ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 5-14
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО
- ЭКСПЕРИМЕНТА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАЛЫ БЫСТРЫХ РЕАКТОРОВ С ОТКРЫТОЙ АКТИВНОЙ ЗОНОЙ КАК ФОРМИРОВАТЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ НЕЙТРОНОВ
© 2004 г. В. Д. Севастьянов, С. В. Воронцов*, И. Ю. Дроздов*, А. С. Кошелев*, Г. Н. Маслов*, В. И. Лягушин**, В. А. Шуршаков***
ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений Россия, 141570, Московская обл., Солнечногорский р-н, п/о Менделеево Поступила в редакцию 29.03.2004 г.
Представлены результаты измерения характеристик полей нейтронов в экспериментальных залах ряда быстрых реакторов на различных расстояниях от центра открытых активных зон. Измеренные энергетические спектры оказались аналогичными спектрам полей нейтронов внутри активных зон ядерных реакторов, используемых для решения важных научно-технических задач.
Быстрые реакторы с открытой активной зоной нашли широкое применение в науке и технике [1, 2]. Активные зоны (а.з.) быстрых реакторов имеют диаметр 180-600 мм и устанавливаются на специальных стендах в экспериментальных залах с биологической защитой. Как правило, стены, пол и потолок таких залов выполнены из специального бетона, толщина стен и перекрытий достигает 2-3 м.
Быстрые реакторы имеют ряд уникальных, присущих только им технических характеристик:
- возможность работать как в импульсном (длительность импульса 10-1000 мкс), так и в статическом режиме;
- широкий диапазон энерговыделения в а.з. (от 10-6 до 500 МДж), что, в свою очередь, обеспечивает широкий диапазон воспроизведения единиц плотности потока и флюенса нейтронов;
- энергетический спектр нейтронов, вылетающих из а.з. реактора, может трансформироваться в зависимости от назначения реактора.
Облучение исследуемых объектов на быстрых реакторах проводится либо в центре а.з., в специальном экспериментальном канале (флюенс нейтронов максимален), либо вне а.з. - на различных расстояниях от центра зоны.
Спектр нейтронов в центре а.з. определяется преимущественно материалом самой зоны. Спектр нейтронов на различных расстояниях от зоны представляет собой суперпозицию спектров нейтронов утечки из зоны и спектра нейтронов, рассеянных в материале окружающих зону предме-
* РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики", Саров Нижегородской области.
** РКК "Энергия", Королев Московской области.
*** Институт медико-биологических проблем, Москва.
тов (стен, пола, потолка экспериментального зала и т.д.), причем соотношение вкладов от нейтронов утечки из а.з. и рассеянных нейтронов в таком спектре изменяется по мере удаления исследуемой точки от зоны вдоль продольной оси экспериментального зала.
Вклад нейтронов утечки из а.з. реактора в суперпозиционный спектр в исследуемой точке изменяется по закону 1/г2 (г - расстояние от зоны до исследуемой точки). Вклад нейтронов, рассеянных от окружающих а.з. предметов, в суперпозиционный спектр изменяется незначительно - по мере удаления исследуемой точки поля нейтронов от зоны.
В данной работе представлены результаты измерений характеристик полей нейтронов на различных расстояниях от центра а.з. быстрых реакторов БР-1, БАРС-1, ГИР-2, БИГР и проведено сравнение их со спектрами нейтронов в экспериментальных каналах ядерных реакторов Ф-1, ГИДРА и крит-сборки КВАНТ, которые используются для градуировки внутриреакторных детекторов [3].
Наибольший объем исследований был выполнен на реакторе БР-1. Конструкция и технические характеристики реактора БР-1 приведены в работах [1, 4]. Реактор расположен в экспериментальном зале, представляющем собой помещение казематного типа длиной 14, шириной 10.4 и высотой 8 м с толстыми (1.5-2.2 м) защитными стенами из бетона. В рабочем положении реактора его центр зоны располагался на высоте 2.2 м от пола, симметрично относительно боковых стен и на расстоянии 3.7 м от одной из торцовых стен экспериментального зала. Цилиндрическая а.з. реактора с внешним диаметром 268 и высотой 266 мм выполнена из ураномолибденового сплава (9 масс. % Мо). Обогащение урана по изотопу 235и составляет 90%. Общая масса делящегося вещества в зоне
6
СЕВАСТЬЯНОВ и др.
176.1 кг. Измерения спектров нейтронов проводили на расстояниях от центра а.з. реактора 0.20, 0.713, 1.013, 1.565, 2.215, 3.30, 5.50, 7.70 и 10.00 м при энерговыделении в зоне 1 МДж.
Характеристики полей нейтронов реактора БАРС-1 измерялись только вблизи а.з. реактора (на расстоянии 0.3 м от центра зоны) и на расстоянии 1.0 м от центра зоны. Конструкция и технические характеристики реактора БАРС-1 приведены в работе [2]. Реактор расположен в экспериментальном зале длиной 16.7, шириной 12 и высотой 7.5 м. Толщина стен и перекрытий из бетона в зале реактора составляет 2 м. При работе реактора БАРС-1 а.з. размещалась посредине продольной оси зала на расстоянии 5 и 7 м относительно продольных стен зала. Измерения характеристик полей нейтронов проводились в направлении через центр а.з. к продольной стене, расстояние до которой составляло 7 м. В рабочем положении реактора центр а.з. располагался на высоте 2.5 м от пола. Цилиндрическая а.з. реактора с внешним диаметром 190 и высотой 180.3 мм выполнена из ураномолибденового сплава (3 масс. % Мо). Обогащение урана по изотопу 235и составляет 85%. Масса ураномолибденового сплава 87.8 кг. Характеристики полей нейтронов реактора измерялись при энерговыделении в зоне 1 МДж.
