Результат интеллектуальной деятельности: РАДИОХИМИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР ПЛОТНОСТИ ПОТОКА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано при измерении интенсивных потоков нейтронов, в частности, в активных зонах ядерных и термоядерных реакторов и мишенях, генерирующих нейтроны.

Известен способ измерения нейтронных потоков, основанный на активационном анализе, когда нейтронные потоки определяются по наведенной гамма-активности образца (см., например, патент США US 3931523, G01T 3/00, 1976). Недостатками такого способа являются необходимость транспортировки облученных образцов к детектору ионизирующего излучения для измерения активности, наведенной в образце под действием нейтронов.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является радиохимический детектор, реализующий способ мониторирования потока быстрых нейтронов [Коптелов Э.А., Лебедев С.Г., Янц В.Э. РАДИОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ МОНИТОРИРОВАНИЯ ПОТОКА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ. Патент РФ 2286586 (19.04.2005), G01T 3/00], включающий ампулу с порошкообразным активным веществом, помещаемую в поток быстрых нейтронов, газовую систему, заполненную газом-носителем, и проточный счетчик, подключенный к системе регистрации и обработки информации. Газовая система включает резервуар с газом-носителем, клапаны и систему контроля газового расхода. Ампула с активным веществом подключена к газовой системе, причем вход ампулы подключен к резервуару с газом-носителем, а выход - к входу проточного счетчика. В качестве активного вещества используют микрокристаллический порошок обезвоженного оксалата (соль щавелевой кислоты Н₂С₂О₄⋅2Н₂O) щелочного металла с химическим составом Ме₂С₂O₄, или микрокристаллический порошок обезвоженного оксалата щелочноземельного металла с химическим составом МеС₂O₄, или их смеси, где Me - щелочной или щелочноземельный металл, в результате ядерных реакций нейтронов с ядрами которого образуется радиоактивный инертный газ. В качестве щелочного металла Me используют изотопы лития ⁶Li или ⁷Li или их смеси, изотоп натрия ²³Na, изотопы калия ³⁹К и ⁴¹К или их смеси, изотопы рубидия ⁸⁵Rb и ⁸⁷Rb или их смеси, или изотоп цезия ¹³³Cs, а в качестве щелочноземельного металла Me используют изотоп бериллия ⁹Вe, изотоп магния ²⁶Mg, изотопы кальция ⁴⁰Са, ⁴²Са, ⁴⁴Са, ⁴⁶Са и ⁴⁸Са или их смеси, изотоп стронция ⁸⁸Sr или изотоп бария ¹³⁸Ba. При этом в качестве радиоактивного инертного газа образуются соответствующие радиоактивные изотопы гелия, неона, аргона, криптона или ксенона.

Недостатками такого детектора являются локальный (точечный) характер измеряемого потока нейтронов и необходимость в механическом сканировании детектором, например, по длине канала ядерного реактора.

Заявляемый в качестве изобретения радиохимический детектор плотности потока быстрых нейтронов направлен на расширение возможностей и обеспечение повышения его эффективности за счет измерения плотности потока нейтронов и ее пространственного распределения.

Данный технический результат достигается тем, что в радиохимическом детекторе плотности потока быстрых нейтронов, включающем ампулу с порошкообразным активным веществом, помещаемую в поток быстрых нейтронов, газовую систему, заполненную газом-носителем, и проточный счетчик, подключенный к системе регистрации и обработки информации, газовая система включает резервуар с газом-носителем, клапаны и систему контроля газового расхода, ампула с активным веществом подключена к газовой системе, причем вход ампулы подключен к резервуару с газом-носителем, а выход - к входу проточного счетчика, в качестве активного вещества используют микрокристаллический порошок обезвоженного оксалата (соль щавелевой кислоты Н₂С₂О₄⋅2Н₂О) щелочного металла с химическим составом Ме₂С₂O₄, или микрокристаллический порошок обезвоженного оксалата щелочноземельного металла с химическим составом МеС₂O₄, или их смеси, где Me - щелочной или щелочноземельный металл, в результате ядерных реакций нейтронов с ядрами которого образуется радиоактивный инертный газ, в качестве щелочного металла Me используют изотопы лития ⁶Li или ⁷Li или их смеси, изотоп натрия ²³Na, изотопы калия ³⁹К и ⁴¹К или их смеси, изотопы рубидия ⁸⁵Rb и ⁸⁷Rb или их смеси, или изотоп цезия ¹³³Cs, а в качестве щелочноземельного металла Me используют изотоп бериллия ⁹Bе, изотоп магния ²⁶Mg, изотопы кальция ⁴⁰Са, ⁴²Са, ⁴⁴Са, ⁴⁶Са и ⁴⁸Са или их смеси, изотоп стронция ⁸⁸Sr или изотоп бария ¹³⁸Ва, при этом в качестве радиоактивного инертного газа образуются соответствующие радиоактивные изотопы гелия, неона, аргона, криптона или ксенона, в отличие от прототипа, ампула выполнена в виде колонки, заполненной порошкообразным активным веществом, разбитым на равные домены длиной Н, разделенные равными промежутками длиной h, в которых размещены пористые вставки одинаковой длины h из инертного материала, при этом длина Н домена выбирается из условия

