Устройство непрерывного контроля обогащения и содержания оксида гадолиния в пресспорошке ядерного топлива при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении таблеток ядерного топлива для одновременного контроля обогащения U²³⁵ и содержания Gd₂O₃ в пресспорошках UO₂ с учетом их плотности и с возможностью передачи сигнала в систему управления работой устройства прессования для регулировки подачи пресспорошка или его остановки.

Под обогащением урана принято понимать либо атомную, либо массовую концентрацию изотопов U²³⁵ в образце, выраженную в процентах (Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 116). Под содержанием Gd₂O₃ принято понимать либо атомную, либо массовую концентрацию Gd₂O₃, выраженную в процентах. Непринципиальное различие между этими определениями для предлагаемого способа несущественно.

Известно устройство для контроля насыпной плотности и текучести сыпучих высокорадиоактивных материалов для производства твэлов ядерных реакторов, которое включает мерную воронку с шибером, размещенную в корпусе, весовую платформу, соединенную с компьютером, приемную емкость, размещенную под воронкой на весовой платформе (RU 2494371 С1, опубл. 27.09.2013). Установка предназначена для определения плотности порошка для изготовления таблеток ядерного топлива, но она не позволяет контролировать плотность пресспорошка непосредственно перед подачей на прессование.

Процесс производства топливных таблеток заключается в их прессовании на прессе из пресспорошка двуокиси урана. Данный пресспорошок под действием силы тяжести свободно сыпется из контейнера по вертикальной трубе в пресс. Из-за случайных ошибок состав пресспорошка может отличаться от заданных требований к технологическому процессу в виде отклонений по содержанию оксида гадолиния и U²³⁵ в составе общего урана, а также насыпной плотности. При свободном движении порошка по трубе периодически возникают ситуации, когда плотность двигающегося порошка по трубе может резко или постепенно уменьшиться. Это связано с разной текучестью пресспорошка, которая зависит от многих причин, таких как влажность пресспорошка, плотность пресспорошка в контейнере, однородность пресспорошка и др. Из-за различной текучести пресспорошка оператор вручную регулирует устройство дозирования его подачи в пресс-формы, следя за величиной усилия и величиной хода пуансонов пресса. Однако если усилие и величина хода пуансонов выходит за рамки выставленных уставок, то прессование останавливается и может быть продолжено только тогда, когда при запуске пресса в работу все параметры будут в норме.

Этот процесс уменьшения плотности пресспорошка может быть резким, тогда оператор быстро реагирует и останавливает пресс. Однако при постепенном уменьшении подачи пресспорошка (данный процесс является неконтролируемым, так как все это происходит внутри системы, которая является полностью закрытой), т.е. при постепенном забивании трубы выше пресса пресспорошком происходит уменьшение его плотности, что может сказаться на плотности «сырых» таблеток (так как процесс реагирования автоматики на усилие и ход пуансонов является инерционным). При этом количество таких таблеток может быть совсем небольшим, и они могут быть не выявлены при выборочном контроле их плотности и уйдут в годную продукцию, что является неприемлемым.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство непрерывного контроля плотности пресспорошка ядерного топлива при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток (RU 2572241, опубл. 10.01.2016). Данное устройство содержит бункер с пресспорошком, который соединен вертикальной засыпной трубой с устройством прессования таблеток. Вблизи устройства прессования с противоположных сторон трубы установлены источник гамма-излучения, например, типа Cs 137 активностью 4,0⋅10⁹ ГБк и блок детектирования, например, типа БОИ-4, который соединен с блоком регистрации, включающим преобразователь сигнала, например, типа РРП-3 и электронный графический регистратор, например, типа ЭЛМЕРО-ВИЭР-104К, последовательно соединенные линиями связи.

Устройство обеспечивает непрерывный контроль плотности пресспорошка ядерного топлива при его подаче на прессование топливных таблеток и, таким образом, контроль необходимой плотности, геометрии и сплошности получаемых таблеток ядерного топлива.

Однако данное устройство не позволяет одновременно осуществлять контроль содержания Gd₂O₃ в пресспорошке, а также содержание условной массовой доли U²³⁵, получать, формировать, обрабатывать и анализировать спектральную характеристику зарегистрированного гамма-излучения урана с примесью оксида гадолиния, источником которого является сам пресспорошок урана, без использования дополнительного источника ионизирующего излучения.

Данные недостатки отсутствуют в предлагаемом устройстве непрерывного контроля обогащения ²³⁵U и содержания Gd₂O₃ в пресспорошках ядерного топлива.

Существуют следующие методы контроля обогащения пресспорошка:

- масс-спектрометрический метод;

- радиационный метод;

- метод, основанный на относительных автоэмиссионных измерениях.

