На правах рукописи

УДК.621.039.51

ДУЛИН ВИТАЛИЙ ВИКТОРОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДКРИТИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ

РАЗМНОЖАЮЩИХ СРЕД

МЕТОДОМ НЕЙТРОН – НЕЙТРОННЫХ СОВПАДЕНИЙ

Специальность – 05.14.03 Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обнинск 2008

1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Представляемая работа явилась, следствием решения двух актуальных задач.

1. Существовала необходимость проверки наличия плутониевых изделий заявленной массы и обогащения, помещенных в закрытые контейнеры. Примером таких контейнеров являются контейнеры, используемые на заводе МАЯК.

Существует возможность подмены плутониевых изделий с заявленным изотопным составом и массой на источники спонтанных нейтронов той же интенсивности. Но размножающие свойства среды, в случае такой подмены, будут отличаться от заявленной, и, как следствие этого, будут различаться величины эффективного коэффициента размножения нейтронов. Поэтому для контроля наличия плутониевых изделий заявленной массы и обогащения в контейнерах было решено применить метод, позволяющий определять величину эффективного коэффициента размножения нейтронов среды.

2. В процессе производства, переработки и утилизации делящихся материалов часть их может осаждаться в приёмных ёмкостях, отстойниках и т. д. По этой причине существует необходимость проверки, наличия в приемной емкости цеха жидких радиоактивных отходов (ЖРО) ФЭИ делящихся изотопов, и определения, коэффициента размножение нейтронов в ней. Изотопный состав исследуемой среды и пространственное распределение источников деления были не известны.

Необходимо отметить, что именно вторая задача была поставлена в первую очередь и поэтому все последующие действия автора были направлены на её решение.

Проверить, есть ли размножение нейтронов, традиционными методами определения подкритичности не представлялось возможным из – за конструкционных особенностей исследуемых размножающих сред и неизвестности состава содержимого бака хранения ЖРО.

Таким образом целью данной работы была разработка и обоснование экспериментального метода нейтрон – нейтронных совпадений (по существу это модифицированный метод Росси – ) для определения величины эффективного коэффициента размножения в глубокоподкритических размножающих средах как известного, так и не известного состава.

Научная новизна работы Предложен новый метод анализа экспериментов, проведенных методом Росси – (метод нейтрон – нейтронных совпадений), позволяющий определить величину эффективного коэффициента размножения нейтронов при известном источнике спонтанных делений:

– при получении основных соотношений, связывающих измеренные величины с умножением нейтронов, учитываются не только вынужденные деления ядер в среде, но и спонтанные деления источника;

– при вычислении пространственно–корреляционных факторов используются решения сопряженного неоднородного уравнения переноса, а не сопряженного однородного условно–критического уравнения;

– особенностью этого метода является независимость величины измеренного умножения нейтронов ни от времени жизни нейтронов, ни от приближения точечной модели кинетики, и слабая зависимость от знания величины эффективной доли запаздывающих нейтронов, что особенно важно для размножающих сред с неизвестным изотопным составом.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанный метод измерений и метод вычисления пространственно – корреляционных факторов позволяет определять величину эффективного коэффициента размножения нейтронов в глубокоподкритических размножающих средах.

Такого рода задачи по надежному измерению эффективного коэффициента размножения нейтронов представляют интерес не только для ФЭИ, но и для других институтов Росатома (РНЦ Курчатовский институт, ВНИИНМ, НИИАР и т. д.) и комбинатов (МАЯК, ГХК, СХК и т. д.), т. к. являются ключевым моментом в проблеме контроля безопасности в размножающих системах.

На защиту выносится:

1. Разработка метода измерений и анализа значений эффективных коэффициентов размножения нейтронов в различных глубокоподкритических размножающих средах.

2. Результаты определения эффективного коэффициента размножения нейтронов в глубокоподкритических размножающих средах известного состава и геометрии:

– в блоках из металлического плутония и диоксид плутония, – в блоках из металлического урана, – в подкритической сборке БФС – 73 из металлического урана, стали и натрия, – на критическом стенде (КС) МАТР в “сухих” регулярных решётках ТВЭЛов типа ВВЭР, – на КС МАТР при разных уровнях заливки воды.

