Бушуев Методы измерения ядерных материалов 2007

комендованная процедура включает выравнивание слоя органического осадка на диске и последующий отжиг счетного диска.

Образец для альфа-спектрометрических измерений приготавливают следующим образом. Порцию раствора, содержащего плутоний, разбавляют 1М азотной кислоты. Аликвоту разбавленного раствора смешивают с равным объемом 0,5 М ТТА в ксилене, и затем аликвоту органической фазы выпаривают на счетный диск. Другой способ основан на отделении и очистке плутониевой фракции из начального раствора с помощью ионообменной процедуры. В этом случая аликвоту очищенной плутониевой фракции выпаривают на счетный диск. Приготовление «невесомого» образца равномерной толщины необходимо, чтобы получить оптимальный альфа-источник. Присутствие в образце инертных остатков может вести к поглощению альфа-частиц и деградации альфа-спектра. Рекомендованная процедура включает выравнивание слоя органического осадка на диске и последующий отжиг счетного диска.

Наиболее часто для альфа-спектрометрии используют поверх- ностно-барьерные Si(Au)-детекторы, которые имеют тонкое входное окно (толщиной несколько микрометров) и работают без охла-

231

При проведении отдельного анализа может потребоваться несколько минут на приготовление источника (если использовать очищенную плутониевую фракцию) и приблизительно 10 мин на измерение.

Ширина пиков в измеренном альфа-спектре зависит не только от разрешающей способности спектрометра, но и от некоторых искажающих факторов.

1.Альфа-частицы теряют часть энергии внутри источника. Для

альфа-частиц с энергией 6 МэВ потери составляют около 0,2 кэВ для источника толщиной 1 мкг/см2. Из-за этих потерь уменьшается энергия вылетающих из источника альфа-частиц и увеличивается их разброс по энергии, пики уширяются и сдвигаются в сторону низких энергий, у них появляются длинные хвосты. Чтобы ушире-

ние пиков не превышало 10 кэВ, толщина слоя альфа-активного вещества не должна быть больше 5–10 мкг/см2. Счетный диск изготавливают из хорошо отполированной нержавеющей стали или стекла (еще лучше из Pt или Та).

2.Альфа-частицы могут терять энергию при соударениях с молекулами воздуха в пространстве между источником и детектором. Поэтому детектор и источник помещают в вакуумную камеру. Чтобы уширение и смещение пиков не превосходило 10 кэВ, давление в камере не должно превышать 10 мм рт. ст. Для снижения фона, образуемого ядрами отдачи, вылетающими из источника и оседающими на поверхности детектора, применяют обратное напряжение, подаваемое на корпус детектора.

3.Альфа-частицы могут терять энергию во входном окне (в «мертвом» слое) детектора. Из-за разных углов падения альфачастиц их пробеги во входном окне различны, что обусловливает разные потери энергии. Это ведет к уширению пиков и удлинению «хвостов». Чтобы уравнять пробеги, либо удаляют образец от детектора, либо между источником и детектором помещают коллимирующее устройство. Источник устанавливают на специальном винтовом приспособлении, с помощью которого можно изменять расстояние между детектором и источником, не нарушая вакуум в камере.

241Am, который всегда присутствует в плутониевом образце в

качестве продукта распада 241Pu, может создавать фон при измерении альфа-излучения 238Pu (см. таблицу 12.3) Химическая очистка

233

плутониевого образца от америция – обязательная операция, проводимая перед контрольным измерением, особенно если содержа-

ние 241Pu в плутонии велико. Если быстрое проведение анализа затруднено, вносят поправку на вклад 241Am в альфа-пик 238Pu, учи-

тывающую накопление америция после очистки.

Изотопное отношение R8/9 = 238Pu/239Pu определяют по результатам измерения, используя формулу:

где R0/9 = 240Pu/239Pu получают с помощью масс-спектрометрии; S8 – число отсчетов, зарегистрированных в суммарном пике 5,50 и 5,46 МэВ; S9 – число отсчетов, зарегистрированных в области пиков 239Pu

и 240Pu с энергией 5,11–5,17 МэВ; а8 = 3,800 107 расп/(мин мкг) –

удельная альфа-активность 238Pu; а9 = 1,376 105 расп/(мин мкг) – удельная альфа-активность 239Pu; а0 = 5,058 105 расп/(мин мкг) – удельная альфа-активность 240Pu.

Случайная погрешность альфа-спектрометрического определения 238Pu не превышает 2% при его содержании 0,01% в плутонии. Отношение 238Pu/239Pu получают с погрешностью 2–5%, что вполне приемлемо для целей контроля образцов плутония.