Измерения характеристик полей нейтронов реактора ГИР-2 проводились в трех точках, расположенных на горизонтальной оси, проходящей через центр а.з. реактора. Первая точка находилась вблизи а.з. реактора, внутри цилиндрического отверстия в конверторе диаметром 300 мм. Вторая точка располагалась за конвертором на оси, проходящей через центр отверстия в конверторе и центр зоны. Третья точка находилась на той же оси за конвертором, на расстоянии от центра а.з. 0.5 м. Центр а.з. реактора располагался на высоте 1.7 м от пола экспериментального зала. Габариты зала 10 х 10 х 8 м. Сферическая а.з. реактора ГИР-2 [1] с внешним диаметром 300 мм выполнена из ураномолибденового сплава (9 масс. % Мо). Внутренняя часть зоны выполнена из сферических слоев урана, обогащенного по изотопу 235и до 90%. Наружный сферический слой зоны толщиной 16 мм выполнен из урана с обогащением по изотопу 235и 36%. Полная масса ураномолибденового сплава в а.з. составляет 178 кг. Конвертор, внутри которого размещена а.з. реактора, выполнен прессованием из смеси порошков полипропилена и окиси кадмия. Внешний диаметр сферического конвертора 500 мм, а толщина его стенки 60 мм. Содержание окиси кадмия в смеси 9 масс. %. Со стороны боковой поверхности конвертора имеется цилиндрическое отверстие диаметром 300 мм. Назначение конвертора - частичное конвертирование нейтронного излучения в у-излучение. Характеристики поля нейтронов в указанных точках реактора измерялись при энерговыделении в зоне 1 МДж.
Измерения спектров нейтронов в реакторе БИГР проводились в экспериментальном зале на расстояниях 0.80, 2.43 и 3.60 м от центра а.з. реактора, которая размещалась в геометрическом центре зала на высоте 1.7 м от пола. Геометрические размеры зала: длина 11.5, ширина 10 и высота 8 м. Стены зала выполнены из железобетона толщиной 2-3 м. Устройство и технические характеристики реактора БИГР приведены в работах [1, 5]. Реактор БИГР имеет открытую "керамическую" а.з. в форме полого цилиндра высотой 670 мм, с внешним и внутренним диаметрами 760 и 180 мм соответственно. А.з. выполнена из спрессованной смеси порошков двуокиси урана и графита. Отношение числа ядер углерода к числу ядер 235и в смеси составляет ~16. Обогащение урана по изотопу 235и равно 90 атом. %. Общая масса топлива 833 кг. Масса 235и 400 кг. Максимальная мощность реактора при его работе в статическом режиме 500 кВт. Спектры нейтронов в полях реактора БИГР измерялись при энерговыделении в а.з. реактора 1 МДж.
Измерения спектра нейтронов в критстенде КВАНТ проводились в вертикальном канале ИК-6 на уровне центра а.з. диаметром 1410 и высотой 500 мм. А.з. состоит из 175 тепловыделяющих сборок, помещенных в замедлитель из воды [6], по периметру зоны размещены 94 компенсирующих и поглощающих стержня. Канал ИК-6 размещен в а.з. критстенда, вблизи стального корпуса стенда. Внутренний диаметр канала 85 мм, толщина стенки 3 мм. Спектр нейтронов на критстенде измерялся при мощности 1 кВт.
Измерения характеристик поля нейтронов реактора Ф-1 проводились в центре а.з. в центральном горизонтальном канале (ц.г.к.). Сферическая а.з. уран-графитового реактора Ф-1 диаметром 6 м [7] окружена отражателем из графита толщиной 1 м. А.з. собрана из блоков графита, соединенных между собой металлическими цилиндрическими блоками из природного урана диаметром 35 и длиной 100 мм. Общая масса урана в реакторе 48 т, графита - 430 т. Спектр нейтронов в реакторе Ф-1 измерялся при мощности реактора 24 кВт.
Измерения спектра нейтронов в растворном реакторе ГИДРА проводились в центральном вертикальном канале на уровне центра а.з. [1, 3], состоящей из водного раствора уранил-сульфата объемом 40 л с концентрацией урана в растворе 79.2 г/л. Обогащение урана по изотопу 235и составляет 90%. Наружный диаметр канала 127 мм, толщина его стенки 13.5 мм. Центральный экспериментальный канал (ц.э.к.) выполнен двухслойным: внутренний - из дюраля Д16Т, наружный -из стали ОХ18Н10Т толщиной 2 мм. Нейтронные характеристики поля реактора измерялись в стационарном режиме при мощности реактора 4 кВт.
Измерения нейтронных характеристик в исследуемых полях ядерных реакторов проводились нейтронно-активационным методом с применением интегральных детекторов. В качестве последних использовали активационные и делительные детекторы [8], микродетекторы "нулевой" толщины [9], а также специальные детекторы с шаровыми замедлителями из полиэтилена [10]. Наведенная активность в детекторах измерялась на радиометрическом комплексе Государственного специального эталона единиц плотности потока и флюенса нейтронов и на эталонных радиометрических установках предприятий, где размещены ядерные реакторы [11].
Количества ядерных реакций активации и деления в детекторах в исследуе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.