Масс-спектрометрический метод определения содержания в веществе атомов той или иной массы основан на разделении потоков ионизированных частиц, различающихся отношением массы к заряду (Цитович И.К. Курс аналитический химии. М.: Высшая школа, с. 330-331). Недостатком приведенного метода является его применение только в лабораторных условиях. Кроме того, метод чрезвычайно неоперативен, так как на отбор, передачу и анализ образцов требуется не менее суток, поэтому он неприменим для оперативного контроля свойств пресспорошков на технологической линии.

Радиационные методы контроля обогащения основаны на измерении фотонного спектра (рентгеновское и гамма-излучение). При этом используются спектрометры на основе как полупроводниковых, так и сцинтилляционных детекторов, и, кроме того, в силу ряда причин (сложность обслуживания, проблема долговечности и т.п.) полупроводниковые детекторы практически не применяются в производственных условиях (Фролов В.В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 116-127).

В реальных условиях неизменность подчеркнутых параметров чрезвычайно трудно обеспечить, поэтому точность обычно бывает хуже, а также отсутствует возможность одновременного определения содержаний Gd₂O₃ и U²³⁵ и плотности в составе пресспорошков.

Метод, основанный на относительных автоэмиссионных измерениях, заключается в том, что при калибровке известному обогащению эталонных образцов сопоставляется отношение площадей основного аналитического пика и пика гамма-излучения дочерних продуктов U²³⁸ области 766 или 1001 КэВ, а при измерении обогащения неизвестного образца определяется отношение площадей соответствующих пиков и подставляется в калибровочную зависимость. Этот способ не столь чувствителен к идентичности параметров исследуемого и эталонных образцов, однако он позволяет достаточно точно и оперативно (за несколько минут) определить обогащение в образцах, в которых радиационное равновесие, нарушенное в процессе производства топлива, уже установилось. Период установления равновесия по продуктам распада U²³⁸ составляет около полугода, что для контроля технологии неприемлемо.

Задачей изобретения является создание высокоэффективного устройства контроля обогащения U²³⁵, а также содержания Gd₂O₃ с учетом плотности пресспорошков при произвольной степени нарушения радиационного равновесия с возможностью управления технологическим процессом прессования.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении одновременного оперативного контроля обогащения U²³⁵, а также содержания Gd₂O₃ с учетом плотности пресспорошков в измеряемой пробе, возможности управления технологическим процессом прессования таблеток, снижении брака в производстве порошков ядерного топлива.

Технический результат достигается устройством одновременного и непрерывного контроля обогащения U²³⁵, содержания Gd₂O₃ в пресспорошках ядерного топлива при их засыпке в устройство прессования топливных таблеток, содержащим бункер, соединенный засыпной трубой с устройством прессования таблеток, детектор гамма-излучения, расположенный в непосредственной близости с боковой стенкой засыпной трубы, промышленный компьютер для регистрации, управления и обработки результатов. Промышленный компьютер содержит спектрометр, позволяющий получать, формировать, обрабатывать и анализировать спектральную характеристику зарегистрированного гамма-излучения урана с примесью оксида гадолиния, источником которого является сам пресспорошок урана.

В качестве источника гамма-излучения используются пресспорошки ядерного топлива. Регистрацию излучения, исходящего от измеряемой пробы порошка ядерного топлива, осуществляют с помощью сцинтилляционного детектора по собственному гамма-излучению. Система контроля содержит один канал измерения, состоящий из блока детектирования, расположенного с одной стороны засыпной трубы, соединяющей бункер с пресспорошком с устройством прессования таблеток. Коммутационные соединения выводятся на промышленный компьютер, содержащий спектрометр. Измерения происходят в диапазоне энергий гамма-излучения от 0 до 500 кэВ.

На фиг. 1 изображена схема предложенного устройства.

На фиг. 2 изображены области интереса в спектре характеристического излучения изотопов. Области интереса выделены вертикальными линиями зеленого цвета, область 1 используется для определения содержания U²³⁵ в пресспорошке, области 2 и 3 используются соответственно для определения содержания Gd₂O₃ и плотности ядерного топлива.

На фиг. 3 изображены функции распределения характеристического излучения ядерного топлива во времени. Фиг. 3А иллюстрирует скачок U²³⁵ во время технологического процесса прессования таблеток ядерного топлива. Фиг. 3Б иллюстрирует скачок плотности во время технологического процесса прессования таблеток.

Устройство для одновременного контроля содержания U²³⁵ и оксида гадолиния с учетом плотности пресспорошка ядерного топлива содержит бункер с пресспорошком 1, который соединен засыпной трубой 2 с устройством прессования 3. Измерительный узел, который включает сцинтилляционный блок детектирования 4 с кристаллом (например, NaI(Tl)) 5, расположенный специальным образом с боковой стороны засыпной трубы перед устройством прессования таблеток для заданной геометрии измерений, который соединен с блоком регистрации, управления и обработки результатов измерения 5, включающим компьютер со специально установленным спектрометром (например, SBS-77) и коммутационными кабелями 6. Блок регистрации выполнен с возможностью передачи сигнала в систему управления работой пресса.