3. Результаты определения эффективного коэффициента размножения нейтронов в приёмном баке цеха хранения и переработки жидких радиоактивных отходов ФЭИ неизвестного состава и геометрии.

Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в следующем:

в разработке модифицированного метода нейтрон – нейтронных совпадений (на базе метода Росси – альфа), для определения эффективного коэффициента размножения нейтронов в глубокоподкритических средах;

в создании и отладке экспериментальных устройств с детекторами быстрых нейтронов на основе органических сцинтилляторов с дискриминацией гамма– лучей по времени высвечивания и с детекторами (He – 3 счетчиками) в автокорреляционном режиме;

в проведении измерений по определению эффективного коэффициента размножения нейтронов в различных глубокоподкритических размножающих средах известного состава и геометрии и их анализе;

Предлагаемый метод измерений подкритичности апробирован в различных глубокоподкритических размножающих средах известного состава и геометрии. Проведены измерения эффективного коэффициента размножения нейтронов в приёмном баке цеха хранения и переработки жидких радиоактивных отходов ФЭИ неизвестного состава и геометрии.

Во всех вышеописанных экспериментах получены значения эффективных коэффициентов размножения нейтронов в диапазоне от 0,1 до 0,97.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, приложения и списка литературы и источников. Объем работы составляет 138 страниц текста, куда входит 56 рисунков, 30 таблиц, список использованных источников из наименований, приложение на 5 стр.

2. СТРУКТУРА И ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

В главе 1 представлены обзор методов, использующихся для измерения эффективного коэффициента размножения нейтронов в различных глубокоподкритических размножающих средах (метод стреляющего источника и метод периодического импульсного нейтронного источника – импульсного нейтронного генератора) и предложен модифицированный метод Росси – (метод нейтрон – нейтронных совпадений).

Модификация метода Росси – состоит в измерении интегралов по времени от коррелированной и не коррелированной частей распределения Росси –, а не самих измеренных величин постоянных спада нейтронной плотности.

Важной особенностью этого метода является независимость величины измеренного умножения нейтронов ни от знания времени жизни нейтронов, ни от приближения точечной модели кинетики и слабо зависит от знания величины эффективной доли запаздывающих нейтронов (результатом метода является множающих сред с неизвестным изотопным составом.

В главе 2 рассмотрен вопрос влияния пространственных эффектов в неразмножающих и размножающих средах. Предложен новый способ вычисления пространственных эффектов в методе нейтрон – нейтронных совпадений.

Обычно при анализе экспериментов по Росси – для вычисления пространственных эффектов используется решение сопряженного однородного условно–критического уравнения k ( x). Известно, что по мере удаления от критического состояния все большую роль играет конкретное положение детекторов нейтронов, т. е. функция ценности k (x) не может характеризовать чувствительность детектора.

Рассмотрим процесс получения пространственно–корреляционного фактора Dп для подкритических систем с источником спонтанных делений.

Если QS ( x) – интенсивность спонтанных делений размножающей среды, S – среднее число спонтанных нейтронов в одном акте деления, то q ( x) = S QS ( x) – интенсивность источника спонтанных нейтронов самой среды.

Тогда стационарная плотность потока всех нейтронов ( x ) описывается неоднородным уравнением переноса:

а мгновенных нейтронов ( x ) :

Уравнение (1) имеет однозначное решение для подкритической системы с источником q (x), не зависящим от времени.

Ранее было показано, что сопряженное ему уравнение также имеет однозначное решение. Физический смысл его будет зависеть от вида источника в этом уравнении. Так, для сопряженного уравнения где ( r, E ) – макроскопическое сечение детектора нейтронов, расположенного в области W, решение ценностью нейтронов регистрируемых детектором по отношению к одному родившемуся в точке x нейтрону, т. е. является эффективностью детектора.

Именно функцию ( x ) была использована для вычисления пространственно – корреляционного фактора Dп в глубокоподкритических системах.

