РБМК ВВР Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия Атомные батареи Физика ядерного реактора Курсовые по энергетике Термоядерный синтез Термоядерный реактор Атомные реакторы на быстрых нейтронах Развитие энергетики России

На установках по радиометрической сепарации радиоактивно загрязненного грунта могут быть использованы как полупроводниковые, так и сцинтилляционные детекторы. Выбор типа детектора зависит от следующих условий:

состава загрязняющих грунт радионуклидов и их удельной активности

диапазона изменения активности

скорости движения ленты транспортера, над которой устанавливается детектор

состава грунта

ширины и толщины насыпки грунта на ленте транспортера

Основными характеристиками детекторов являются эффективность и разрешающая способность. Безусловно, одним из определяющих факторов, влияющим на выбор детектора, является его стоимость.

Сцинтилляционные детекторы на базе неорганических монокристаллов являются классическими детекторами, используемыми при регистрации гамма и рентгеновского излучения. Основная область применения этих кристаллов – гамма-спектрометрия низких энергий до 3 МэВ и прикладные радиометрические измерения. В 70-х годах неорганические сцинтилляторы стали вытесняться из спектрометрии низких энергий полупроводниковыми детекторами. Однако неорганические сцинтилляторы остаются вне конкуренции при регистрации малых потоков частиц, не требующей высокого разрешения, в спектрометрических детекторах больших размеров и многоканальных спектрометрических установках с 4π-геометрией. Монокристаллы NaI(Tl) и CsI(Tl) и сейчас являются базовыми детекторами гамма и рентгеновского излучения, используемыми для решения прикладных задач на основе ядерно-физических методов анализа и контроля, не смотря на появление новых перспективных сцинтилляционных материалов. Их свойства достаточно хорошо изучены.

Сложности, связанные с быстрыми реакторами Удивляться тому, что внедрение столь привлекательного на первый взгляд ноу-хау в массовое производство так и не состоялось, не стоит.

В 2001 г. корпорацией Saint-Gobain (Франция) была запатентована новая группа сцинтилляционных кристаллов – галогениды лантана, легированные церием. При световыходе, сравнимом со световыходом NaI(Tl), данные кристаллы обладают гораздо более высоким энергетическим разрешением и коротким временем высвечивания, что привлекает к ним большой интерес. Однако трудности, связанные с характерным радиоактивным загрязнением месторождений лантаноидов и сильной анизотропией температурного коэффициента линейного расширения, приводят к сложным технологиям и высокой стоимости продукции.

Для бромида лантана среднее энергетическое разрешение для 662 кэВ изотопа 137Cs составляет ~3,2% и световыход превышает световыход NaI(Tl). На базе кристаллов LaBr3(Ce) производятся блоки детектирования, обладающие уникальными свойствами для класса сцинтилляционных детекторов. Высокая температурная стабильность устройств детектирования позволяет эффективно применять их при высоких температурах внешней среды.

Полупроводниковые детекторы в настоящее время занимают ведущее положение в гамма и рентгеновской спектрометрии. Это связано, прежде всего, с их высокой разрешающей способностью, обеспечивающей проведение прецизионных спектрометрических измерений. Существуют перспективы создания на их основе кристаллов с достаточно большим чувствительным объемом для увеличения их эффективности регистрации. Используются преимущественно детекторы на основе германия и кремния.

В настоящее время ППД на основе германия и кремния производятся двух видов: планарные и коаксиальные. Наибольшее распространение получили так называемые дрейф - литиевые детекторы, в которых акцепторные атомы примеси компенсируются ионами лития. Такие детекторы обозначаются как Si(Li) или Ge(Li). Планарные Si(Li) и Ge(Li) детекторы используются для регистрации рентгеновского и мягкого гамма-излучения, начиная с энергии 10 кэВ. Коаксиальные Ge(Li) детекторы применяются для регистрации гамма-излучения с энергией до 10 МэВ.

В начале восьмидесятых годов были разработаны новые методы очистки Ge, которые позволяют выращивать большие кристаллы сверхчистого германия HPGe с концентрацией электрически активных атомов примесей менее 2·10-10 1/атом. В зависимости от степени очистки, HPGe может обладать собственной проводимостью n- или p-типа. Основным преимуществом детекторов на основе HPGe является то, что они могут храниться при комнатной температуре, в отличие от Ge(Li) детекторов, которые должны храниться при температуре жидкого азота. Кроме того, детекторы на основе HPGe могут иметь большие размеры по сравнению с Ge(Li) детекторами. Это позволяет создавать детекторы гамма- излучения не только с высоким энергетическим разрешением, но и с хорошей эффективностью в области регистрации гамма-излучения. В настоящее время максимальный объем кристаллов HPGe(n) составляет порядка 200 см3, а кристаллов HPGe(p) - 350 см3. Для достижения высокой чувствительности применяют сборки детекторов из HPGe(n).

