ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 3, с. 46-53
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.125:621.039.55
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ НЕЙТРОНОВ В ЦЕНТРЕ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ВОДО-ВОДЯНОГО
РЕАКТОРА ИВВ-2М
© 2007 г. В. Д. Севастьянов, А. А. Дьяков*, А. В. Мелешко*, П. В. Минин*, В. А. Сафонов*, А. А. Шейнов*, И. Ю. Дроздов**
ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений Россия, 141570, Московская обл., Солнечногорский р-н, п/о Менделеево *Институт реакторных материалов, Россия, Заречный Свердловской области **РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики', Россия, Саров Нижегородской области
Поступила в редакцию 19.09.2006 г.
Представлены результаты измерения спектра нейтронов в центре активной зоны исследовательского водо-водяного реактора ИВВ-2М. Рассматривается методика измерения энергетического спектра нейтронов в высокоинтенсивных полях (плотность потока >1012 см-2 • с-1) без применения делительных детекторов в экране из бора.
PACS: 29.30.Hs, 29.25.Dz, 28.50.Dr
В РФ создана система моделирующих опорных полей нейтронов на исследовательских реакторах [1-3]. Такие поля нейтронов нашли широкое применение при решении ряда важных практических задач, например, таких, как исследование радиационного воздействия нейтронного излучения на конструкционные элементы реакторных установок; верификация расчетных программ определения характеристик полей нейтронов на ядерно-физических установках; определение рабочих характеристик конкретных конструкций тепловыделяющих сборок ядерных реакторов АЭС; градуировка нейтронной аппаратуры систем управления и защиты ядерных реакторов; производство радионуклидов для науки, техники, медицины и т.д.
В данной статье приведены результаты исследования нейтронных характеристик (плотности потока, спектра и средней энергии) создаваемого моделирующего опорного нейтронного поля на водо-водяном исследовательском реакторе ИВВ-2М (15 МВт) Института реакторных материалов (ИРМ). Дополнительно на реакторе ИВВ-2М отрабатывалась методика измерения спектра нейтронов в интенсивных полях нейтронов (плотность потока >1012 нейтрон см-2 • с-1) без применения делительных детекторов, которые обладают высокой чувствительностью регистрации нейтронов, но весьма трудоемки в изготовлении.
Характеристики поля нейтронов в центре активной зоны (а.з.) реактора измеряли внутри центрального экспериментального канала (ц.э.к.), заполненного водой. Подробное описание устройства и работы реактора приведено в работе [4].
Цилиндрическая а.з. реактора ИВВ-2М имеет внешний диаметр 500 мм, высоту 500 мм. В качестве ядерного топлива в реакторе используется диоксид урана (и02), обогащенный по изотопу 235и (90 мас. %). Масса 235и в а.з. составляет 8 кг. Канал ц.э.к. сформирован в центре а.з. в ячейке 7-8 (см. картограмму, рисунок), также заполненной водой. Внутренний диаметр водной "ловушки" ~123 мм. Снаружи "ловушки" находится слой бериллия толщиной ~30.5 мм. Спектр нейтронов в центре а.з. реактора формировался преимущественно мгновенными нейтронами деления ядер 235и, упруго рассеянными на ядрах водорода и бериллия, содержащихся в воде и в ближайших к ц.э.к. ячейках а.з.
Рабочая ¡^ Бериллий Графит кассета
Картограмма активной зоны реактора ИВВ-2М.
