Проблема учета и контроля делящихся материалов (ДМ) является одной из важнейших в мире, так как в значительной степени определяет его стабильность. Возможная утечка ДМ в страны, не подписавшие договор об их нераспространении, а также в террористические организации, может привести к самым тяжелым последствиям, и поэтому мировая общественность уделяет значительное внимание вопросам контроля за перемещением ядерных материалов. В настоящее время стало необходимостью развитие физических методов, связанных с анализом состава изделий ядерной энергетики и их обнаружением в случае несанкционированного провоза ДМ через государственные границы. Решение этой проблемы в значительной мере определяет безопасную эксплуатацию ядерных объектов и снижает риск актов ядерного терроризма.
Изучение новых путей контроля и обнаружения ДМ, которые открываются в устройствах с использованием импульсных нейтронных источников в комбинации с различными замедлителями нейтронов является перспективным направлением в создании инновационных установок неразрушающего контроля ДМ, отличающихся меньшими' затратами на изготовление, универсальностью систем детектирования откликов ДМ, допускающими массовое производство и экологически безопасными при их эксплуатации. При этом возникает возможность получения в установках нейтронов разных энергий, что значительно расширяет область инспектируемых объектов, улучшает качество инспекции, а также обнаружение и идентификацию ДМ в контейнерах не подлежащих вскрытию. В диссертации рассматриваются новые физические методы и основанные на их разработке установки, которые возможно использовать при контроле состава ДМ в тепловыделяющих сборках (ТВС) ядерных реакторов и обнаружения ДМ в аэропортах, даже в тех случаях, когда они сознательно скрываются поглощающими зондирующее излучение экранами.
Цель работы Целью диссертационной работы является:
1. Разработка физических и методических основ установок неразрушающего контроля и обнаружения ДМ с импульсными нейтронными генераторами с целью оптимизации их параметров, повышения чувствительности, экономичности, потребительской ценности и радиационной безопасности на базе анализа нестационарных полей нейтронов и фотонов.
2. Определение параметров установок активного неразрушающего контроля и обнаружения ДМ с импульсными нейтронными генераторами. 5.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Проведен анализ расчетных временных распределений полей излучений в различных замедлителях нейтронов, используемых для создания установок обнаружения и неразрушающего контроля ДМ с применением импульсных нейтронных генераторов.
2. Получены оптимальные геометрические размеры, материальный состав и временные соотношения полей излучений в установках на базе различных замедлителей нейтронов.
3. Исследованы зависимости между энергией нейтронов и временем ее достижения в процессе замедления нейтронов в свинце для различных библиотек ядерных констант.
4. Исследована чувствительность результатов расчетов функционалов нейтронных и фотонных полей в различных замедлителях к вариации ядерных данных.
5. Исследованы нейтронные и фотонные поля портативных импульсных нейтронных генераторов ИНГ-06 и ИНГ-031 с целью получения области их применимости в установках активного неразрушающего контроля ДМ.
6. Проведен анализ временных распределений полей излучений в установке контроля состава ТВС ядерных реакторов на основе графитового замедлителя нейтронов.
7. Проведен анализ временных распределений полей излученийв свинцовой сфере с целью создания метода определения концентраций 235U и 239Ри в образцах ДМ с малой экранировкой ДМ.
81 Разработан метод снижения загрузки сцинтилляционных трактов в установках с импульсными нейтронными источниками.
9. Экспериментально подтвержден расчетный комплекс установки обнаружения ДМ.
10. Получены рекомендации по обеспечению методического обоснования установок обнаружения и контроля ДМ различного назначения.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Научная новизна работы заключается в предложенных подходах и разработанных методах анализа временных и энергетических распределений полей излучений с различными реакциями получения нейтронов, на основе которых возможна разработка и создание инновационных установок обнаружения и неразрушающего контроля ДМ с импульсными нейтронными источниками в комбинации с различными замедлителями нейтронов. К ним относятся:
1. Впервые на основе проведенных исследований временных и энергетических характеристик полей излучений портативных генераторов ИНГ-06 и ИНГ-031, получены параметры, определяющие области их применимости в экспериментальных исследованиях.