Блок детектирования 4 предназначен для регистрации гамма-излучения, исходящего из вертикальной засыпной трубы с движущимся пресспорошком ядерного топлива. Спектрометр (например, SBS-77) предназначен для получения, формирования, обработки и анализа спектрометрической информации об исходящем от пробы собственном гамма-излучении урана общего с примесью оксида гадолиния, характеризующего обогащение U²³⁵ и содержание Gd₂O₃ в пресспорошке, и установлен в корпус компьютера с выводом данных на монитор блока управления и обработки результатов измерения 5.

Устройство работает следующим образом.

Пресспорошок поступает из бункера 1 в устройство прессования таблеток 3 по вертикальной засыпной трубе 2. Осуществляют измерение собственного гамма-излучения пресспорошка урана с энергиями 98,43 кэВ и 185,7 кэВ в засыпной трубе 2 автоэмиссионным методом измерения. Собственное гамма-излучение измеряемой среды регистрируется блоком детектирования 4 типа БДЭГ с кристаллом NaI(Tl). Далее сигнал от блока детектирования по линиям связи 6 подается на промышленный компьютер 5, внутри которого установлен спектрометр 7. С его помощью получают, формируют, обрабатывают и анализируют спектральную характеристику зарегистрированного гамма-излучения урана для одновременного контроля содержания Gd₂O₃ , содержания U²³⁵ и плотности в составе измеряемого пресспорошка.

Оксид гадолиния определяется как обратная зависимость от площади набранного пика полного поглощения характеристического излучения пресспорошка с энергией 98,43 кэВ. Содержание изотопа урана ²³⁵U определяется как прямая зависимость от площади набранного пика полного поглощения характеристического излучения пресспорошка с энергией 185,7 кэВ, плотность оценивается как интеграл от общего счета импульсов с высокой энергией.

Предложенное устройство предназначено для анализа обогащения U²³⁵ и содержания Gd₂O₃ в пресспорошках, участвующих в технологическом процессе прессования таблеток ядерного топлива. Метод измерения - автоэмиссионный (регистрация по собственному излучению).

Геометрические размеры вертикальной насыпной трубы соответствуют необходимым требованиям для излучения гамма-квантов с «бесконечной толщины» пресспорошка ядерного топлива, тем самым обеспечивается независимость ослабления в материале пробы от плотности измеряемого пресспорошка с заданной геометрией измерений.

При измерении используется автоэмиссионный метод измерения собственного γ-излучения порошков ядерного топлива в диапазоне энергетических линий от 0 до 500 КэВ, при этом область от 230 до 500кэВ считается областью высоких энергий для контроля насыпной плотности.

Принцип действия установки при измерении обогащения U²³⁵ , содержания Gd₂O₃ и плотности в пресспорошках ядерного топлива заключается в регистрации собственного потока γ-квантов измеряемой пробы порошков, прошедшего через ограниченный коллиматором (входного отверстия блока защиты) участок контролируемой вертикальной засыпной трубы 2 для заданной геометрии измерений.

В процессе контроля площади пиков полного поглощения γ-квантов U²³⁵, U²³⁸, а также гамма-квантов с относительно высокой энергией в диапазоне от 0 до 500 КэВ, зарегистрированных с помощью сцинтилляционного блока 4 детектирования, преобразуются в статистически распределенную последовательность электрических импульсов, поступающих на плату спектрометрического анализатора (см. фиг. 2), где происходит соответствующее усиление и амплитудная дискриминация, а далее запись в файл временной последовательности чисел.

При анализе файла данных с помощью программы его обработки определяется кривая распределения пиков полного поглощения с соответствующими энергиями для контроля Gd₂O₃ - 98,43 кэВ, U²³⁵ - 185,7 кэВ при неизменном значении плотности анализируемого пресспорошка. Далее производится оценка количества импульсов, попавших в пик полного поглощения характеристического излучения урана общего, и в соответствии с полученными значениями определяется содержание U²³⁵ и содержание Gd₂O₃ в пресспорошке в вертикальной засыпной трубе.

Все измеренные значения записываются в базу данных программы, а также выводятся на экран компьютера.

Установка позволяет с высокой эффективностью одновременно определять обогащение U²³⁵ и содержание Gd₂O₃ в топливе, формировать базу данных по проконтролированным пробам с возможностью управления установкой прессования и выдавать полученные данные на экран компьютера или на печатающее устройство в процессе производства.