Необходимо отметить, что хотя функции ценности k ( x) и (x) различаются, но их различие уменьшается по мере приближения к критическому состоянию.

Если q (x) = S QS ( x ) – известная интенсивность источника нейтронов (от спонтанных делений), то скорость отсчетов детектора всех нейтронов от всех делений C есть:

Для детектора мгновенных нейтронов Cp есть:

где (p = (1 – ) – количество мгновенных нейтронов на одно деление). Здесь – усреднённая по спектру деления ( E ) ценность нейтрона родившегося в точке x, f – скорость делений ядер среды в той же точке, усреднённая по энергии спектра нейтронов ( E, r ), а – символ интегрирования по всем пространственным переменным.

Временное Росси – распределение R(t) имеет вид:

где первое слагаемое – некоррелированная часть распределения (постоянный фон), второе – коррелированная часть распределения, дающую величину временной зависимости коррелированных совпадений.

В предлагаемом модифицированном методе Росси – (метод площадей) при измерении интегралов по времени нет необходимости в приближении точечной модели кинетики (с установившейся экспоненциальной зависимостью коррелированной частью распределения Pкор (t ) ). Действительно, в глубокоподкритической системе (например, при коэффициенте размножения нейтронов k примерно равном 0,5) плотность нейтронов в цепочке, описывающей поведение нейтронной популяции во времени, быстро спадает, и говорить о наблюдении одной постоянной спада плотности мгновенных нейтронов не имеет смысла.

Величина умножения мгновенных нейтронов в среде R kp от S QS ( x ) введенных в нее нейтронов, как известно (для идеального детектора), определяется из уравнения (1) и сопряженного однородного условно–критического уравнения выражением Аналогично величине R k p, можно рассчитать умножение мгновенных На самом деле k p не является эффективным коэффициентом размножения мгновенных нейтронов и отличается от k p. Однако всегда можно вычислить разницу k p k p, равно как и разницу Rkp R p. При приближении к критическому состоянию эти разницы стремятся к нулю. Но вдали от критики для эксперимента – Росси с использованием конкретного детектора определяется, как будет показано далее, именно величина R p (или k p ).

Измерив, распределение R (t) и найдя интеграл по времени от коррелированной части распределения J и среднее число отсчетов в канале временного анализатора в области постоянного фона N = Cpt (t – ширина канала временного анализатора), получим связь между ними и скоростями делений:

В левой части этого выражения – результат измеренных методом – Росси параметров N J t, в правой – расчет, содержащий, известную величину спонтанного источника Sp QS [15].

Обозначим пространственно–изотопный корреляционный фактор для среSp ды со спонтанным источником и реальным детектором как Diп :

Здесь Dп1 – пространственный корреляционный фактор:

где Di – изотопный корреляционный фактор (Дайвен – фактор) для мгновенных нейтронов от делений ядер спонтанного источника соответственно.

Заметим, что величина Diп – безразмерная и может рассчитываться при произвольных масштабах источников неоднородных уравнений (1) и (2) [15].

Кроме того, масштаб величины не существенен, т. е. в уравнении (2) вместо макроскопического сечения можно пользоваться микроскопическим и поэтому можно себе позволить не знать некоторые технические характеристики используемого детектора.

Используя определение Diп (см. (6)), перепишем (5):

Видно, что величины R p и k p выражаются через измеренные параметры – Росси распределения N и J, известную величину спонтанного источSp ника Sp QS и рассчитанную величину Diп. Будем их далее называть измеренными величинами R pэксп и k p эксп.

Если величина Qs неизвестна, то можно использовать дополнительный Cf с известной интенсивностью делений QCf, измерить с ним расисточник пределение R (t) и найти новые величины J и N.

Тогда, беря разницу, получим:

В главе 3 представлены описания использовавшихся в эксперименте измерительных установок.

Для решения первой задачи была создана установка с применением детекторов быстрых нейтронов на основе водородосодержащих сцинтилляторов (монокристаллов стильбена).

Вторая задача решалась также путём измерения временного распределения Росси –. Детектором служил один высокоэффективный Не – 3 счетчик всех нейтронов (СНМ – 18) в автокорреляционном режиме.

