинойс, оснащена бассейновым калориметром для подводных измерений теплоты, вырабатываемой облученными топливными сборками [29]. Калориметр по габаритам и форме идентичен калориметру с выкипающей водой, разработанному ранее Тихоокеанской северозападной лабораторией для надводных измерений в горячих камерах [30]. Калориметр фирмы "Дженерал Электрик" работает в незагруженной нише бассейнового хранилища топлива на глубине около 12 м. Хотя калориметр разрабатывался для получения информации о генерации теплоты при планировании будущих потребностей по хранению облученного топлива, он также способен обеспечить корреляционную зависимость измеренной теплоты с глубиной выгорания топ лива.

Длина бассейнового калориметра (рис. 22.9) составляет 4,6 м и он состоит из двух концентрических стальных труб [29]. Внутренняя труба диаметром 41 см образует камеру для образца, в которой могут быть установлены вставки для поддержания топливных сборок реактора на кипящей воде, либо топливных сборок реактора с водой под давлением. Для снижения теплопередачи из калориметра в воду бассейна кольцевой зазор между двумя трубками содержит пенополиуретановую изоляцию толщиной 6 см. Измерения температуры внутри камеры для образца и вне калориметра осуществляются с помощью платиновых резистивных датчиков температуры. Рециркуляционный насос поддерживает однородность температуры воды внутри камеры для образца. Для измерения радиационных потерь и осевых профилей выгорания топливных сборок на калориметре установлены датчики гамма-излучения.

Калориметр обычно работает со средой, имеющей постоянную температуру. После загрузки топливных сборок в калориметр камера для образца закрывается с помощью водонепроницаемой крышки [29]. Подъем температуры воды калориметра контролируется в течение 5 ч. Температура воды вне калориметра обычно стабилизируется в пределах 0,2 °С, если обеспечивается циркуляция воды в бассейне. Скорость изменения температуры внутри калориметра (обычно 4 °Ñ/÷)

672

Р. Лайкс

Ðèñ. 22.9. Бассейновый калориметр фирмы “Дженерал Электрик” в г.Мор рис для измерения облученных топливных сборок в незаполненной нише бассей на хранилища топлива. (РТД — платиновый резистивный датчик температуры). (Рисун ок предоставлен отделением фирмы “Дженерал Электрик” в г.Моррис)

пропорциональна тепловой мощности топливной сборки. Калориметр градуируется с помощью четырехметровой трубы, обмотанной лентой электронагревателя. Все измерения корректируются на потери мощности в проводах нагревателя, изменения теплоемкости между используемым для градуировкой и реальным топливом, радиальные потери тепла.

В работе [29] сообщается о серии из 24 измерений для 14 топливных сборок реактора с водой под давлением с заявленным оператором выгоранием от 26 до 40 ГВт сут/т урана и временами охлаждения от 4 до 8 лет. Бассейновый калориметр измерял тепловую мощность в диапазоне от 360 до 940 Вт со сходимостью 1 %. Измеренная мощность сравнивалась с рассчитанной по данным выгорания реакторного топлива. Разброс данных составляет от 15 % (если программы анализа предполагали непрерывный цикл облучения) до 1 % (если программы анализа использовали действительные данные истории облучения). Для сборок с одинаковым временем охлаждения измеренная мощность была пропорциональна выгоранию с погрешностью около 3 %.

ЛИТЕРАТУРА

1.C. Fellers, W. Rodenburg, J. Birden, M. Duff, and J. Wetzel, “Instrumentation Development for the Enhanced Utilization of Calorimetry for Nuclear Material As-

Глава 22. Приборы для калориметрического анализа

673

say,” in Proc. American Nuclear Society Topical Conference on Measurement Technology for Safeguards and Materials Control, Kiawah Island, South Carolina, November 26-28, 1979, NBS Special Publication 582 (1980), p.192.

2.W. Rodenburg, “An Evaluation of the Use of Calorimetry for Shipper-Receiver Measurements of Plutonium,” Mound Laboratory report MLM-2518, NUREG/CR-0014 (1978).

3.C. Roche, R. Perry, R. Lewis, E. Jung, and J. Haumann, “ANL Small-Sample Calorimeter System Design and Operation,” Argonne National Laboratory report ANL-NDA-1 (1978).

4.C. Roche, R. Perry, R. Lewis, E. Jung, and J. Haumann, “A Portable Calorimeter System for Nondestructive Assay of Mixed-Oxide Fuels,” American Chemical Society Symposium Series, No.79 (1978).

5.W. Rodenburg, “Test and Evaluation of an ANL Small-Sample Calorimeter,” Mound Laboratory report MLM-2813 (1981).

6.Ñ. Roche, R. Perry, R. Lewis, E. Jung, and J. Haumann, “Calorimetric Systems Designed for In-Field Nondestructive Assay of Plutonium-Bearing Materials”, International Atomic Energy Agency/Argonne National Laboratory report IAEA-SM-231/78 (1978).

7.J. Lemming, W. Rodenburg, D. Rakel, M. Duff, and J. Jarvis, “A Field Test of a Transportable Calorimetric Assay System,” Nuclear Materials Management IX (2), 109 (1980).