2. Предложена, новая матрица временных интервалов для раздельного определения-откликов U и Ри по времени замедления быстрых нейтронов в свинце.
3. Предложен новый метод снижения загрузки сцинтилляционных трактов в установках с импульсными нейтронными источниками с помощью использования составных сцинтилляторов.
4. Впервые получены зависимости между энергией нейтронов и временем ее достижения в процессе замедления нейтронов в свинце для различных библиотек ядерных констант.
5. Получены оптимальные геометрические и материальные параметры, а также временные соотношения полей излучений установок обнаружения и контроля ДМ на базе различных замедлителей с использованием импульсных нейтронных источников с DD и DT реакциями получения нейтронов.
6. Определены параметры установки с графитовым замедлителем и импульсным нейтронным источником для контроля ДМ в ТВС ядерных реакторов.
7. Определены параметры прототипа реальной установки обнаружения ДМ в аэропортах с помощью нейтронов разных энергий в случаях, когда ДМ скрывается экранами, поглощающими зондирующее излучение.
Практическая значимость работы определяется разработанными физическими методами и полученными рекомендациями, которые могут быть использованы при создании установок активного неразрушающего обнаружения и контроля ДМ в ТВС ядерных реакторов и была экспериментально подтверждена на примере создания прототипа установки обнаружения ДМ в аэропортах, морских портах и т. д. Реализация результатов работы открывает пути конструирования установок, отличающихся экономичностью, универсальностью систем цифрового детектирования откликов ДМ, допускает промышленное производство устройств и их безопасную эксплуатацию в условиях таможенных пунктов аэропортов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты расчетов констант временного спада и диффузионных констант воды, графита и бериллия, для которых определено влияние термализационного блока ядерных данных программы MCNP-4c2 на величины отклонений расчетных данных от экспериментальных значений.
2. Зависимости между энергией нейтронов и временем ее достижения в процессе замедления нейтронов в свинце, полученные для различных библиотек ядерных констант.
3. Стационарные и нестационарные спектры нейтронов и, вторичных фотонов, формируемые в воздухе вокруг нейтронных генераторов ИНГ-06 и ИНГ-031 за счет взаимодействия нейтронов мишени с конструкционными материалами.
4. Метод раздельного определения откликов U и Ри по времени замедления быстрых нейтронов в свинце на основе матрицы временных интервалов, позволяющий значительно уменьшить эффект самоэкранировки.
5. Метод снижения загрузки сцинтилляционных трактов в установках с импульсными нейтронными источниками с помощью использования составных сцинтилляторов.
6. Параметры прототипа установки обнаружения делящихся и радиоактивных материалов в аэропортах, морских портах и т. д.
Личный вклад автора.
Все результаты расчетных исследований и анализ временных распределений нейтронных и фотонных полей с целью оптимизации и повышения чувствительности, экономичности, потребительской ценности и радиационной безопасности установок неразрушагощего контроля и обнаружения ДМ нового типа с импульсными нейтронными генераторами получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор разработал и обосновал метод снижения загрузки сцинтилляционных трактов в установках с импульсными нейтронными источниками и предложил метод тестирования библиотек ядерных данных на основе временных распределений нейтронов и фотонов. Непосредственно автором проведено исследование нейтронных и фотонных полей портативных импульсных нейтронных генераторов ИНГ-06 и ИНГ-031 и получены критерии их применимости в установках активного неразрушающего контроля нового типа.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии. Работа изложена на 162 страницах, содержит 106 рисунков, 15 таблиц и список цитируемой литературы из 52 наименований. Апробация работы.
Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в работах [36 — 52]. I.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
И ВЫВОДЫ.
