Способ определения изотопного состава топлива в активной зоне ядерного реактора

.Копейкин, А.Петровинов В.В Экс-.ЭР, М.: ЭнергоТОПНО НОЙ ЗО ЕДЕЛЕНИЯ ИЗОЛИВА В АКТИВАКТО РАтносится к ядернтьиспольэованоого состава тодерного реакторется повышение(54) СПОСОБ ОПР ГО СОСТАВА ТОП НЕ ЯДЕРНОГО РЕ (57) Изобретение о гетике и может бы деления изотопн активных зонах я изобретения явля ой знердля опреплива в э. Целью безопасИзобрете гетике и може деления изото активных зонах Для определ понентов и нак реакторах испол банитб ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(56) Овчинников Ф.Я., Семеплуатационные режимы ВВиздат, 1988, с. 229. е относится к ядерной энер-. ыть использовано для опрепного состава топлива в ядерных реакторов.ения выгорания одних комопления других в ядерных ьзуются 3 известных спосоРасчетный способ основывается на моделировании нейтронных полей в активной зоне ядерного реактора с учетом начального обогащения топлива в каждой тепловыдвляющей сборке и концентрации зэмедлителя в активной зоне.К недостаткам способа относятся низ-. ая точность и ненадежность оценок,Известны радиохимические способы анализа состава отработанного топлива. ности и оперативности, а также обеспечение возможности дистанционного определения изотопного состава топлива в процессе работы реактора. Способ заключается в измерении спектральных энергетических характеристик продуктов деления ядерного топлива и определении по ним выгорания 2 О и накопления Ро. Измеряют энергетический спектр позитронов от реакции обратного ф -распада антинейтрино на протонах водородосодержащей мишени вдиапазоне энергий 1,2 - 7,2 МэВ, определяют энергетические спектры позитронов от реакции обратного ф-распада антинейт 5 оин на потонах от деления изотопов О,Рц, О Рц и по ним вычисляют доли делений О, Ро, О, Ро, 3 ил., табли 241ца Такой анализ является достаточно точным, нд он используется только спустя 2- 3 года после извлечения топлива из ядерных установок. Он не является бесконтактным - требует разрушения ТВС. что связано с вопросами радиационной безопасности обслуживающего персонала.Наиболее близким к предполагаемому является у-спектрометрический метод анализа отработанного топлива в ТВ С.Такой способ является неразрушающим, однако может применяться лишь спустя 2-3 года после окончания топливного цикла, трудоемок,требуетспециальных "горячих камер" и соответствующей техники.у -Спектрометрический способ не позволяет оперативно, непосредственно в ходе работы, измерять выгорание О и235накопление Рц. Данный способ связан с239вопросами радиационной защиты и дозиметрического контроля,Целью изобретения является повышение безопасности и оперативности определения изотопного состава топлива в активной зоне ядерного реактора и обеспечение возможности дистанционного апре- деления изотопного состава в процессе работы реактора,Цель достигается тем, что измеряют энергетический спектр позитронов от реакции обратного,д-распада антинейтрино на протонах водородосодержащей мишени в диапазоне энергий 1,2 - 7,2 МэВ, определяют энергетические спектры позитронов от реакции обратного В -распада антинейто 5 ино на протонах от деления изотопов О,Ри О Рц и по ним вычисляют долий 235 О 239 Р 238 О 241 РВ процессе работы ядерного реактора меняется состав ядерного топлива (вклады ио числу делений аа счет еыгорении одних изотопов О, О) и накопления других щРц). Следовательно меняется и результирующий, суммарный спектр антинейтрино в процессе работы ядерной установки.Регистрация антинейтринного излучения и анализ энергетического спектра осуществляются с помощью спектрометра антинейтрино.Основным элементом спектрометра антинейтрино является жидкий или пластический органический сцинтиллятор, Водород, входящий в состав сцинтиллятора, является мишенью реакции обратногоф-распада,+р- и+в+, (1) где е - электронное антинейтрино;и - нейтрон;р - протон;е - позитрон, спектр которого измеряется в спектрометре.