Таблица 1. Ядерно-физические характеристики радионуклидов - продуктов активации ядерных реакций и согласование интегральных сечений реакций при расчете спектра нейтронов в центре а.з. реактора ИВВ-2М
Ядерная реакция Характеристики продукта активации Скорость ядерных реакций, ядро-1 • с-1 Интегральные сечения (эксперимент), мб Отличие от расчетного, %
Период полураспада, сут Энергия Y-излучения, МэВ Эмиссия, %
235U(n, f)140La** 1.677 1.596 95.33 1.17 • 10-12 393 +0.5
235U(n, f)95Zr** 64.032 0.7247 44.10 1.17 • 10-12 393 +0.5
176Lu(n, Y)177Lu 6.6475 0.2084 11.00 6.12 • 10-9 2.06 • 106 -0.6
197Au(n, Y)198Au 2.6956 0.4118 95.58 2.09 • 10-10 7.04 • 104 +0.5
197Au(n, y)198Au* 2.6956 0.4118 95.58 5.24 • 10-11 1.76 • 104 -0.1
63Cu(n, Y)64Cu 12.700 0.5110 34.30 7.36 • 10-12 2478 -0.6
58Ni(n, р)58Со* 70.78 0.8108 99.45 2.25 • 10-14 7.58 -0.7
27Al(n, a)24Na* 14.960 ч 1.3686 100.00 1.78 • 10-16 5.99 • 10-2 +0.3
93Nb(n, 2n)92mNb* 10.150 0.9345 99.30 1.26 • 10-16 4.23 • 10-2 +0.2
32S(n, p)32P* 14.262 1.711(бета) 100.00 1.37 • 10-14 4.61 -0.1
115In(n, n')116mIn* 4.486 ч 0.3362 45.90 4.10 • 10-14 13.8 -0.1
103Rh(n, n')103mRh* 56.114 мин 0.0201 - 1.75 • 10-13 58.9 +0.7
54Fe(n, p)54Mn* 312.12 0.8349 99.98 1.72 • 10-14 5.79 -0.3
64Ni(n, Y)65Ni 2.52 ч 1.4818 23.50 2.52 • 10-12 848 +1.6
64Ni(n, Y)65Ni** 2.52 ч 1.4818 23.50 9.85 • 10-15 3.32 -0.4
59Со(п, Y)59^ 5.271 год 1.173 99.90 6.19 • 10-11 2.08 • 104 -0.7
* Облучение детектора в цилиндрическом экране из Cd с толщиной стенки 1 мм. ** Облучение детектора в сферическом экране из В с толщиной стенки по 10В 1 г • см-2.
Спектр нейтронов в центе а.з. реактора ИВВ-2М измеряли в диапазоне энергии нейтронов 10-1018 МэВ нейтронно-активационным методом с применением как стандартных, так и специально разработанных активационных и делительных детекторов [5]. Для измерения спектра нейтронов в ц.э.к. был использован оптимальный набор [6] активационных детекторов 15-ти типов, имеющих чувствительность к нейтронам во всем диапазоне энергии восстанавливаемого спектра нейтронов по реакциям, указанным в колонке 1 табл. 1. Для измерения спектра нейтронов в ц.э.к. в диапазоне тепловых и эпитепловых нейтронов авторы использовали детекторы "нулевой" толщины из золота, лютеция, меди и кобальта [7]. Они применялись для исключения поглощения тепловых и эпитепловых нейтронов в материале самих активационных детекторов. Массовое содержание чувствительных элементов в указанных детекторах не превышало 1% от массы детектора. Матричным элементом в детекторах из золота, меди и лютеция был алюминий, а в детекторе из кобальта - никель. Отдельные детекторы с нуклидами 197Аи, 235и и 64№ облучали в экранах из Сё и 10В с целью формирования их диапазона чувстви-
тельности преимущественно в области эпитепловых и промежуточных нейтронов. Пороговые детекторы нейтронов в исследуемом поле нейтронов облучали в экранах из Cd для исключения их активации тепловыми нейтронами, поскольку активация может помешать корректному измерению активности радионуклидов - продуктов активации.
Скорость ядерных реакций в активационных детекторах, облучаемых нейтронами в ц.э.к. реактора, рассчитывалась по соотношению
Я'а = A't{Nfl[ 1 - exp(-Х%]exp(-X't'B)}-1, (1)
где A\ - активность i-го детектора на момент измерения; Nfl - число ядер нуклида-мишени в i-м детекторе; У - константа распада для продукта активации в i-м детекторе; t0 - эффективное время облучения i-го детектора нейтронами; t, -время выдержки детектора с момента завершения облучения его нейтронами до момента измерения наведенной активности.
48
СЕВАСТЬЯНОВ и др.
Таблица 2. Режимы облучения активационных детекторов при измерении спектра нейтронов реактора ИВВ-2М 20.06.2006 г.
