Глава 23
Руководство по применению методов неразрушающего анализа
Н. Энсслин, Д. Райлли и Х. Смит, мл. (Переводчик И. Н. Сазонов)
23.1 ВВЕДЕНИЕ
Эта глава представляет собой руководство по применению методов неразрушающего анализа (НРА) ядерных материалов и предназначена в помощь пользователю при подборе аппаратуры в соответствии с задачами контроля ядерных материалов. Рисунки и таблицы этой главы соответствуют большинству методик измерений, описанных в этой книге, кроме того, в этой главе также рассматриваются несколько важных активных методов. Дополнительная информация по активным методам НРА, используемых в Комиссии США по ядерному регулированию, приведена в руководстве Ц. Гозани “Активный неразрушающий анализ ядерных материалов” [1]. Детальное описание измерительных методов НРА приведено в книге Комиссии по ядерному регулированию “Руководство по методам измерений для обеспечения ядерных гарантий” под редакцией Д.Р. Роджерса [2].
На рис. 23.1 приведен перечень методик НРА, включая примеры некоторых наиболее часто используемых приборов, относящихся к каждой методике. Рисунок показывает многообразие методик, доступных для исследователя. На разных стадиях ядерного топливного цикла плутоний и уран присутствуют в различных формах и это часто затрудняет для пользователя выбор методики, подходящей для задач его измерений. Настоящее руководство предназначено помочь в решении этой проблемы путем обобщения принципиальных возможностей методик гамма- и нейтронного анализа (раздел 23.2) и предоставлением подробной таблицы для подбора подходящей аппаратуры НРА для заданных ядерных материалов (раздел 23.3).
В данном руководстве не рассматриваются измерения облученного топлива, мониторы для контроля периметра ядерных установок, качественные измерения и измерения отложений; этим вопросам посвящены главы 18, 19 и 2 0.
23.2ВОЗМОЖНОСТИ НЕКОТОРЫХ ПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ МЕТОДИК НЕРАЗРУШАЮЩЕГО АНАЛИЗА
Гамма-излучение выделяется при радиоактивном распаде и несет энергети- ческую информацию, которая однозначно идентифицирует изотопы, присутствующие в образце. Эта информация обычно сохраняется в процессе детектирования. Принципиальной трудностью для гамма-методов анализа является введение точных поправок на ослабление в образце. Ослабление гамма-излучения увели-
Глава 23. Руководство по применению методов неразрушающего анализа |
677 |
чивается с ростом атомного номера Z и плотности материала ρ, поэтому методики анализа по гамма-излучению лучше работают для материалов с низким атомным номером (Z < 25) и низкой плотностью (ρ < 1 г/см3). Нейтроны несут ограниченную энергетическую информацию, но даже она обычно теряется при типичном процессе детектирования. Нейтронное излучение не предоставляет информации для идентификации разновидностей ядерных материалов, присутствующих в образце. С другой стороны, нейтроны легко проникают сквозь материалы с высоким атомным номером и большой плотностью (например, свинец и уран). Значительно больше трудностей возникает для материалов с низкими атомными номерами, особенно содержащих водород, таких как вода или полиэтилен. Таким образом, гамма- и нейтронные методы дополняют друг друга вследствие их различной чувствительности к плотности и типу материала. В основном пассивные методы хорошо работают с плутониевыми образцами, т.к. плутоний имеет высокую удельную активность (при альфа-распаде и спонтанном делении). Очень низкая удельная активность обоих видов распада урана часто заставляет использовать активные методики измерения.
Рисунки в этом разделе дают представление о точности, которая может быть достигнута при анализе одиночного образца с использованием основных методик НРА. Рис. 23.2 иллюстрирует "контролепригодность" различных форм материалов при использовании методик гамма-спектрометрии. Наиболее точно могут быть проанализированы гомогенные материалы с низкой плотностью, такие как газы, растворы и порошки. Для этих материалов предпочтительны методики на основе анализа гамма-излучения, т.к. наблюдаемые спектральные пики имеют уникальные характеристики, которые позволяют идентифицировать присутствующие изотопы ядерных материалов, а также количественно определять массу изотопа. Важно отметить, что гамма-спектрометрия обеспечивает четкую идентификацию разновидностей изотопов в образце даже в случаях, когда образец имеет высокую плотность или очень неоднороден, что затрудняет точное определение массы.
Для неоднородных или высокоплотных материалов, в которых ослабление гамма-излучения слишком велико для получения точных поправок, более предпочтительными могут быть нейтронные методы анализа. Рис. 23.3 иллюстрирует "контролепригодность" различных форм материалов при использовании методик регистрации нейтронов. Для большинства крупных образцов металлов, оксидов, высокоплотного скрапа (скрап — отбракованный ядерный материал, удаленный из технологического процесса и предназначенный для дальнейшей переработки — прим. ред.) и отходов необходимо применение нейтронных методик. Точность нейтронного анализа ухудшается, если имеется высокий фон от (α,n)-реакций или в отходах присутствуют замедляющие материалы, такие как влага или органические соединения.
Калориметрия представляет собой другой, более медленный, но более точ- ный метод анализа плутония, который нечувствителен к присутствию материалов матрицы (за исключением того, что материалы матрицы могут увеличить время, необходимое для достижения теплового равновесия). Как калориметрия, так и нейтронные методы обычно требуют знания изотопного состава измеряемого плутония; одним из способов измерения изотопного состава является гам- ма-спектрометрия.
Рис. 23.4 и 23.5 показывают области применения наиболее распространенных методик гамма- и нейтронного анализа. В общем случае, гамма-методики,