Несмотря на то, что технология создания полупроводниковых детекторов на основе германия развиваются достаточно быстро, основными моментами, сдерживающими широкое использование этих детекторов, являются их чрезвычайно сложное производство, высокая стоимость, сравнительно низкая радиационная стойкость и необходимость охлаждения до криогенных температур.

Полупроводниковые детекторы на основе кристаллов CdTe (CdZnTe) в последнее время находят все более широкое применение при регистрации гамма-излучения. Совершенствование технологии производства позволяет получать на их основе блоки детектирования ионизирующего излучения с высокими спектрометрическими и эксплуатационными характеристиками. Они отличаются высокой эффективностью регистрации излучения, хорошим соотношением сигнал/шум и энергетическим разрешением при комнатной температуре. Линейность в широком диапазоне измеряемой мощности дозы и высокая радиационная стойкость этого материала позволяет использовать его при производстве дозиметрических блоков с большим радиационным ресурсом. Это определяет все более перспективное использование детекторов на основе CdTe и CdZnTe как в системах дозиметрического контроля на предприятиях по производству, использованию и переработке ядерного топлива, так и в спектрометрических системах, используемых для анализа радионуклидов. Блоки детектирования на основе CdZnTe, при комнатных температурах, обладают удовлетворительным энергетическим разрешением для решения некоторых практических задач, например для измерения однотипных хорошо детерминированных спектров (определение обогащения урана) или для анализа высокоактивных образцов (контроль тепловыделяющих сборок в бассейнах выдержки).

ВТОРАЯ ГЛАВА диссертации посвящена разработке радиометрической системы для измерения удельной активности грунта на входном и выходном конвейерах опытно – промышленной установки (ОПУ) дезактивации грунта с площадки временного хранения радиоактивных отходов (ВХРАО) РНЦ «Курчатовский институт».

Для решения этой задачи необходимо было выполнить следующие работы:

Определить состав радионуклидов, загрязняющих грунт на площадке ВХРАО

Провести измерения удельной активности грунта в различных местах на площадке ВХРАО

Определить распределение удельной активности в различных фракциях грунта в зависимости от класса крупности

Выбрать детектор для измерения удельной активности грунта на конвейерах ОПУ

Определить схему установки детектора на конвейере

Разработать схему и детали оборудования, необходимого для измерения удельной активности грунта на конвейере

Провести калибровку и настройку разработанной системы.

Эксплуатировать систему должен персонал, не имеющий специальной квалификации в области спектрометрии или радиометрии.

Для оценки радиационных характеристик грунта, таких как удельная активность, неравномерность распределения радионуклидов (активности, удельной активности) по объему грунта и по участкам территории ВХРАО, был выполнен большой объем спектрометрических измерений. Отбирались пробы массой от нескольких сот граммов до 1-2кг с различных участков территории площадки ВХРАО, с различных глубин, из котлованов, образовавшихся при ликвидации хранилищ радиоактивных отходов.

Анализ спектрального состава гамма – излучающих радионуклидов, загрязняющих грунт на площадке ВХРАО, показал, что основными загрязняющими радионуклидами являются 137 Cs и 60Со. Поскольку предельная удельная активность для грунта, который может быть возвращен на площадку ВХРАО после дезактивации, составляет 10кБк/кг, а коэффициент очистки для ОПУ равен примерно пяти, то допустимая активность входного грунта должна быть не больше 50кБк/кг. Поэтому необходимо контролировать удельную активность входного грунта.

Для оценки неравномерности загрязнения грунта, поступающего на ОПУ, а так же выходного контроля грунта на установке, было предложено использовать метод измерения удельной активности в контейнерах с помощью скважинного коллимированного детектора. В каждом контейнере в грунте было организовано по 5 технологических скважин с обсадными трубами. Измерения проводились послойно по глубине скважин сверху вниз с шагом 15см. По результатам измерений определялись удельные активности грунта в каждом слое, и вычислялось среднее значение для всего контейнера. Применение данной методики позволило сократить временные и финансовые затраты на оценку активности грунта, поскольку измерения производились непосредственно в контейнерах с грунтом и исключалась необходимость лабораторных исследований. На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что загрязнение грунта на площадке ВХРАО характеризуется выраженной неравномерностью, из-за чего удельная активность очищенного грунта превышала допустимые пределы. Поэтому было принято решение о разработке системы измерения удельной активности грунта на входном и выходном конвейерах.