Контроль — и учет ядерных материалов внастоящее времяявляетсяодной", из важнейших задач в мире, решение которой, связано с проблемой' нераспространения ДМ и безопасной— эксплуатациейядерно-энергетических установок. Создание: устройств обнаружения ДМ вi аэропортах и их контроль в ТВС ядерных реакторов-является сложной. системной задачейрешение которой требует, проведения большого объема экспериментальных исследованийВвиду этого, расчетные исследованиякоторые существенно сокращают временные: и экономические ресурсы создания установок^ контроля, представляют собой необходимый этап? в их практической реализации: В диссертациидля этихцелсйиспользованметодМонте-Карло, которыйможнопред ставить, как численный эксперимент для трехмерных конфигураций устройств обнаружения ДМ. На основе проведенного в диссертационной работе анализа нестационарных полей нейтронов и фотонов в различных замедлителях и. установках контроля ДМс импульсными источниками нейтроновбьши, рассмотрены, новые физические методы и основанные на их разработке установкикоторые возможно использовать при контроле состава ДМ в тепловыделяющих сборках (ТВС) ядерных реакторов, обнаружения ДМ в аэропортах, даже в тех случаях, когда они сознательно скрываются поглощающими зондирующее излучение экранами. Проведенные расчетные исследования показали роль конструкционных материалов при формировании стационарных и нестационарных полей излучений портативных нейтронных генераторов и дали возможность получения рекомендаций по их применению в конкретных экспериментах контроля состава различных материалов.
На примере прототипа установки обнаружения ДМ в аэропортах, морских портах и т. д., работающей на основе цифровой технологии разделения откликовнейтронов и фотонов с высокой загрузкой сцинтилляционных трактов, была экспериментально подтверждена практическая ценность проведенного в диссертационной работе анализа временных распределений излучений для оптимизации установок неразрушающего контроля ДМ с импульсными нейтронными генераторами. ^.
В случае полномасштабной реализации данной работы открываются пути конструирования установок неразрушающего контроля ДМ, отличающихся меньшими затратами на изготовление, универсальностью систем детектирования отклика ДМ, допускающими массовое производство и экологически безопасными при эксплуатации или даже в случае их полного разрушения. Эти установки могут быть использованы для обнаружения ДМ в различных пунктах таможенного контроля и определения состава тепловыделяющих сборок ядерных реакторов и высокообогащенных образцов.
По результатам, полученным в диссертации, можно сделать следующие основные выводы:
1. В результате расчетного анализа временных распределений полей тепловых нейтронов в сферических водных, графитовых, бериллиевых и свинцовых замедлителях нейтронов показана необходимость введения термализационного блока констант при расчетах в программе MCNP-4c2. Отсутствие термализационного блока приводит к отклонениям в расчетах величины констант спада тепловых нейтронов до 60% для воды, (7−15)% для графита и (2−5)% для бериллия (для малых значений радиусов). Расхождения для сечения, поглощения и коэффициента диффузии замедлителей составляет: (1−14)% для графита, —19% для бериллия (для коэффициента диффузионного охлаждения).
2. Получено, что для воды использование DD реакции в 5−8 раз, а для графита в 2 раза эффективнее для получения тепловых нейтронов, чем использование DT реакции. Для бериллия DT реакция эффективнее в 2−3-раза, а для свинца — от 2 до 7 раз (для энергии 4,9 эВ), чем реакция DD.
3. Предложен и апробирован метод тестирования библиотек ядерных данных на основе временных и энергетических распределений полей излучений в различных замедлителях нейтронов, при использовании которого во всех спектрах излучений и их функционалах отсутствует информация о нейтронах источника, а также об анизотропии характеристик их вылета из источника, что повышает достоверность сравниваемых экспериментальных и расчетных данных.
4. Получены результаты чувствительности временных распределений плотностей потоков тепловых и надтепловых нейтронов, а также вторичных фотонов в воде, графите и бериллии с DT и DD реакциями получения нейтронов к вариации ядерных данных в различных библиотеках констант. Максимальные относительные отклонения. результатов расчетов различных функционалов, полученных для различных библиотек констант, от результатов, полученных с библиотекой ENDF/B-VI, наблюдаются для библиотек ядерных данных ENDL-85, ENDL-92 и достигают —50% в случае использовании DT реакции получения нейтронов.