,

где S - площадь сечения колонки (см²);

N - число атомов активного вещества в единице объема (см^-3);

σ - сечение ядерной реакции нейтронов с ядрами щелочного или щелочноземельного металла Me активного вещества (см²);

F_n - плотность потока нейтронов (1/см²с);

- длина колонки (см);

k - число доменов в колонке,

а длина h пористой вставки выбирается из условия

,

где L - расстояние от ампулы до проточного счетчика (см);

D - коэффициент диффузии радиоактивного газа в газе-носителе (см²/с);

G - расход газа-носителя в газовой системе (см³/с).

При этом в качестве проточного счетчика может быть использован газовый пропорциональный счетчик, в качестве газа-носителя - газ, являющийся рабочим газом пропорционального счетчика, а газовая система дополнительно включает клапан и резервуар с газом, являющимся гасящей добавкой для пропорционального счетчика. В качестве инертного материала протяженных пористых вставок используют порошок SiO₂. Клапаны газовой системы могут быть выполнены управляемыми с задержкой в цикле срабатывания клапанов для обеспечения постоянства состава и давления газовой смеси в проточном счетчике.

Сущность изобретения поясняется схемой и графиком на Фиг. 1 и Фиг. 2.

На Фиг. 1 приведена общая схема радиохимического детектора, где:

1 - ампула с активным веществом;

2 - домены с активным веществом;

3 - пористые вставки;

4 - вход ампулы;

5 - выход ампулы;

6 - резервуар с газом-носителем;

7 - редуктор;

8 - регулятор расхода;

9 - расходомер;

10 - клапан;

11 - клапан;

12 - геттер;

13 - резервуар с газом, являющимся гасящей добавкой для пропорционального счетчика;

14 - редуктор;

15 - клапан;

16 - расходомер;

17 - проточный счетчик;

18 - клапан;

19 - расходомер;

20 - система регистрации и обработки сигналов.

На Фиг. 2 приведен график зависимости скорости счета радиохимического детектора от времени, где:

ⁱΔТ_nр - время прохождения газовой фазы i-го домена через детектор;

t_з - время задержки.

В качестве примера реализации заявленного радиохимического детектора может служить детектор потока быстрых нейтронов с использованием в качестве активного вещества микрокристаллического порошка обезвоженного оксалата кальция СаС₂O₄, главной особенностью которого является то, что ³⁷Ar, образованный в реакции ⁴⁰Са(n,α)³⁷Ar, легко выходит из микрокристаллов оксалата в межкристаллическое пространство (при комнатной температуре).

В ампуле 1, выполненной в виде колонки и помещенной в нейтронный поток, находится порошкообразное активное вещество, например микрокристаллический порошок обезвоженного оксалата кальция СаC₂О₄. Активное вещество разбито на домены 2, разделенные равными промежутками, в которых размещены пористые вставки 3 из инертного материала. Вход 4 ампулы подключен к резервуару 6 с газом-носителем, а выход 5 - к входу проточного счетчика 17 с системой 20 регистрации и обработки сигналов. Газ-носитель из резервуара (баллона) 6 через редуктор 7, регулятор 8 расхода, расходомер 9 и клапан 10 проходит через ампулу 1, увлекая с собой инертный радиоактивный газ ³⁷Ar, образованный в реакции ⁴⁰Са(n,α)³⁷Ar, и далее через клапан 11 и геттер 12 проходит в проточный счетчик 17. После счетчика 17 газ проходит через клапан 18 и расходомер 19 и выходит из системы регистрации.

Проточным счетчиком 17 может служить газовый пропорциональный счетчик. Газ-носитель доставляет в счетчик радиоактивный газ ³⁷Ar, атомы которого распадаются в объеме счетчика с испусканием оже-электронов.

При выборе газа-носителя в радиохимическом детекторе плотности потока быстрых нейтронов с газовым проточным пропорциональным счетчиком распадов следует учитывать, что газ является рабочей средой пропорционального счетчика и не должен активироваться нейтронами. Этим требованиям удовлетворяет, например, водород, однако он пожароопасен. Гелий не активируется нейтронами, однако при его использовании в качестве рабочей среды пропорционального счетчика к гелию на входе в счетчик примешивают гасящую добавку (например, CH₄). В этом случае в газовую систему дополнительно включают резервуар (баллон) 13 с газом, являющимся гасящей добавкой для пропорционального счетчика, через редуктор 14, клапан 15 и расходомер 16.

