CN109100000B - 一种uf6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于放射性物质检测技术领域，涉及一种UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置和方法。所述的核实测量装置包括3He中子管、聚乙烯慢化体、电子学系统、移位寄存器、电脑，所述的3He中子管测量得到的中子强度的信号经所述的电子学系统放大后，经所述的移位寄存器传输给所述的电脑，所述的电脑利用数据获取软件获取中子强度信号；所述的聚乙烯慢化体包裹在所述的3He中子管的外侧，用于慢化中子。利用本发明的UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置和方法，能够在现场快速、准确的进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量。
Description
技术领域
本发明属于放射性物质检测技术领域，涉及一种UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置和方法。
背景技术
UF6是一种重要的核材料，它既可用于核能的和平利用，也可用于制造核武器和核爆炸装置，因而成为国际核保障监督、核军备控制及国家核材料管制的主要监控对象。
核材料的核实测量技术是有效实施核保障监督、核材料管制的重要技术手段，目的是及时和准确地获知核材料的种类、数量、同位素组成/丰度等信息，从而实现对核材料的有效管控。UF6是核燃料循环中最为重要的核材料之一，是生产核燃料的关键材料。因此，研究UF6的核实测量技术对于加强核不扩散和核保障监督，有效实施国家核材料管制，确保核材料申报的完整性和正确性具有重要的现实意义和实际应用价值。
绝大多数UF6均贮存于标准的钢制容器中，据报道全球约有10万个UF6大罐，每年处于运输中的UF6大罐就有两万多个(每个罐装两吨低浓UF6)。对这些大罐中的UF6进行核实显得尤为重要。
公开资料显示，目前，国际原子能机构采用的针对钢制容器中UF6核材料的核实测量技术主要是以视察员对浓缩厂或元件制造厂的周期性视察为基础的。视察员在设施现场会随机抽取部分UF6罐进行测量以核实其中的UF6质量和丰度。典型的UF6测量技术是采用γ谱仪通过测定235U发射的185.7keV特征γ射线来确定235U丰度，UF6的质量则采用负荷称重的方法来确定。
在一定条件下这些核实技术是有效的，但也有不足之处。
首先，测定丰度时185.7keV能量γ射线穿透力弱，对于UF6贮存罐这种大体积对象来说，该方法只能测到最外层的对象信息(主要是最外层1-2mm材料，而实际UF6罐的直径达几十英寸)，所测到的UF6对象仅是整个罐中物料的一小部分(不足百分之一)，因此所测到的信息无法具有整体代表性(除非假设铀分布处处均匀、一致，没有隐藏替代)。尤其是对没有均质的UF6罐(如因工艺变化而导致的或由于违规的物料转移场景产生的)或者罐内有隐藏、欺骗行为来说，这种不足之处会带来问题(无法核实)。
另一不足之处是UF6罐的壁厚差异会带来测量误差，需要进行壁厚吸收校正。虽然利用称重方法可以确定罐质量，但无法确认罐内是否为UF6，也无法对材料的种类进行核实。抽取样品进行分析检测虽然可以确认所有被测对象的性质，但工作量大，成本高，耗时长，同时会产生放射性废液的处理问题。
因此，寻求建立能够在现场针对UF6大罐进行独立核实的新技术与设备具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置，以能够在现场快速、准确的进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置，所述的核实测量装置包括3He中子管、聚乙烯慢化体、电子学系统、移位寄存器、电脑，
所述的3He中子管测量得到的中子强度的信号经所述的电子学系统放大后，经所述的移位寄存器传输给所述的电脑，所述的电脑利用数据获取软件获取中子强度信号；
所述的聚乙烯慢化体包裹在所述的3He中子管的外侧，用于慢化中子。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置，其中所述的3He中子管为多根，彼此平行的分排排列。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置，其中所述的核实测量装置还包括设置在所述的聚乙烯慢化体外侧面的手柄，用于使所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的公文包形式的探测单元便于携带和转移。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置，其中所述的核实测量装置还包括支架，用于安放所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的探测单元。
本发明的第二个目的是提供一种如上所述的核实测量装置进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量方法，以能够在现场快速、准确的进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种如上所述的核实测量装置进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量方法，所述的核实测量方法是：
在空的UF6大罐内先后分别装入不同已知质量的UF6，分别用所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的探测单元在UF6大罐外的适宜位置测量UF6大罐内产生的总中子强度，经线性回归获得铀质量与总中子强度的关系曲线，即获得刻度方程；用同样的探测单元在其中铀质量未知的同样的UF6大罐外的同样的适宜位置测量总中子强度，代入刻度方程得到铀质量未知的UF6大罐中的总铀质量；