Вероятно, в будущем альфа-спектрометрия найдет более широкое применение при решении задач контроля ЯМ. Например, америций и плутоний рассматриваются в настоящее время в качестве «альтернативных ядерных материалов». Ставится задача разработки методов определения и измерения нептуния (и, возможно, америция) во входных растворах и в высокоактивных отходах. Для определения содержания нептуния может быть использована альфаспектрометия.

При пассивных нейтронных измерениях образцов плутония (см. главу 7) существует опасность искажения результатов из-за присутствия в образцах малых количеств (ppm или даже долей ppm) 244Cm. Этот нуклид имеет относительно малый период спонтанного деления (в 104 раз меньше, чем у 240Pu). Для радиохимических анализов плутониевых образцов на содержание 244Cm применяют альфа-спектрометрию.

234

12.8. Основные итоги рассмотрения материала двенадцатой главы

1.Масс-спектрометрия – широко распространенный разрушающий метод измерения ЯМ. Для получения ионов U и Рu из образца чаще всего применяют термоэмиссионный источник. При массанализе сканируют пучок ионов с помощью комбинированного воздействия магнитного и электрического полей. Относительное содержание в пучке ионов разных масс измеряют при токовом или импульсном режимах работы детекторов.

2.Масс-спектрометрия применима для анализов разных хими-

ческих форм U и Рu. Для анализов обычно используют малые образцы (10–8 – 10–5 г U, 10–9 – 10–6 г Рu) специально выделенных и очищенных материалов.

3.Для одновременного количественного определения масс U и Рu в растворе отработавшего реакторного топлива применяют ме-

тод изотопного разбавления. При этом до начала анализа в образец исследуемого раствора добавляют индикаторы (233U, 236U, 242Pu, 244Pu) и производят специальное смешивание образца и индикатора

для придания им одинаковых свойств и достижения изотопного равновесия.

4.Для контроля отработавшего топлива на предприятиях, где нет масс-спектрометрии, разработан метод Resin-bead. Капли ионообменной смолы погружают в исследуемый раствор, смешанный с индикаторами. Впоследствии эта капля, сорбировавшая из раствора U и Pu, транспортируется в аналитическую лабораторию и служит образцом для масс-спектрометрических измерений.

5.Для определения содержания 238Рu в плутониевых образцах (особенно при малом выгорании плутония) используют метод аль- фа-спектрометрии.

12.9. Контрольные вопросы по материалу двенадцатой главы

1.Какие факторы могут влиять на разрешающую способность масс-спектрометра?

2.Сравните требования к разрешающей способности массспектрометра при изотопных анализах легких и тяжелых элементов.

3.Что мешает уменьшению количества материала в образце, предназначенном для масс-спектрометрического анализа?

235

4.Можно ли провести масс-анализ двух элементов в одном образце без их предварительного химического разделения?

5.Можно ли при анализах методом изотопного разбавления использовать для измерений вместо масс-спектрометра гаммаспектрометр?

6.Какая дополнительная операция требуется, если при массспектрометрических измерениях вместо одного детектора использовать несколько детекторов, работающих параллельно (т.е. перейти от одноколлекторной к многоколлекторной измерительной системе)?

7.Можно ли использовать масс-спектрометрию для исследования изотопного состава смеси продуктов деления?

8.Чем отличаются масс-спектрометры, предназначенные для анализов легких и тяжелых элементов?

9.Почему для альфа-спектрометрических измерений 238Рu можно использовать полупроводниковый детектор без охлаждения?

10.Одинаковы ли требования к очистке плутония от америция при измерениях 238Рu в образцах плутония с малым и большим выгоранием?

12.10.Список литературы к материалу двенадцатой главы

12.1.Сысоев А.А. Физика и техника масс-спектрометрических приборов и электромагнитных установок. – М.: Энергоатомиздат, 1983.

12.2.Беляев Б.Н., Ловцюс А.В. и д.р. Масс-спектрометрический анализ нанограммовых количеств трансурановых элеметов//Радио-

химия, 1982. №2, с.185.

12.3.Тельдеши Ю., Браун Т., Кирш М. Анализ методом изотопного разбавления М.: Атомиздат, 1975.

12.4.Пупышев А.А., Суриков В.Т. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой. Образование ионов. Екатеринбург: УВО РАН, 2006.

12.5.R. Wellum, A. Held et al. NUSIMEP-2: an External QC Campaign for Measurements of Uranium Isotopic Ratios in Small Samples.

–ESARDA, 23rd annual meeting, Bruges, Belgium, 8–10 May, 2001.