5. Получены зависимости между энергией нейтронов и временем ее достижения в процессе замедления нейтронов в свинце для различных библиотек ядерных данных, которые позволили оценить относительное отклонение времени замедления нейтронов от экспериментальных значений, полученных в работе [23] для разных библиотек ядерных данных. Для данных, полученных с помощью библиотек FENDL 2.1, ENDF/B-VI.6, ENDF/B-VI.2 — это отклонение не превышает 5% для всех рассматриваемых энергий, кроме 40 кэВ. Различие при энергии нейтронов 40 кэВ составляет: FENDL 2.1 — 10,1%, ENDF/B-VI.6 — 47,2%, ENDF/B-VI.2 — 49,9%. Использование библиотек ENDF/B-V, ENDL-92, ENDL-85 дает менее.
155 согласующиеся с эмпирическим значением результаты: отклонение достигает 8% для библиотеки ENDF/B-V- 7,5% - для библиотеки ENDL-92- 15,4% - для библиотеки ENDL-85 для всех рассматриваемых энергий, кроме 40 кэВ (ENDF/B-V — 36,3%, ENDL-92 — 44,5%, ENDL-85 — 25,4%).
6. Определены нейтронные и фотонные спектры портативных импульсных нейтронных генераторов ИНГ-06 и ИНГ-031, возникающие благодаря взаимодействию нейтронов источника с конструкционными материалами генераторов в различное время после импульса нейтронов источника при их стационарном и импульсном режимах работы. Анализ расчетных результатов при стационарном режиме работы генератора показал, что близкое к изотропному угловое распределение испускаемых мишенью о нейтронов, переходит при углах выше 135 для обоих генераторов и при углах менее о.
45 для генератора ИНГ-06 в сугубо анизотропное, максимальный вклад в полную плотность потока нейтронов дают быстрые нейтроны с энергиями выше 1 МэВ, при этом вклад нейтронов с энергиями, лежащими в диапазоне энергий, испускаемых мишенью генератора, составляет около 60−70%, появляются высокоэнергетичные фотоны неупругого рассеяния и радиационного захвата, отсутствующие на чистой мишени. Происходит «затягивание» импульса нейтронов, испускаемых мишенью, с 10 не до примерно 1000 мкс, а спустя 3 не, на расстоянии 1 м от мишени появляется сопутствующий фотонный импульс, максимум которого примерно совпадает с максимумом нейтронного импульса при углах 0 и 90, а под углом 180° почти на порядок выше нейтронного импульса.
7. Проведен анализ временных распределений полей излучений в установке контроля состава урановых образцов на основе графитового замедлителя нейтронов, в результате чего определено время до (60−100) мкс после импульса нейтронов.
235 источника для контроля урановых образцов с обогащением до (40−50)% по U.
8. Определена матрица временных интервалов: (5−25) мкс- (40−55) мкс- (60−80) мкс- (100−130) мкс- (145−1550 мкс и (195−250) мкс после импульса нейтронов источника, позволяющая уменьшить эффект самоэкранировки при определении концентраций 235U и 239Ри в ТВС в измерениях по времени замедления быстрых нейтронов в свинце.
9. Разработан метод снижения загрузки сцинтилляционных трактов в установках с импульсными нейтронными источниками с помощью использования составных детекторов, дающий выигрыш в загрузке сцинтилляционных трактов от 2 до 11 раз.
10. Выполнен анализ расчетных и экспериментальных нестационарных полей нейтронов и фотонов в установке обнаружения делящихся и радиоактивных материалов, в результате чего на основе графитового замедлителя и импульсного DD нейтронного источника с выходом на уровне ~ 2−107 нейтр./с. с использованием цифровой технологии обработки сигналов сцинтилляторов был создан и экспериментально обоснован прототип установки обнаружения ДМ в аэропортах, в котором за ~7 с можно обнаружить от 1 до 10 грамм U или Ри даже в случаях их сознательного сокрытия с помощью поглощающих излучения экранов, например, свинцовых или кадмиевых.