В главе 4 приведены описания проведенных экспериментов.

Представляло интерес проверить предложенный метод вычисления пространственно – корреляционных факторов для протяженных источников спонтанных делений в предельном случае неразмножающей среды.

Была проведена серия измерений в полиэтиленовом блоке с двумя сравнимыми по интенсивности разнесенными в пространстве точечными источниками. Для измерения временного Росси – распределения использовалась установка 3He счетчиком нейтронов в автокорреляционном режиме. Оказалось, что функция ( x ) пригодна для описания таких экспериментов.

Были проведены эксперименты по определению умножения нейтронов в разных размножающих средах известного изотопного состава, проведенных для проверки метода и способа вычисления пространственных – корреляционных факторов. Измерения проводились с размножающими средами, содержащими металлический плутоний, металлический уран и двуокись урана разного обогащения. Для регистрации быстрых нейтронов применялась установка, использующая сцинтилляционные детекторы.

Результаты экспериментов с плутонием, и соответствующих им расчетов, в качестве примера, приведены в таблице.

В оценке описываемого здесь метода, прежде всего, требовалось полуSp+Cf чить численные значения величин k p, k p, Diп и Diп. Это было сделано в [25] с использованием программы TWODANT, предназначенной для решения многогруппового уравнения переноса нейтронов и фотонов методом дискретных ординат в основных двумерных и одномерных геометриях.

В первом столбце таблицы 1 приведены массы и тип исследуемых образцов. Во втором столбце абсолютные интенсивности делений спонтанных источников QSp (их погрешность принята равной от двух до двух с половиной процентов). В третьем столбце – величина непосредственно измеренных Росси – параметров. В четвертом – расчётные значения пространственно– изотопных факторов Diп (6). В пятом – экспериментально определяемая величина коэффициента k pэксп согласно (7) и ее статистическая погрешность. В шестом – соответствующая ей расчетная величина k p. В седьмом – расхождение между ними.

Таблица 1 Результаты экспериментов с плутонием, и соответствующих им расчетов.

Образец 239Pu(89%) m= 264 гр. 1,50±0,04 1,40±0,019 1,606 0,166 ± 0,015 0,187 0, 39Pu(89%) m=528 гр.

39Pu(89%) m=1056 гр. 6,01±0,15 4,25±0,05 1,387 0,326±0,015 0,316 – 0, 39Pu(95%) m=1056 гр. 2,33±0,05 1,63±0,01 1,378 0,331±0,007 0,322 – 0, 239Pu(89%) m=3170 гр. 18,03±0,44 10,80±0,17 1,276 0,416±0,013 0,406 – 0, 239Pu(95%) m=3170 гр. 6,98±0,14 3,89±0,06 1,262 0,450±0,008 0,412 – 0, Так же были проведены измерения в пакетах, образованных большим количеством топливных стержней из диоксида урана (содержание U 4,9 процента) в циркониевой оболочке, использующиеся на КС МАТР (Критический Стенд Малогабаритный Атомный Транспортабельный Реактор) [27]. Геометрия пакетов максимально приближалась к цилиндрической. Измерения проводились с сухой решёткой (без замедлителя) стенда КС МАТР. В центральный канал на центральную плоскость помещался источник Cf известной интенсивности. При измерениях применялась та же измерительная установка. Измерения проводились с различными наборами ТВЭЛов (330, 582, 1032, 1770 штук).

Были так же проведены измерения с блоками металлического урана (топливные таблетки критического стенда БФС (Быстрый Физический Стенд) металлического урана обогащением 36 и 90 процентов по изотопу 235U массой 5, кг) в геометрии, аналогичной геометрии с блоками плутония.

В этих экспериментах, диапазон экспериментально определенной величины эффективного коэффициента размножения нейтронов k pэксп оказался от 0,17 до 0,44. Производились соответствующие эксперименту расчеты по программе TWODANT. Эта программа предназначена для решения многогруппового уравнения переноса нейтронов и фотонов методом дискретных ординат в основных двумерных и одномерных геометриях. Расхождение между экспериментами и расчетами k p – k pэксп не превышает погрешности экспериментов, равной здесь от 0,01 до 0,02.

