ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 4, с. 21-28
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.125:621.039.55
ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЙТРОННОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ КРИТИЧЕСКОЙ СБОРКИ ФС-1-4.37.Р
© 2007 г. В. Д. Севастьянов, С. А. Николаев*, И. Е. Сомов*, А. Г. Шестеркин*, В. А. Чернов*, В. С. Волков*, А. Ю. Касьян*, А. В. Мастеров*, В. И. Мосеев*
ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений Россия, 141570, Московская обл., Солнечногорский р-н, п/о Менделеево ГНЦ РФ Физико-энергетический институт Россия, 249033, Обнинск Калужской обл., пл. Бондаренко, 1 Поступила в редакцию 19.10.2006 г.
Измерены характеристики полей нейтронов и у-излучения (спектр, плотность потока, средняя энергия, сечения 23-х ядерных реакций, мощность дозы у-излучения) в активной зоне критсборки ФС-1-4.37.Р критического стенда ФС-1М. Приведены результаты сравнения характеристик полей нейтронов критической сборки ФС-1-4.37.Р и реакторов-аналогов.
PACS: 29.30.Hs, 29.25.Dz, 28.50.Dr
В работе [1] приведены характеристики поля нейтронов в центре активной зоны исследовательского физического критического стенда ФС-1М, созданного в 2004 г. в Государственном научном центре Российской Федерации Физико-энергетическом институте (ГНЦ РФ ФЭИ). Критический стенд ФС-1М предназначен для градуировки нейтронной радиометрической, спектрометрической и дозиметрической аппаратуры, а также для исследования радиационного воздействия нейтронного излучения на испытываемые объекты. В РФ для градуировки нейтронной аппаратуры длительное время использовался также уран-графитовый реактор Ф-1 [2, 3] с более "мягким" энергетическим спектром нейтронов. Для корректного сравнения радиационного воздействия нейтронного и у-излучения различных ядерных установок на поверяемые объекты их энергетические спектры нейтронов и поля у-излучения должны быть близки друг к другу. Спектр нейтронов на критическом стенде ФС-1М с критсборкой ФС-1-4.37.Р близок к спектру нейтронов реактора Ф-1. С целью увеличения интенсивности поля нейтронов в критсборке ФС-1-4.37.Р мощность ее была увеличена до 200 Вт (ранее была 100 Вт). Ниже дано краткое описание нейтронно-физиче-ских характеристик критсборки ФС-1-4.37.Р и их сравнение с аналогичными характеристиками двух других ядерных установок, используемых для этих же целей.
Критсборка ФС-1-4.37.Р является гетерогенным реактором (рис. 1). Она выполнена в форме цилиндра с внешним диаметром 850 мм и высотой 1204 мм. Критсборка содержит следующие основные узлы: активную зону, боковой отражатель из
бериллия, верхний и нижний отражатели нейтронов из нержавеющей стали и алюминия соответственно, регулирующие органы поворотного типа системы управления и защиты с исполнительными механизмами, вытеснители (вкладыши) из алюминия.
Критсборка ФС-1-4.37.Р собрана на нижней опорной плите размером 1780 х 1500 х 90 мм, выполненной из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т. В боковом бериллиевом отражателе равномерно по окружности диаметром 715 мм размещены 12 регулирующих органов системы управления и защиты. Внутри критсборки ФС-1-4.37.Р между боковым отражателем из бериллия и периферийным рядом тепловыделяющих сборок (т.в.с.) размещены вытеснители в виде пластин из алюминиевого сплава марки АД-1.
Активная зона критсборки ФС-1-4.37.Р составлена из 33-х т.в.с. и 52-х имитаторов т.в.с., размещенных на нижней плите по треугольной решетке с шагом 50.50 ± 0.05 мм. Картограмма активной зоны приведена на рис. 2. В качестве ядерного топлива в критсборке используется двуокись урана, обогащенного по изотопу 235и до 90 мас. %. Длина т.в.с. 1198 мм, внешний диаметр 50 мм, высота активной части 740 мм. Масса 235и в т.в.с. составляет ~6500 г. Имитаторы т.в.с. по форме аналогичны т.в.с., но заполнены на всю высоту либо ста-лью-3, либо полипропиленом, либо алюминием, либо карбидом бора, либо бериллием. Количество т.в.с. и их имитаторов в активной зоне критсборки зависит от геометрии, размеров и конструкции центральной полости (ц.п.), создаваемой в центральной области зоны.
Рис. 1. Внешний вид критсборки ФС-1-4.37.Р.
Рис. 2. Картограмма активной зоны с центральной полостью размером 200 х 320 х 500 мм. ТК - токовый канал; ИК -импульсный канал; ВРП - вычислитель реактивности и периода; ЛТК - линейный токовый канал; КЦ - компенсирующие цилиндры; АЦ - аварийные цилиндры; АР - автоматический регулятор.
Центральная полость в активной зоне критсбор-ки создается путем извлечения из центральной области зоны 49-ти имитаторов т.в.с. Центральная полость с размерами 200 х х 320 х 500 мм образуется с помощью пластин из полипропилена толщиной 30-50 мм, внутренние стороны которых покрыты слоем алюминия толщиной 1-2 мм. Внутри ц.п. на нижней решетке критсборки размещено устройство из алюминиевого сплава Д-16 для облучения испытываемых образцов. Геометрический центр этого устройства совпадает с центром активной зоны критсборки.
Боковой отражатель критсборки ФС-1-4.37.Р состоит из отдельных бериллиевых блоков, образующих полый цилиндр со сквозными вертикальными отверстиями (12 штук) под регулирующие органы системы управления и защиты.