ИнДификаЦиЯ 1 ге пРоизвоДитсЯ по Регистрации продуктов реакции (1) - поэитрона и нейтрона. При этом измеряется энергетический спектр позитронов.На фиг.1 показана схема, иллюстрирующая реализацию нейтринного метода измерения изотопного состава топлива ядерной установки; на фиг.2 - дифференциальные энергетические спектры позитронов реакции (1), рассчитанные по энергетическим спектрам антинейтрино от осколков деления О,239 Рц и О; на иг,3 - отношение спектров для изотопов О и Рц.23 239Ядерная установка, реализующая предлагаемый способ, содержит активную зону 1 с биологической защитой 2, На некоторомрасстоянии от активной эоны размещенспектрометр 3 антинейтрино с водородосодержащей мишенью. Спектрометр антинейтрино содержит аналоговую электронную5 схему 4 с трактами усиления сигналов и блоками питания, подключенную к анализирующей электронной аппаратуре 5, в которуювходят система КАМАК (амплитудный и временной отбор информации) и миниЭВМ (ана 10 лиз и накопление информации),Способ реализуют следующим образом,Измеряют энергетический спектр позитронов реакции (1) (энергетическийспектр позитронов получают из разности15 энергетических спектров излучения, измеренных при работающей и остановленнойядерной установке для исключения фона).Спектр позитронов, рождающихся в реакции (1) в водородосодержащей мишени,20 однозначно связан со спектр эм ме, так каккинетическая энергия поэитрона Ее+ (МэВ)определяется энергией налетающего антинейтрино соотношениемЕе+(МэВ) = Е 1 л (МэВ) - 1,8 МэВ, (2) 25 где 1,8 МэВ - порог реакции (1). Зв (Ее ) =а 555(Ее )+а 989 (Ее+ )+аз 86(Е е+ ) +а 1 8 1(Е е+ )Р)где а 52 а 9,аа 1, - доли д 2 елений соответст,35 О 2 Р 239 О 41 РЕ е - энергия позитрона;5(Ее ЛЯ 9(Ее Л 88(Ее Л 51(Ее ) энергетические спектры позитронов реакции (1) в водородосодержащей мишени от осколков деления соответственно О, 239 Р 23 вО 241 РНа щли д 2 еления каждого изотопа 2 О,Ри, О и. Рц накладывается условие нормировки. 35 40 45 а 5+а 9+аа+а 1=1 (4) Представленные на фиг.2 дифференциальные энергетические спектры позитронов реакции обратного ф -распада (1), рассчитанные по энергетическим спектрам анти- нейтрино о 2 т осколков деле 2 ния 235 О (1), 239 Рц (2), и О (3) (спектр от Рц не показан, так как его вклад в процесс деления незначителен), сильно отличаются друг от друга (в 2,0-2,5 раза),55 Энергетический спектр антинейтриноуе от ядерной установки формируется приЯ-распре осколков деления четырех изотопов: О, 2 Рц, О и Рц. Поэтому сум 24130 марный спектр позитронов реакции (1) вводородосодержащей мишени может бытьзаписан в видеДля анализа применяют стандартныйметод Х;/ 5,+ (е,+ ) -аЗРафф (е +,хф=ф= о где 3+ (Е + 1 )- значения анализируемого спектра в )-й точке нэ шкале энергий позитронов реакции(1) в водородосодержащей мишени; 10) - 1-К - число рассматриваемых точекна шкале энергий (произвольное);ЗГф (Еа+ 1 ) - значения спектровпозитронов от осколков деления 1-го изотопа в )-х точках на шкале энергий;1" 5,9,8,1 - обозвначегния изотопов, соответственногз 5 ц,г рц, ээо иг 4 рц;а 1 - вклады 1-го изотопа по числу делений; 20о) - экспериментальная погрешность , спектра в )-й точке,Суть метода Х заключается в нахождении путем вариации параметров, соответствующих минимальному значению Хмин . 25 Найденные значения а)являются искомыми.Энергетический диапазон ЕР, = (3-9) МэВ выбран из необходимости обеспечения высокой статической точности и наи большего соотношения эффект/фон, Нэ фиг,3 приве 5 дено огтношение спектров для изотопов О и Рц, откуда видно, что наибольшее различие спектров достигается именно для этого энергетического диапазо на. В то же время за пределами данного энергетического диапазона скорость счета позитронных событий мала, так как: при энергии Ер, нижеЗМзВточностьопределения спектра падает ввиду большого вкла-. да фона, который приходится вычитать, э при энергии Е р,. больше 9 МэВ точность измерений существенно снижается из-за быстрого спадания нейтринного спектра, 4 т.