Измерения умножения методом калифорниевой камеры и методом Росси – были проведены на однозонной сборке БФС – 73, состоявшей из металлического урана восемнадцати процентного обогащения, стали и натрия в пропорциях, близких составу реактора на быстрых нейтронах. Росси – измерения проводились с использованием 3Не счетчиков.

Экспериментально определенный разными методами эффективный коэффициент размножения нейтронов k pэксп оказался: методом калифорниевой камеры 0,91 ± 0,02, методом Росси – 0,911 ± 0,008 и методом обращенного решения уравнения кинетики (ОРУК) [30, 31] в комбинации с методом обратного умножения, применяемый на стенде БФС 0,900 ± 0,015.

Предлагаемый метод был также использован для определения глубокоподкритических состояний критической сборки МАТР. Измерения проводились при разных уровнях заливки водяного замедлителя.

Измерения Росси – распределений, осуществлялись с использованием двух источников Cf известной интенсивности. Использовались те же два детектора медленных нейтронов, что и на сборке БФС – 73. Измерения производились при четырех уровнях замедлителя в активной зоне: 150, 250, 375, мм.

Диапазон экспериментально определенной величины эффективного коэффициента размножения нейтронов k pэксп оказался от 0,704 ± 0,004 до 0,972 ± 0,001.

Эти результаты сравнивались с ранее определенными экспериментальными данными величин эффективного коэффициента размножения нейтронов, полученными Лепендиным В. И. методом стреляющего источника, с использованием пространственных поправок для этого метода, рассчитанных Матвеевым В. В [32]. Эти результаты разумно согласуются с результатами проведенных Росси – измерений, использующих изложенный в этой работе метод вычисления пространственно – корреляционного фактора.

На рисунке 1 представлен результат сравнения величин рассчитанного и измеренного эффективного коэффициента размножения нейтронов для всех исследованных размножающих сред описанных в этой главе.

График 1 соответствует полному совпадению эксперимента и расчета.

Графики 2,4,6 и 8 (светлый фон маркеров) – данные для диоксид урана и воды (стенд МАТР), для диоксид урана, металлического урана и для металлического плутония соответственно, полученные с применением предлагаемого в данной работе нового метода получения пространственных корреляционных факторов.

Графики 3,5,7 и 9 (темный фон маркеров) – результаты с использованием традиционного подхода при анализе таких экспериментов.

Эффективный коэфициент размножения Рисунок 1 – Результат сравнения величин рассчитанного и измеренного эффективного коэффициента размножения нейтронов.

Видно, что традиционный подход не пригоден для анализа таких экспериментов. Результат данных экспериментов показывают, что в этом методе использование пространственных факторов, учитывающих источники спонтанных нейтронов и сопряженную функцию относительно скорости счета детектоявляется необходимым при величинах k меньших 0,95.

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что разработанный метод измерений эффективного коэффициента размножения нейтронов в различных глубокоподкритических размножающих средах и метод вычисления пространственно–корреляционных факторов позволяет определять величину эффективного коэффициента размножения нейтронов в диапазоне от 0 до 0,97.

В главе 5 представлен новый способ вычисления пространственных эффектов для сред неизвестного состава, основанный на использовании понятия “кажущегося” умножения и основной особенности пространственно – корреляционного фактора – зависимости его главным образом от величины умножения.

Приведенные выше в главе 4 анализ экспериментов основан на знании геометрии, массы и состава размножающей среды. Это позволяло сразу вычислить величину пространственно – изотопного корреляционного фактора.

Но при проведении измерений умножения в блоках с известными интенсивностью источника S QS и геометрией, но неизвестным составом и массой Для получения же умножения, регистрирующегося детектором R pэксп (7), необходима величина пространственно корреляционного фактора Dп2. Но в этом случае при неизвестных изотопным составе и массе, рассчитать величину пространственно–корреляционного фактора Dп2, соответствующего измеренной величине истинное, а “кажущееся” экспериментальное умножение R pэксп :

Величину Dп2 можно найти как функцию “кажущегося” умножения, используя следующий метод.