236

Глава 13 КОМПЛЕКСНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ

ИЗМЕРЕНИЙ ЯМ

13.1. Взаимозаменяющие и взаимодополняющие методы анализа ЯМ

Ранее были рассмотрены наиболее часто применяемые методы измерений ЯМ. Область применения каждого метода ограничена. Для решения каждой задачи существует несколько различных способов. Основной критерий применимости того или иного метода – возможность получить с его помощью необходимую информацию с требуемой точностью за определенное время. Другие значимые факторы – стоимость анализа, наличие необходимого оборудования, подготовленность персонала.

Все методы можно условно разделить на взаимозаменяющие и взаимодополняющие. Так, для определения содержания урана в образце ЯМ можно использовать титрование по методу Дэвиса– Грэя, масс-спектрометрию с изотопным разбавлением, денситометрию, РФА. Для определения обогащения 235U применяют массспектро-

метрию, гамма/Х-спектрометрию с программой MGAU, гаммаспектрометрию с программой FRAM. Это взаимозаменяющие методы.

Взаимодополняющими являются методы гамма-спектрометрии и счета нейтронных совпадений, которые совместно позволяют определить массу плутония в образцах ЯМ. Другой пример совместного применения методов: РФА при низкой концентрации ЯМ в растворе и денситометрия – при высокой. Еще один пример – с помощью метода титрометрии изготовляют СО для калибровки систем неразрушающих измерений методом денситометрии и РФА.

Применение нескольких разных методов для измерения какоголибо параметра ЯМ позволяет повысить достоверность общего результата за счет взаимной компенсации возможных методических погрешностей.

Одновременное применение нескольких методов ведет к объединению их оборудования в одной установке, к созданию измерительных комплексов-станций.

237

13.2. Методы измерений ЯМ, применяемые на химическом комбинате в Селлафилде (Великобритания)

Рассмотрим особенности комплексного применения методов измерений ЯМ на химическом комбинате в Селлафилде (Великобритания) [13.1]. Там с помощью Евратома укомплектованы и размещены более 100 приборных систем, обеспечивающих ядерную безопасность, контроль за технологическими процессами и учет ЯМ.

Для переработки на комбинат поступает отработавшее топливо LWR с выгоранием не более 40 МВт сут/кгU и временем охлаждения не менее 5 лет, а также топливо усовершенствованных AGR с выгоранием не более 25 МВт сут/кгU и временем охлаждения не

менее 3,8 года. Начальное обогащение топлива в обоих случаях не более 4% по 235U.

Цель измерений – предотвращение поступления на переработку топлива с параметрами, выходящими за пределы возможностей завода, установленными на основе следующих ограничений:

•предельное облучение операторов и другого персонала;

•предельное содержание в топливе продуктов деления с учетом их влияния на химические процессы;

•предельное количество делящихся материалов в каждой зоне. Для определения входных параметров топлива – времени охла-

ждения, времени облучения, начального и конечного обогащения – используются три метода:

•гамма-спектрометрия высокого разрешения для анализа излучения топлива;

•детектирование собственного нейтронного излучения топлива, создаваемого главным образом 244Cm;

•измерение нейтронного излучения, вызванного в топливе с помощью внешнего источника 252Cf.

Топливные сборки выгружают из контейнеров под водой, переносят на станцию мониторинга и центрируют на вертикальной оси.

Взависимости от типа ТВС с каждой из них проводят измерения на

четырех или более высотах. Сборку вращают на 360° с постоянной скоростью, проводя нейтронные и гамма-измерения. Каждое измерение проводят с помощью Ge-детектора и 5 камер деления

(рис. 13.1).

238

3

1

5

4 2

Рис. 13.1. Схема измерительной системы входного контроля ТВС на заводе в Селлафилде:

1 – модуль из двух нейтронных детекторов; 2 – модуль из трех нейтронных детекторов; 3 – коллиматор гамма-спектрометра; 4 – источник 252Cf; 5 – место мониторинга ТВС

По результатам измерений на каждой отдельной высоте определяют локальное значение параметров ТВС, а затем полученные результаты используются для вычисления средних значений времени облучения и охлаждения, начального и конечного обогащения топлива. В соответствии с полученными значениями вырабатывается сигнал начала процесса переработки.

Контрольные измерения плутония в Селлафилде производятся с образцами с завода и других ядерных установок, расположенных на близлежащей территории. Образцы содержат Pu как в жидкой (нитраты плутония), так и в твердой (оксиды плутония, MOXтопливо) формах. Применяются разрушающие и неразрушающие методы измерений, причем выбор метода зависит от физической формы образца, концентрации плутония и его изотопного состава.

Аналитическая техника для контроля Pu в балк-форме и образцов MOX-топлива включает титрометрию и счет нейтронных совпадений. Жидкие образцы анализируются с помощью ККД в комбинации с γ-спектрометрическим определением изотопного состава. Все три метода (титрометрия, ККД, счет нейтронных совпадений) применяют для измерений в отдельных перчаточных боксах.

239