№ Облучаемые детекторы (диаметр и высота Н в мм) Размещение относительно центра а.з. по высоте
1 136* (010, Н = 0.040)
^ 60* (030, Н = 0.040) Центр а.з.
№ 10/1/005*
2 №/10/В 2Ьи051 2Си051 50 мм выше центра а.з.
№/10/С Центр а.з.
А110/3/006
2Аи052
2Аи053* 50 мм ниже центра а.з.
2Си053
2Ьи052
Ni10/1/Н
3 №Ь10/1/32*
Ni10/1/001* 5Ni841* Центр а.з.
Б(612/297)*
4 8Ш/215**
8Ш/218** Центр а.з.
№10/1/7**
5 №10/1/11* Центр а.з.
6 №10/1/12* Центр а.з.
Время облучения, ч/мин/с
Мощность реактора, МВт
13/31/15-13/33/00
0.0571
13/37/10-13/52/10
0.0586
13/54/30-14/11/00
0.0601
14/33/00-14/40/00
0.952
19/42/00-19/43/22
3.053
20/36/00-20/37/16
6.356
* Облучение детектора в цилиндрическом экране из Cd с толщиной стенки 1 мм.
** Облучение детектора в сферическом экране из В с толщиной стенки по 10В 1 г • см-2.
Детектор с делящимся нуклидом 235и применялся для измерения спектра нейтронов в ц.э.к. по двум реакциям: 235и(и, /) 140Ьа и 235и(и, /) 952г. Регистрация нейтронов делительным детектором по первой реакции осуществлялась путем измерения у-излучения дочернего радионуклида 140Ьа (период полураспада 12.79 сут), достигшего радиоактивного равновесия с материнским радионуклидом 140Ва (период полураспада 1.677 сут). Скорость реакции деления ядер 235и в ц.э.к. при облучении детектора нейтронами рассчитывалась по формуле
=
Ад Хд - Хм
1
NяПм
ХдХм
(2)
- е
где Ад - активность дочернего радионуклида; N -число ядер 235и в детекторе; пм = 0.0635 - выход материнского продукта 140Ва при делении 235и нейтронами спектра водо-водяного реактора [8];
Хм = 6.2676 • 10-7 с-1 и Хд = 4.7824 • 10-6 с-1 - постоянные распада соответственно материнского 140Ва и дочернего 140Ьа радионуклидов - продуктов деления ядер 235и.
Регистрация нейтронов делительным детектором по второй реакции осуществлялась путем измерения активности продукта деления 952г. Скорость реакции деления ядер 235и в поле нейтронов в этом случае определяли из соотношения
яг = А,{Nп[ 1 - ехр(-Xtв)]ехр(-X)}-1, (3)
где А( - активность 952г на момент измерения делительного детектора; п = 0.0630 - выход 952г при делении 235и нейтронами спектра водо-водяного реактора (скорректирован на геометрию измерений); X - константа распада 952г.
Делительный детектор с 235и состоял из двух делящихся детекторов ДКн [5] (толщина деляще-
Хм'
е
Таблица 3. Обобщенные результаты восстановления спектров водо-водяных реакторов
№ п/п
Тип ядерного реактора [литература] Плотность потока нейтронов, см-2 • с-1 Средняя энергия нейтронов, МэВ Среднеквадратичное отклонение, % Число ядерных реакций
КВАНТ [11] 3.32 • 109 0.399 1.50 19
ИР-50 (вертикальный 4.02 • 1013 0.534 2.04 19
экспериментальный канал ВЭК-1) [12]
ИР-100 (ц.э.к.) [13] 7.89 • 1012 0.465 1.91 14
ИР-8 (ВЭК) [14] 3.36 • 1012 0.222 1.73 9
ИВВ-2М (ц.э.к.) 2.97 • 1012 0.167 0.64 15
ИВВ-2М (ц.э.к.) 2.98 • 1012 0.167 0.41 13
с делительным
детектором*, но без детектора 64№(«, у)*
Константы парциальных спектров (вклад в результирующий спектр, %)
делительные испарительный Максвелла Ферми
а/(4)
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.