е. малого количества нейтронных событий выше 9 МэВ.измеряя энергетический спектр анти- . нейтдино, можно определить количество 5 ф )О и Рц, находящихся в данный момент в активной зоне, а измеряя начальную загрузку (спектр позитронов реакции (1) в начале кампании), определить количества выгоревшего и накопившегося ядерного топлива к данному моменту времени. Анти- нейтринное излучение вследствие малого сечения взаимодействия с веществом беспрепятственно проникает через активную зону и биологическую защиту ядерной установки и изотропно распространяется по всем направлениям, Спектрометр антинейтрино может быть расположен в любом месте за пределами биологической защиты на расстояниях от нескольких метров до десятков метров от активной зоны, т.е. энергетические спектры позитронов реакции (1) (спектры антинейтрино) измеряются дистанционно и бесконтактно.Рассмотрим возможность применения антинейтринного метода на примере реактора ВВЭР.В таблице приведен типичный состав ядерного топлива реактора ВВЭР.Иэ тзавблицы видно, что суммарный вклад 0 и Ри составляет (85 - 90 ф. Согласно таблице, основные измененияза кампанию претерпевают Оего доляуменьшается с - 70 до 51) и Ро (егоуовля увеличивается с 20 до355), вкладО почти не меняется, а вклад Ри незначителен.Для осуществления способа необходимо постоянно (или периодически) проводитьизмерения энергетического спектра позитронов реакции (1) с помощью антинейтринного спектрометра, который может бытьрасположен на расстояниях "10-100 м отактивной зоны,Предлагаемый способ, основанный наизмерении энергетического спектра антинейтрино, позволяет оперативно, бесконтактно, дистанционно в ходе кампанииопределять выгораниев)0 и накопление Рц. Количество выгорвшего)О9в ядерной установке определяет длительность ее топливного цик)ла. Прямое измерение содержаниягз гО в активной зоненепосредственно в ходе кампании позволяет прогнозировать ее длительность и, следовательно, более эффективно использоватьядерное топливо, что улучшает технико-зкономические показатели АЭС, Способ является оперативным, неразрушающим ибезопасным, так кэк не требует контакта нис активной зоной, ни с топливом. Дистанционное слежение за накоплением г Ро вядерных установках важно также для контроля за нераспространением расщепляющихся ядерных материалов в плане системыгарантий МАГАТЭ.Формула изобретенияСпособ определения изотопного состава топлива в активной зоне ядерного реактора, заключающийся в измеренииспектральных энергетических характеристик продуктов деления ядерного то 5 плива иопределении по ним выгорания 0 и накопления Рц, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с. целью повышения безопасности и1681338 . 8 Типичный изотопный состав реактора ВВЭР- вклады по числу делений злО ззэР 2 мО ыРоперативности, в также обеспечения воэможности дистанционного определения изотопного состава топлива в процессе работы реактора, измеряют энергетический спектр позитронов от реакции обратного ф-распада антинейтрино на протонах водородосодержэщей мишени в диапазоне энергиИ 1,2-7,2 МэВ, определяют энергетические спектры позитронов от реакции обратного ф -распада антинейтрин на путонах от деления изотопов О, Рц, 5О Р и по знэим вычисляют доли делений О, Рц, О, Рц.1681338 ииь Составительедактор А,Лежнинэ Техред М.Моргентал Корректор О.Крэвцо Производственнотельский комбинат"Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 каз 3314 Тираж Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Рауаская наб., 4/5