8.R. Perry, C. Roche, A. Harkness, G. Winslow, G. Youngdahl, R. Lewis, and E. Jung, “The Bulk Assay Calorimeter: Part 1. System Design and Operation, Part 2. Calibration and Testing,” Argonne National Laboratory report ANL-NDA-9 (1982).

9.R. Perry and A. Keddar, “Field Test of the Bulk-Assay Calorimeter,” Argonne National Laboratory report ANL-NDA-11 (1982).

10.G.M. Wells and F.J.G. Rogers, “Measurements of Plutonium Mass Using an Argonne Bulk Calorimeter,” United Kingdom Atomic Energy Agency report NMACT (86) (1986), p.8.

11.F. O'Hara, J. Nutter, W. Rodenburg, and J. Haumann, “Calorimetry for Safeguard Purposes,” Mound Laboratory report MLM-1798 (1972).

12.W. Rodenburg, “Some Examples of the Estimation of Error for Calorimetric Assay of Plutonium-Bearing Solids,” Mound Laboratory report MLM-2407, NUREG-0229 (1977).

13.W. Strohm, W. Rodenburg, and R. Carchon, “Demonstration of Calorimetric As-

say of Large Mass, High Burn-Up PuO2 Samples,” Nuclear Materials Management XIII (Proceedings Issue), 269 (1984).

14.D. Rakel, J. Wetzel, and T. Elmont, “A Field Test and Evaluation of the Simultaneous Calorimetric Assay System,” in Proc. Twenty-Fifth Annual Meeting of the Institute of Nuclear Materials Management, Columbus, Ohio, July 1984.

15.F.L. Oetting, “Calorimetry at Dow Rocky Flats,” in “Proceedings of the Symposium on Calorimetric Assay of Plutonium, October 1973,” Mound Laboratory report MLM-2177 (1974), p.66.

674

Р. Лайкс

16.R.B. White and F.L. Oetting, “An Eight-Unit Isothermal Calorimeter,” USAEC RFP-1401, Rocky Flats (1969).

17.F. Haas, J. Gilmer, G. Goebel, J. Lawless, J. Pigg, D. Scott, and A. Tindall, “Implementation of NDA Instrumentation in the Rocky Flats Processing Facility,” in

Proc. ANS/INMM Conference on Safeguards Technology: The Process Safeguards Interface, Hilton Head Island, South Carolina, November 28-December 2, 1983 (1984), p.106.

18.J.G. Fleissner, “NDA of Plutonium in Isotopically Heterogeneous Salt Residues,” in Proc. ANS/INMM Conference on Safeguards Technology: The Process Safeguards Interface, Hilton Head Island, South Carolina, November 28-December 2, 1983 (1984), p.275.

19.M.P. Baker, “An Integrated Nondestructive Assay System for a New Plutonium Scrap Recovery Facility,” in Proc. of the 7th Annual Symposium on Safeguards and Nuclear Materials Management, ESARDA, Liege, Belgium, May 21-23, 1985 (1985), pp.109-112.

20.J. Wetzel, “Calorimeter System Users Manual for the SRP/NSR Facility,” Mound Laboratory informal report, May 1986.

21.M.F. Duff, J.R. Wetzel, and J.F. Lemming, “Calorimetry Design Considerations for Scrap Assay,” American Nuclear Society Transaction 50, 170 (1985).

22.R.B. Perry et al., “One-Meter Fuel Rod Calorimeter Design and Operating Manual,” Argonne National Laboratory report ANL-NDA-4 (1981).

23.N.S. Beyer, R.N. Lewis, and R.B. Perry, “ Small Fast-Response Calorimeters Developed at Argonne National Laboratory for NDA of Plutonium Fuel Rods,” in “Proceedings of the Symposium on Calorimetric Assay of Plutonium, October 1973,” Mound Laboratory report MLM-2177 (1974).

24.S. Brumbach, A. Finkbeiner, R. Lewis, and R. Perry, “Design and Construction Effort for the Four-Meter Fuel Rod Calorimeter,” in “Plutonium Calorimetry and SNM Holdup Measurements Progress Report,” Argonne National Laboratory Report ANL-77-8 (1977).

25.N.S. Beyer, R.B. Perry, and R.N. Lewis, “Advances in Fuel Rod Calorimetry with the ANL FFTF Calorimeter,” Nuclear Materials Management IV (3), 577 (1975).

26.N.S. Beyer, R.N. Lewis, and R.B. Perry, “Fast-Response Fuel Rod Calorimeter for 36 inch Fuel Columns,” Nuclear Materials Management III, 118 (1974).

27.W. Rodenburg and A. Keddar, “Test and Evaluation of the One-Meter Fuel Rod Calorimeter at Mol, Belgium, June 1981,” Mound Laboratory report MLM-3003 (1982).

28.R.B. Perry and A. Keddar, “Field Test of the One-Meter Fuel Rod Calorimeter,” Argonn National Laboratory report ANL-NDA-10 (1982).

29.B. Judson, J. Doman, K. Eger, and Y. Lee, “In-Plant Test Measurements for Spent-Fuel Storage at Morris Operation,” General Electric Company Report NEDG-24922-3 (1982).

30.J. Creer and J. Shupe, Jr., “Development of a Water Boil-Off Spent-Fuel Calorimeter System,” Pacific Northwest Laboratory report PNL-3434 (1981).