Проведём серию расчетов, получив для нескольких размеров размножающих сред, (близких по размерам к той, измерения умножения в которой предстоит определить, например, для серии сфер одинакового состава и разных диаметров) серию величин Е2.

Определим, как и ранее, соответствующие пространственно – изотопные корреляционные факторы для среды со спонтанным источником и реальным детектором Diп, тогда:

Здесь расчетная величина R p – истинное умножение мгновенных нейтронов, регистрируемых детектором (см. (4)):

Определим теперь расчетную величину “кажущегося” умножения R pрасч из (5.4), опустив в ней множитель Dп2 :

Отсюда следует, что “кажущееся” и истинное расчетные умножения связаны:

Построим график зависимости рассчитанных величин Dп2 от R pрасч для сред разных размеров. Для каждой из экспериментально определенных величин R pэксп из этого графика находим соответствующие величины Dп2 и, тем самым, периментальное умножение R pэксп и, соответственно, k pэксп.

Результаты проведенных экспериментов показали, что метод “кажущегося” умножения позволяет определять величину пространственного корреляционного фактора для плутониевых и урановых “компактных” блоков с точностью, сравнимой со случаем, когда состав и размеры их известны.

Конечно, следует помнить, что необходимо знать интенсивность источника спонтанных делений ядер среды. Если же этих сведений нет, т. е. о среде ничего, кроме геометрии, неизвестно, то для получения умножения нейтронов надо использовать источник 252Cf известной (или определяемой в ходе проведения эксперимента) интенсивности.

В главе 6 описано измерение умножения нейтронов в приёмном баке цеха хранения и переработки жидких радиоактивных отходов ФЭИ с неизвестным составом и конфигурацией.

Главная конструкционная особенность бака (диаметр 6, высота 8 метров) в том, что для проведения измерений доступно использование только центрального вертикального канала с внутренним диаметром 34 мм. Нейтронным детектором служил счетчик СНМ – 18 диаметром 32 мм. Счетчик мог опускаться до дна бака.

В результате двух серий измерений (в 1998 и 2000 годах) были измерены высотные распределения скорости счета детектора (см. рисунок 2) и коррелированных совпадений от фона бака Asp и с “точечным” 252Cf источником (на середине счётчика) ASp+Cf для различных положений Н детектора от дна бака.

Совпадения измерялись в автокорреляционном режиме. Результаты этих измерений приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Средние значения скоростей коррелированных совпадений для различных положений детектора и постоянные спада нейтронной плотности.

нии от дна H = 100 см, получилась равной QCf = ASp+Cf DCfi = 2740 ± 109, что соответствовало паспортному значению, т. е. в состав содержимого бака, на этой высоте, не могло входить какое – либо делящееся вещество и источники (, n) нейтронов.

Анализ экспериментальных результатов выполнялись в одномерной плоскопараллельной геометрии, поскольку высота слоя с заметной нейтронной активностью (примерно 0,5 метра) была много меньше диаметра бака.

Подбор состава и источника среды производился из условий описания данных всех этих экспериментов. Величины пространственно – корреляционSp+ Sp+ +Cf ных факторов DS (i ) и DS (i ) для всех i положений детектора (H = 0, 12,5, 25) должны быть таковы, чтобы коэффициенты размножения мгновенных нейтронов k pэксп не зависели от положения детектора. Была выполнена серия расчётов с возможными моделями поглотителей и делящегося вещества и результатами их использования (см., например, рисунки 3 и 4).

Рисунок 3 – Возможные распределения концентрации Рисунок 4 – Экспериментальное и расчетное распределения CCf (H) для случая наличия в среде 238U и 235U (см. шкалу по вертикали).

В таблице 3 приведены оцененные значения эффективного коэффициента размножения нейтронов k pэксп для всех рассмотренных вариантов состава среды. Исходя из полученных оценок k pэксп, можно сделать вывод о том, что значение умножения в среде практически не зависит от выбора изотопа, выступающего в роли типичного поглотителя и от положения детектора, т. е. пространственные эффекты учтены верно.