После проведения сравнительного анализа различных детектирующих устройств гамма – излучения, а так же основываясь на результатах исследований спектрального состава загрязняющих грунт радионуклидов, в качестве детектора для системы измерения удельной активности грунта был выбран блок детектирования БДВГ-100 на основе кристалла NaI(Tl). Определяющим фактором в пользу данного выбора было то, что грунт на площадке ВХРАО загрязнен преимущественно радионуклидом 137Cs и вклад в суммарную удельную активность остальных радионуклидов незначительный. К примеру, вторым по значимости радионуклидом, загрязняющим грунт, является 60Со. Его средняя удельная активность в пробах составляет всего 0,5% от активности цезия.

Для отработки методики измерений была использована программа расчета радиационных полей от распределенных гамма источников методом Монте-Карло, с помощью которой проведены расчеты мощности эквивалентной дозы, создаваемой слоем грунта с различными параметрами, в точке установки детектора. Из результатов расчетов следует, что если детектор будет установлен на высоте 25см от поверхности измеряемого грунта с удельной активностью 10кБк/кг, а толщина слоя грунта составляет 2см, то в этом случае мощность дозы в точке установки детектора составит 0,1мкЗв/ч. Это значение попадает в диапазон измерения мощности эквивалентной дозы для БДВГ-100. При этом скорость счета составит 300имульсов в секунду. При увеличении толщины слоя грунта до 10см мощность дозы в точке установки детектора возрастет до 0,6мкЗв/ч, а скорость счета увеличится до 1800импульсов в секунду. Следовательно, с помощью блока детектирования БДВГ-100 можно определить пороговое значение 10кБк/кг для удельной активности грунта.

(а)

(б)

Рис.2. Зависимость скорости счета детектора от его положения (Hd) над контролируемым грунтом различной толщины Z (детектор: Ø63×63 мм с углом коллимации 60°(а) и 90°(б); удельная активность 137Cs в грунте равна 10 кБк/кг).

Для оценки зависимости скорости счета детектора от таких параметров, как высота установки блока детектирования над слоем грунта, толщины и ширины слоя, угла коллимации, были проведены расчеты, моделирующие работу сцинтилляционного детектора на основе сборки NaI(Tl) + ФЭУ при регистрации излучения от загрязненного грунта на конвейере. Рассчитаны калибровочные коэффициенты для различных условий проведения измерений.

Рис.3. Схема блока детектирования.

Испытания блока детектирования на работающем конвейере на выходе из узла классификации показали, что для корректного измерения удельной активности грунта на движущемся конвейере необходимо формирование однородного по геометрическим размерам слоя грунта.

Кроме этого было установлено, что использование для измерений одного детектора требует регулярной настройки системы, так как в результате работы установки меняется значение фонового гамма излучения. Поэтому предпочтительней использовать схему измерений на основе двух детекторов. Один из детекторов через отверстие в защите регистрирует поток гамма квантов от измеряемого грунта, другой, полностью закрытый защитой, регистрирует фоновое гамма излучение. По разнице полученных значений определяется удельная активность грунта. Применение такой схемы измерений позволит исключить влияние изменения фонового излучения на результаты измерений и, следовательно, повысить их точность.

Для регистрации сигнала, формируемого детектором, был разработан измерительный блок. Предусмотрено подключение до четырех блоков детектирования, а так же имеется возможность связи с персональным компьютером.

Рис.4. Блок детектирования и измерительные блоки системы.

Разработанные системы измерения удельной активности грунта были установлены на конвейере загрузки исходного грунта и на выходном конвейере из узла классификации. Каждая система состоит из блока детектирования, измерительного блока и блока сигнализации. Проведена калибровка блоков детектирования и настройка систем.

Предложена схема компьютеризированной системы для измерения удельной активности грунта на конвейерах ОПУ. Разработано программное обеспечение для новой системы. Применение предлагаемой схемы позволит проводить комплексный анализ всего процесса очистки грунта, например, контролировать значения удельной активности грунта на входе и выходе из установки, рассчитывать распределение по удельной активности грунта поступающего на вход в установку, по соотношению удельных активностей определять коэффициент очистки грунта, следовательно, контролировать эффективность работы установки.


На главную