Активность ³⁷Ar, накопленная за время экспозиции Т_э, в домене на данном участке колонки, пропорциональна локальной плотности потока быстрых нейтронов. Во время экспозиции колонка заполнена газом-носителем. Если после накопления активности подачей газа-носителя достаточно быстро (за транспортное время Т_тр<<Т_э) и равномерно прогнать газовую фазу колонки через проточный счетчик, то продольное координатное распределение активности изотопов аргона вдоль колонки преобразуется во временное распределение скорости счета счетчика. Для восстановления однозначного и точного соответствия между координатным и временным распределением по длине колонки размещены пористые вставки из инертного материала (например, порошок SiO₂) одинаковой длины. По завершении экспозиции газ-носитель, заполняющий эти вставки, будет сильно обеднен активным аргоном и при прохождении его через проточный счетчик будет наблюдаться резкий спад скорости счета (см. Фиг. 2). Такие ритмичные провалы счета являются координатными метками.

Клапаны 10, 11, 15 и 18 обеспечивают правильный цикл расхода газа-носителя в ампуле и гасящей добавки (если используется) в проточном детекторе. Одним из условий правильности цикла является поддержание постоянства состава и давления газовой смеси в проточном счетчике с целью обеспечения постоянства коэффициента газового усиления (порядка 10³). Поэтому клапаны 10, 11, 15 и 18 выполнены управляемыми с задержкой в цикле срабатывания для обеспечения постоянства состава и давления газовой смеси в счетчике, величина которой определяется эмпирически на полностью собранной системе.

Длина H домена выбирается из условия

,

где S - площадь сечения колонки (см²);

N - число атомов активного вещества в единице объема (1/см³);

σ - сечение ядерной реакции нейтронов с ядрами щелочного или щелочноземельного металла Me активного вещества (см²);

F_n - поток нейтронов (1/см²с);

- длина колонки (см);

k - число доменов в колонке.

Это условие определяется, с одной стороны, необходимой пространственной детализацией измерения плотности потока нейтронов вдоль длины колонки, где k соответствует числу измерений вдоль колонки, а с другой стороны - из равенства количества распадов фоновому счету (~1 нейтрон/с).

Длина h пористой вставки выбирается из условия

,

где L - расстояние от колонки до проточного детектора (см);

D - коэффициент диффузии радиоактивного газа в газе-носителе (см²/с);

G - расход газа-носителя в газовой системе (см³/с).

Это условие определяется необходимостью, чтобы время перемешивания газов в трубопроводе , когда невозможно уже будет различить пространственные метки, было больше времени перемещения газа из измерительной колонки в проточный счетчик .

Работа заявленного радиохимического детектора плотности потока быстрых нейтронов осуществляется следующим образом.

В качестве газа-носителя используется гелий, а в качестве проточного счетчика - газовый пропорциональный счетчик с гасящей добавкой СН₄ или СО₂ в количестве 5% от объемного расхода гелия. После экспозиции газовое содержимое колонки током гелия прогоняется через проточный счетчик с объемом V_Count (см³) в течение времени прогонки T_пр (с) и производится запись сигналов от счетчика системой 20 регистрации и обработки сигналов. На выходе счетчика измеряется расход гелия (за вычетом гасящей добавки) L_Hе (см³/с) (запись расхода синхронизирована с записью сигналов от счетчика), причем сопротивление на выходе мало и давление в счетчике равно атмосферному давлению.

Набивка колонки оксалатом разбита на домены, разделенные промежутками с инертным наполнителем. При прохождении через счетчик содержимого этих промежутков в скорости счета наблюдаются провалы. Моменты провалов являются i-ми метками координатных границ доменов. При обработке записанной информации предварительно выделяют эти метки и устанавливают соответствие между метками и координатами доменов в колонке. Обрабатываются сигналы от счетчика и расходомера при прохождении через счетчик в течение времени ⁱΔТ_nр (с) газовой фазы i-го домена (см. Фиг. 2). Определение плотности потока ⁱF_n (1/см²с) в месте нахождения i-го домена производится исходя из следующих соображений. Измеряется скорость счета, соответствующая скорости распадов ³⁷Ar-ⁱI_Ar37 (1/см³с) в рабочем объеме V_Count - счетчика. Тогда полная активность ⁱA_Ar37 (1/с), накопленная в i-м домене за время экспозиции Т_э (с): ⁱA_Ar37=ⁱI_Ar37ⁱL_HeⁱΔТ_nр, а плотности потока:

,

где - молекулярный вес оксалата;

m_i - масса оксалата в i-м домене (г);

N_A - число Авогадро;

λ_Ar37 - постоянная распада инертного радиоактивного газа (1/с).

Отметим важную особенность предложенного радиохимического детектора - радиационная безопасность: отсутствует всякое механическое перемещение активированных конструкционных элементов детектора при использовании его, например, на крышке реактора во время его работы на полной мощности (что было бы неизбежным при механическом сканировании по длине канала). Движется только газовая фаза. За пределы биологической защиты выходит только неактивируемый газ-носитель плюс радиоактивный инертный газ, который может быть уловлен на выходе из детектора на охлажденном угле. Колонка может быть извлечена из канала ТВЭЛа во время перегрузки и переставлена в другой канал.

Экспериментальная проверка показала, что заявляемый в качестве изобретения радиохимический детектор плотности потока быстрых нейтронов обладает расширенными возможностями и повышенной эффективностью за счет возможности измерения плотности потока нейтронов и ее пространственного распределения.