或者在空的UF6大罐内先后分别装入相同已知总质量铀、相同235U丰度但不同已知235U质量的UF6，分别用所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的探测单元在UF6大罐外的适宜位置测量UF6大罐内产生的总中子强度，经线性回归获得235U质量与总中子强度的关系曲线，即获得刻度方程；用同样的探测单元在其中235U质量未知、总铀质量和235U丰度相同的同样的UF6大罐外的同样的适宜位置测量总中子强度，代入刻度方程得到235U质量未知的UF6大罐中的235U质量；
或者在空的UF6大罐内先后分别装入相同已知总质量铀、相同235U质量但不同已知235U丰度的UF6，分别用所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的探测单元在UF6大罐外的适宜位置测量UF6大罐内产生的总中子强度，经线性回归获得235U丰度与总中子强度的关系曲线，即获得刻度方程；用同样的探测单元在其中235U丰度未知、总铀质量和235U质量相同的同样的UF6大罐外的同样的适宜位置测量总中子强度，代入刻度方程得到235U丰度未知的UF6大罐中的235U丰度。
本发明的原理如下：
UF6大罐中的UF6会产生中子，UF6大罐中这些中子的漏出率均在80％以上，这些中子具有很强的穿透性。对于某一质量的UF6，其发射的总中子强度可由如下式(1)计算得到：
T＝(c·f234+d·f238)m (1)
式(1)中：
T为总中子强度，单位为n/s；
m为总铀质量，单位为g；
f234为234U同位素的丰度值，即质量百分比值；
f238为238U同位素的丰度值，即质量百分比值；
c、d为系数。
对于低浓铀来说，f238几乎为常数；同时，在浓缩工艺中，234U随235U浓缩而浓缩，对于同一浓缩工艺采用相同的供料所生产的UF6产品中的234U/235U比值是相同的。因此，式(1)可进一步表达为如下的式(2)：
T＝(e+g·f235)m (2)
式(2)中：
T为总中子强度，单位为n/s；
m为总铀质量，单位为g；
f235为235U同位素的丰度值，即质量百分比值；
e、g为系数。
由式(2)可知，UF6中各铀同位素成分丰度相同的情况下，利用总中子强度可以得到总铀质量；反过来，如果已知总铀质量且234U/235U比值恒定，则可以利用总中子强度来得到铀丰度。且由式(2)可知，对于来自同一浓缩厂的UF6，如果所测UF6罐中235U丰度值均相同，则所测到的总中子强度与铀质量(235U质量)呈线性关系；如果所测UF6罐中铀质量均相同，则所测到的总中子强度与235U丰度、235U质量呈线性关系。在铀浓缩工艺中234U随235U浓缩而浓缩，对于同一浓缩工艺采用相同的供料所生产的UF6产品中的234U/235U比值是相同的。因此，对于同一浓缩厂的235U丰度相同的产品，可以利用测量到的总中子强度来间接得到罐中235U的质量和总铀质量；或者当同一型号UF6罐均为满装料的情况下(即总铀质量相同)，可利用事先得到的刻度曲线和总中子强度来得到235U的丰度和质量。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的核实测量装置进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量方法，其中所述的适宜位置位于UF6大罐中心线位置。
本发明的有益效果在于，利用本发明的UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置和方法，能够在现场快速、准确的进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量。
本发明的方法仅需要事先刻度，然后对待测对象进行测量，获取到总中子强度，经刻度方程计算就可以得到UF6大罐中的总铀质量或235U丰度和质量。该方法利用中子的强穿透性，获取到了整个大罐内的UF6信息，可防止大罐内部隐藏和欺骗行为，100％的对大罐中的UF6进行整体核实，这对于国家核材料管制，国际和保障领域内有效防止UF6材料的非法转移、丢失和使用具有重要意义和实际应用价值。
附图说明
图1为示例性的本发明的UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置中测量单元的组成结构图。
图2为示例性的本发明的UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置的测量原理图。
图3为本发明的UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置的中子强度信号获取原理图。
图4为具体实施方式中测定得到的235U丰度与总中子强度的关系曲线。
图5为具体实施方式中测定得到的235U质量与总中子强度的关系曲线。
具体实施方式
示例性的本发明的UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置包括探测单元5(又包括3He中子管1、聚乙烯慢化体2)、手柄3、电子学系统、移位寄存器、电脑、支架4。
3He中子管1为多根，彼此平行的分两排排列，其测量得到的中子强度的信号经电子学系统放大后，经移位寄存器(移位寄存器是一个支持中子计数应用的手持漂移寄存器/多重数据电路，既可以提供高压、低压、前放，又可以传输信号等。移位寄存器对信号进行计数，记录脉冲总数以及脉冲的时间相关性，从而可以提供符合计时功能，因此适用于中子总计数和符合计数)传输给电脑，电脑利用数据获取软件获取中子强度信号。