Таблица 3. Значения эффективного коэффициента размножения нейтронов k pэксп для всех рассмотренных вариантов.

k pэксп Этот на первый взгляд удивительный факт объясняется просто. Действительно, для проведенных оценок необходимо знать только пространственные распределения макроскопических сечений и источников нейтронов, а не точный изотопный состав содержимого бака.

При таких величинах умножения отличие от В главе 7 рассмотрен вопрос о возможности определения умножения нейтронов и масс измеряемых образцов делящихся материалов, когда внесение источника Cf в изучаемую среду невозможно, а спонтанный источник не известен. Считается, что для этого надо измерить двойные и тройные нейтрон– нейтронные совпадения и использовать соответствующие им пространственно – корреляционные факторы.

1. Результаты k, полученные на установке со сцинтилляционными детекторами и на двух идентичных установках использующих активный колодезный счетчик совпадений AWCC (Active Well Coincidence Counter) в режиме двойных совпадений, разумно согласуются между собой и близки к расчетным блоков металлического плутония на обеих установках AWCC близки, однако сильно (примерно в два раза) различаются от результатов двойных совпадений и расчетов, хотя этого не должно быть. Действительно, ведь для измерения с калифорнием после введения поправок этого различия нет.

3. Для выяснения причин этого, возможно, необходимо использовать тройные совпадения на стильбенах, как более простые в интерпретации. Достигнуть этого можно созданием такой установки с большим количеством детекторов.

В приложении описан эксперимент по влиянию вклада (, n) реакции в интенсивность нейтронного излучения в диоксид плутония. Его необходимость заключалась в том, что плутоний с разным изотопным составом из теплового реактора испускает нейтроны от спонтанных делений. В то же время существуют нейтроны от (, n) реакций на ядрах кислорода, образующиеся из – за – распадов всех изотопов плутония. Доля выхода – n – нейтронов в таком плутонии была получена экспериментально. Был произведен расчет по двум программам. Результаты расчета хорошо согласовалась с результатами эксперимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан новый метод анализа экспериментов Росси – (нейтрон– нейтронных совпадений), позволяющий определить величину эффективного коэффициента размножения нейтронов при известном источнике спонтанных делений.

Отличительной чертой этого метода является учёт спонтанных делений источника как при получении основных соотношений, связывающих измеренные величины с умножением нейтронов, так и при вычислении пространственно – корреляционных факторов, когда необходимо учитывать пространственные распределения не только вынужденных делений в среде, но и спонтанных делений источника.

При вычислении пространственно–корреляционных факторов необходимо использовать решения сопряженного (по отношению к скорости счета детектора) неоднородного уравнения переноса, а не решения сопряженного однородного условно – критического уравнения.

Важной особенностью такого подхода является независимость величины измеренного умножения нейтронов ни от времени жизни нейтронов, ни от приближения точечной модели кинетики и слабо зависит от знания величины эффективной доли запаздывающих нейтронов, что особенно важно для размножающих сред с неизвестным изотопным составом.

Создана установка, использующая высокоэффективные детекторы быстрых нейтронов и позволившая проверить предложенный метод путем определения величины эффективного коэффициента размножения нейтронов в диапазоне от 0,03 до 0,45 для различных размножающих сред известного состава и геометрии.

Метод так же апробирован для определения величины эффективного коэффициента размножения нейтронов в диапазоне от 0,75 до 0,97 в сборке стенда МАТР с топливом из диоксида урана и водяным замедлителем, и в быстрой сборке БФС – 73 из металлического урана, стали и натрия.

Этим методом был определен эффективный коэффициент размножения нейтронов размножающей среды неизвестного состава и геометрии в приёмном баке цеха хранения и переработки жидких радиоактивных отходов ФЭИ. Оказалось, что он не превышает 0,1.

Метод пригоден для контроля наличия и массы плутониевых изделий, помещенных в специальные контейнеры при заявленных изотопном составе и массе.