Биологическая защита критического стенда ФС-1М состоит из биологической защиты непосредственно критсборки и стен бокса, в котором она размещена. Биологическая защита критсборки сформирована из имитаторов т.в.с., установленных в несколько рядов. Имитаторы, расположенные в 1-м, 2-м, 5-м, 6-м и 7-м рядах, на всю высоту заполнены цилиндрическими вставками диаметром 47 мм из борированного полиэтилена, а в имитаторах, установленных в 3-м, 4-м рядах, такие вставки выполнены из свинца. Масса биологической защиты сборки составляет 8 т.
Спектр нейтронов в центе активной зоны в ц.п. критсборки ФС-1-4.37.Р измерялся в диапазоне энергии нейтронов 10-10-18 МэВ нейтронно-акти-вационным методом с применением стандартных активационных и делительных детекторов [4]. Для измерения спектра нейтронов в ц.п. использовался оптимальный набор [5] активационных детекторов 23-х типов, имеющих чувствительность к нейтронам во всем диапазоне энергии измеряемого спектра нейтронов (см. табл. 1, колонку 1). Для измерения спектра нейтронов в ц.п. в диапазоне тепловых и эпитепловых нейтронов использовались детекторы "нулевой" толщины из золота, лютеция, меди [6]. "Нулевая" толщина активационных детекторов исключала поглощение тепловых и эпитепловых нейтронов в них. Массовое содержание чувствительных элементов в указанных детекторах не превышало 1% от массы детектора. Матричным элементом в этих детекторах был алюминий. Отдельные детекторы с нуклидами 197Аи, 63Си и 235и облучались в экранах из Cd и 10В с целью формирования диапазона их чувствительности преимущественно в области эпитепловых и промежуточных нейтронов. Пороговые детекторы нейтронов в исследуемом поле нейтронов облучались также в экранах из Cd и 10В для исключения их активации тепловыми нейтронами, а также нейтронами с энергией менее порога их регистрации, так как она могла поме-
шать корректному измерению активности радионуклидов - продуктов активации в них.
Исходными величинами при расчете спектра нейтронов в ц.п. критсборки являются скорости ядерных реакций в активационных детекторах.
Скорость 7-й ядерной реакции в активационном детекторе К, облучаемом нейтронами в критсбор-ке ФС-1-4.37.Р, рассчитывалась из соотношения:
К = Л\{ К [ 1-ехр ()] ехр ()}
-1
(1)
где Л\ - активность 7-го детектора на момент измерения; N - число ядер нуклида-мишени в 7-м детекторе; У7 - константа распада для продукта активации в 7-м детекторе; 70 - эффективное время
облучения 7-го детектора нейтронами; 7, - время выдержки детектора с момента завершения облучения его нейтронами до момента измерения наведенной активности.
Скорость реакций деления в 7-м трековом делительном детекторе при облучении его в исследуемом поле нейтронов рассчитывалась по формуле:
Ъ =
К-
е я 70
(2)
где К у - количество треков в регистраторе осколков деления ядер из слюды-мусковит 7-го делительного детектора за все время его облучения нейтронами; еу = 0.915 - чувствительность регистрации актов деления в делительном детекторе;
N - число ядер нуклида-мишени в 7-м делительном детекторе; 70 - эффективное время облучения 7-го делительного детектора нейтронами.
Наведенная активность в активационных детекторах измерялась с погрешностью 1-3% (Р = = 0.95) как на радиометрическом комплексе Государственного специального эталона единиц плотности потока и флюенса нейтронов [7], так и на эталонной радиометрической установке ГНЦ РФ ФЭИ с полупроводниковым германиевым блоком детектирования.
Большие габариты ц.п. активной зоны позволили облучить нейтронами одновременно все ак-тивационные детекторы при мощности критсборки ФС-1-4.37.Р 110 Вт в течение 7440 с.
Спектр нейтронов в исследуемом поле реактора рассчитывался по стандартной методике МИ 2804-2003, реализованной в программе КАСКАД-620(176) [8].
Поиск измеряемого спектра нейтронов при его восстановлении осуществлялся в аналитической форме в виде суперпозиции парциальных,
Таблица 1. Ядерно-физические характеристики радионуклидов - продуктов активации ядерных реакций в детекторах и согласование интегральных сечений реакций при расчете спектра нейтронов в центре активной зоны критсборки ФС-1-4.37.Р (критстенд ФС-1М)
Ядерная реакция Характеристики продукта активации Скорость ядерных реакций, ядро-1 • с-1 Интегральные сечения (эксперимент), Мб Отличие от расчетных, %
Период полураспада, сут Энергия у-излучения, МэВ Эмиссия, %
55Мп(п, у)5бМп 2.58 ч 0.847 100.0 1.68 • 10-14 4592 +0.5
63Си(п, у)б4Си 12.70 0.511 34.30 5.62 • 10-15 1536 +0.4
63Си(п, у)64Си 12.70 0.511 34.30 5.71 • 10-15 1560 +0.1
63Си(п, у)64Си* 12.70 0.511 34.30 2.97 • 10-16 81.2 +0.3
23^р(п, /)** Треки 6.21 • 10-16 169.8 -1.8
238и(п, /)** Треки 1.10 • 10-16 30.1 +0.9
235и(п, /)** Треки 2.55 • 10-15 697 -0.9
58Ni(n, р)58Со 70.78 0.811 99.45 3.90 • 10-17 10.7 -1.7
1151п(п, п')115т1п** 4.49 ч 0.336 45.90 7.00 • 10-17 19.1 +1.1
103Rh(n, n')103mRh** 56.11 мин 0.020 - 3.15 • 10-16 86.1 -0.2
32S(n, р)32Р 14.26 1.711(бета-) 100.0 2.40 • 1
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.