如图1所示，长方体形的聚乙烯慢化体2包裹在3He中子管1的外侧，用于慢化中子。每排3He中子管1数目为6根至10根不等(具体数目由探测效率和成本及UF6大罐6的大小确定)。每排相邻两根3He中子管1之间的距离x，两排3He中子管1之间的距离y以及聚乙烯慢化体2的长、宽、厚尺寸a、b、c均由模拟计算优化设计后确定。聚乙烯慢化体2外侧面设置手柄3，用于使聚乙烯慢化体2及其中包裹的3He中子管1形成的公文包形式的探测单元5(每个探测单元5重约几十公斤)便于携带和转移。
如图2所示，支架4用于安放探测单元5和UF6大罐6，使探测单元5在UF6大罐6外的适宜位置处测量UF6大罐6内产生的总中子强度。
上述示例性的本发明的UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置的中子强度信号获取原理如图3所示。
上述示例性的本发明的UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量装置示例性的进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量方法是：
在空的UF6大罐6内先后分别装入相同已知总质量铀、相同235U丰度但不同已知235U质量的UF6，分别用探测单元5在UF6大罐6外的适宜位置(位于UF6大罐6中心线位置)测量UF6大罐6内产生的总中子强度，经线性回归获得235U质量与总中子强度的关系曲线，即获得刻度方程；用同样的探测单元5在其中235U质量为标称值、总铀质量和235U丰度相同的同样的UF6大罐6外的同样的适宜位置测量总中子强度，代入刻度方程得到235U质量为标称值的UF6大罐6中的235U质量的测量值；
或者，
在空的UF6大罐6内先后分别装入相同已知总质量铀、相同235U质量但不同已知235U丰度的UF6，分别用探测单元5在UF6大罐6外的适宜位置(位于UF6大罐6中心线位置)测量UF6大罐6内产生的总中子强度，经线性回归获得235U丰度与总中子强度的关系曲线，即获得刻度方程；用同样的探测单元5在其中235U丰度为标称值、总铀质量和235U质量相同的同样的UF6大罐6外的同样的适宜位置测量总中子强度，代入刻度方程得到235U丰度为标称值的UF6大罐6中的235U丰度的测量值。
图4是利用上述示例性的本发明的方法测定得到的235U丰度与总中子强度的关系曲线，图5是利用上述示例性的本发明的方法测定得到的235U质量与总中子强度的关系曲线。图4和图5的结果表明，当UF6大罐中UF6装量相同时，总中子强度随235U丰度或235U质量增加而增加，它们之间成准线性关系。
表1是利用上述示例性的本发明的方法的测量结果。
表1示例性的本发明的方法的测量结果
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (5)
1.一种利用核实测量装置进行UF6大罐中铀质量和丰度的核实测量方法，其特征在于：
所述的核实测量装置包括3He中子管、聚乙烯慢化体、电子学系统、移位寄存器、电脑，
所述的3He中子管测量得到的中子强度的信号经所述的电子学系统放大后，经所述的移位寄存器传输给所述的电脑，所述的电脑利用数据获取软件获取中子强度信号；
所述的聚乙烯慢化体包裹在所述的3He中子管的外侧，用于慢化中子，
所述的核实测量方法是：
在空的UF6大罐内先后分别装入不同已知质量的UF6，分别用所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的探测单元在UF6大罐外的适宜位置测量UF6大罐内产生的总中子强度，经线性回归获得铀质量与总中子强度的关系曲线，即获得刻度方程；用同样的探测单元在其中铀质量未知的同样的UF6大罐外的同样的适宜位置测量总中子强度，代入刻度方程得到铀质量未知的UF6大罐中的总铀质量；
或者在空的UF6大罐内先后分别装入相同已知总质量铀、相同235U丰度但不同已知235U质量的UF6，分别用所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的探测单元在UF6大罐外的适宜位置测量UF6大罐内产生的总中子强度，经线性回归获得235U质量与总中子强度的关系曲线，即获得刻度方程；用同样的探测单元在其中235U质量未知、总铀质量和235U丰度相同的同样的UF6大罐外的同样的适宜位置测量总中子强度，代入刻度方程得到235U质量未知的UF6大罐中的235U质量；
或者在空的UF6大罐内先后分别装入相同已知总质量铀、相同235U质量但不同已知235U丰度的UF6，分别用所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的探测单元在UF6大罐外的适宜位置测量UF6大罐内产生的总中子强度，经线性回归获得235U丰度与总中子强度的关系曲线，即获得刻度方程；用同样的探测单元在其中235U丰度未知、总铀质量和235U质量相同的同样的UF6大罐外的同样的适宜位置测量总中子强度，代入刻度方程得到235U丰度未知的UF6大罐中的235U丰度。
2.根据权利要求1所述的核实测量方法，其特征在于：所述的3He中子管为多根，彼此平行的分排排列。
3.根据权利要求1所述的核实测量方法，其特征在于：所述的核实测量装置还包括设置在所述的聚乙烯慢化体外侧面的手柄，用于使所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的公文包形式的探测单元便于携带和转移。
4.根据权利要求1所述的核实测量方法，其特征在于：所述的核实测量装置还包括支架，用于安放所述的聚乙烯慢化体及其中包裹的所述的3He中子管形成的探测单元。
5.根据权利要求1所述的核实测量方法，其特征在于：所述的适宜位置位于UF6大罐中心线位置。
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| CN109100000A (zh) | 2018-12-28 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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