В заключении отметим, что такого рода задачи по контролю уровня подкритичности представляют интерес не только для ФЭИ, но и для других подобных предприятий, так как надежное измерение эффективного коэффициента размножения нейтронов в размножающих средах является ключевым моментом в проблеме контроля безопасности.

По теме диссертации выпущены следующие работы:

1. Грабежной В. А., Дулин В. В., Михайлов Г. М., Павлова О. Н. Определение глубокоподкритических состояний размножающих сред методом Росси – альфа // Атомная энергия 2006. Т. 101. Вып.2. С. 140 – 148.

2. Грабежной В. А., Дулин В. А., Дулин В. В., Михайлов Г. М. К вопросу определения умножения нейтронов в глубокоподкритических системах // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. Обнинск 2006. № 3. С.

34 – 43.

3. Дулин В. А., Дулин В. В. Измерения подкритических состояний размножающих сред // Атомная энергия. 1999. Т. 86. Вып. 2. С. 99 – 103.

4. Дулин В. В. К вопросу об определении абсолютной интенсивности источников методом совпадений // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. Обнинск 2002. № 4. С. 32 – 38.

Дулин В. В., Забродская С. А. О вкладе – n реакции в интенсивность нейтронного излучения диоксид плутония // Ядерная энергетика. Обнинск 2005.

№ 4. С. 18 – 25.

6. Дулин В. В., Матвеенко И. П., Кулабухов Ю. С., Ткачук Н. Н. “Об одной возможности контроля плутониевых изделий в контейнерах”. Препринт ФЭИ – 2827, 1999 г.

7. Дулин В. В. К вопросу определения умножения нейтронов в глубокоподкритических системах и массы делящегося вещества. Препринт 3070 – Обнинск: ФЭИ, 2006.

8. Дулин В. А., Дулин В. В. Определение подкритичности приемного бака цеха радиоактивных отходов. Отчет 9802 – Обнинск: ФЭИ, 1998.

9. Дулин В. А., Дулин В. В., Павлова О. Н. Определение умножения нейтронов в приемной емкости цеха радиоактивных отходов. Препринт 3069 – Обнинск: ФЭИ, 2006.

10. Бежунов Г. М., Дулин В. А., Дулин В. В., Матвеенко И. П. Перпективные методы контроля плутониевых изделий в контейнерах // Доклад на 3 – х сторонней встрече экспертоа России, США и МАГАТЭ. Обнинск, 10 – 13 марта 1998 г.

11. Дулин В. В., Грабежной В. А. Определение глубокоподкритических состояний размножающих сред методом Росси – альфа // Доклад на международном молодежном ядерном симпозиуме “DYSNAI – 2004”, Литва, Висагинас. 3 – 10 июля 2004. С. 24 – 32.

12. I. Matveenko, G. Mikhailov, V. Doulin et. all. “Development of the portable equipment complex for control of subcriticality of neutron multiplying systems” (“Разработка портативного комплекса оборудования для контроля подкритичности размножающих систем”), Report on American Nuclear Society's Topical Meeting on Reactor Physics PHYSOR–2006, Vancouver, Canada, 2006.

Работа выполнена в Государственном научном центре – Российской Федерации – Физико–энергетический институт имени А.И.Лейпунского (ГНЦ РФ–ФЭИ)

Научный руководитель: кандидат технических наук Г. М. Михайлов

Официальные оппоненты:

Кандидат физико – математических наук, начальник отдела Российского научного центра «Курчатовский институт», Алексеев Павел Николаевич;

Доктор технических наук, начальник отдела ГНЦ РФ ФЭИ, Морозов Славий Алексеевич.

Ведущая организация:

Обнинский Государственный Технический Университет Атомной Энергетики

Защита состоится (25.11.08) в (10-00) часов на заседании диссертационного совета Д 201.003.01 при ГНЦ РФ–ФЭИ в конференц–зале по адресу: 249033, г. Обнинск, Калужской обл., пл. Бондаренко, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ–ФЭИ.

Автореферат разослан (23.10.08)

Ученый секретарь диссертационного совета,