CZ2009886A3 - Zpusob nedestruktivního a neinvazivního rozlišování pocátecního obohacení jaderného paliva - Google Patents

Abstract

Tento zpusob pro nedestruktivní a neinvazivní rozlišování pocátecního obohacení jaderného paliva pomocí merení poctu okamžitých neutronu ze štepení a približného merení velikosti vyhorení za použití polovodicových detektoru rychlých neutronu umožnuje porovnáním kombinace namerených hodnot s kalibracními hodnotami ze známých vzorku urcit velikost pocátecného obohacení jaderného paliva ve velkém rozsahu. Zarízení pro provádení tohoto zpusobu lze nakalibrovat tak, aby bylo schopno odlišit od sebe palivo nekolika ruzných pocátecních obohacení a též palivo od moderátoru.

Description

Způsob nedestruktivního a neinvazivního rozlišování počátečního obohacení jaderného paliva

Oblast techniky

Předložené řešení se týká rozlišování počátečního obohacení paliva jaderných reaktorů pomoci kombinace detekce počtu rychlých neutronů ze štěpení a přibližné znalosti vyhoření paliva. Palivo není pro účely měření upraveno ani měřením změněno.

Dosavadní stav techniky

Neinvazívní metody určení počátečního obohacení paliva vycházejí z měření fyzikálních vlastností štěpitelných materiálů. Průmyslově používané metody jsou aplikovatelné buď pouze při dobré znalosti historie ozáření paliva, tj. jakému neutronovému toku bylo v průběhu používání vystaveno a jaké je jeho vyhoření, nebo jen pro určité intervaly obohacení. Jedná se o metody založené na měření gama aktivity či měření změny reaktivity přidáním neznámého vzorku k známému palivovému souboru blízko kritického stavu. Nevýhodou těchto metod je poměrně dlouhá doba měření (měření gama aktivity) a finanční náročnost (měření reaktivity).

Existují i metody destruktivní a invazivni .a to zejména metody, kdy je palivo pro účely zjištění počátečního obohacení změněno, tzv. označeno. Nevýhodou těchto metod je, že je třeba fyzická úprava paliva různá pro jednotlivá obohacení.

Způsob, kdy palivo není pro účely měření upraveno ani měřením změněno, je znám jeden. a to rozlišování počátečního obohacení paliva jaderných reaktorů pomocí kombinace detekce počtu zpožděných neutronů a přibližné znalosti vyhoření paliva. Tento způsob je předmětem české přihlášky vynálezu PV 2009-576. Podstatou tohoto řešení je, že je schopné rozlišovat počáteční obohacení paliva, ať už čerstvého či ozářeného v jaderném reaktoru. Vynález kombinuje přibližné měření vyhoření jaderného paliva a měření zpožděných neutronů ze štěpení. Kombinace těchto dvou hodnot dovoluje určit počáteční obohacení paliva.

Dvojrozměrná kombinace přibližného vyhoření a počtu detekovaných zpožděných neutronů se pro známá obohacení nejprve nakalibruje a určí se diskriminační úrovně, které se použijí pro palivo neznámého obohacení. Nevýhodou této metody je časová náročnost dodatečného ozařování paliva neutrony a nutnost následného měření zpožděných neutronů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje způsob nedestruktivního a neinvazivního rozlišování počátečního obohacení jaderného paliva podle předkládaného řešení. Při tomto způsobu se vychází ze současného stavu techniky, kdy se nejprve pro různé druhy jaderného paliva při jejich známém počátečním obohacení změří některou ze známých metod závislost velikosti vyhoření jaderného paliva na obohacení při různých počtech a drahách průchodu paliva reaktorem. Současně se změří i závislost množství detekovaných neutronů daného jaderného paliva na obohacení při různých počtech a drahách průchodu paliva reaktorem. Takto získané závislosti se uspořádají ve formě dvojrozměrné kombinace, čímž se získají kalibrační průběhy závislosti velikosti vyhoření daného jaderného paliva na množství detekovaných neutronů ze štěpení. Parametrem této závislosti je pro jednotlivé druhy jaderného paliva velikost jejich počátečního obohacení. Poté se do reaktoru vloží jaderné palivo, jehož počáteční obohacení se zjišťuje. Palivo se ozařuje a měří se velikost jeho vyhoření a počet detekovaných neutronů. Dvourozměrnou kombinací počtu naměřených neutronů a změřeného přibližného vyhoření se získá bod, který se porovná s kalibračními průběhy závislostí paliv se známým počátečním obohacením. Výsledná počáteční hodnota obohacení sledovaného jaderného paliva je hodnota odpovídající počátečnímu obohacení nejblíže ležící kalibrační závislosti. V případě, že získaný výsledný bod leží mezi dvěma kalibračními závislostmi s různým počátečním obohacením, určí se výsledné počáteční obohacení sledovaného jaderného paliva poměrem těchto známých počátečních obohacení. Podstatou nového řešení je, že se detekují okamžité neutrony a velikost vyhoření jaderného paliva se měří před jeho ozářením pro vyvolání štěpení, přičemž počet okamžitých neutronů ze štěpení se měří v průběhu ozařování.

Ve výhodném provedení se počet okamžitých neutronů ze štěpení měří polovodičovým detektorem doplněným o vrstvu konverzního materiálu, který převádí rychlé neutrony ze štěpení na odražené protony. Nejvýhodnější je, když se tento polovodičový detektor okamžitých neutronů umístí na ose mezi zdroj neutronů vyvolávajících štěpení a měřené jaderné palivo.

Dvojrozměrná kombinace se realizuje ve formě grafu, tabulky či matematické funkce.

Podstatou vynálezu je tedy způsob rozlišování počátečního obohacení paliva, ať už čerstvého či ozářeného v jaderném reaktoru. Řešení kombinuje přibližné měření velikosti vyhoření jaderného paliva a měření počtu okamžitých neutronů ze štěpení. Kombinace těchto dvou hodnot dovoluje určit počáteční obohacení paliva bez znalosti historie jeho ozáření.

Dvojrozměrná kombinace přibližně změřeného vyhořeni paliva a počtu detekovaných okamžitých neutronů se pro známá obohacení nejprve kalibruje a určí se diskriminační úrovně, které se použiji pro palivo neznámého obohacení.

Způsob má schopnost odlišit od sebe paliva několika různých počátečních hodnot obohacení a také odlišit palivo od neštěpitelného materiálu, např. od moderátoru. Zařízení, které se pro realizaci způsobu použije, je schopné pracovat univerzálně nezávisle na obohacení a vyhoření paliva a dovoluje provést identifikaci počátečního obohacení v řádu vteřin.

Přehled obrázků na výkresech

Způsob nedestruktivního a neinvazivního rozlišování počátečního obohacení jaderného paliva podle předkládaného řešení bude dále popsán pomocí přiložených výkresů. Na Obr.1 je uvedena jedna z variant zařízení, kterými lze způsob realizovat. Obr.2 uvádí způsob detekce okamžitých neutronů. Obr.3 znázorňuje postup celého způsobu.

Přiklaď provedení vynálezu

Způsob nedestruktivního a neinvazivního rozlišování počátečního obohacení jaderného paliva lze provádět zařízením, které je schematicky uvedeno na obr.1. Toto zařízení sestává z jednotky 1_ měřeni vyhoření se vstupem jaderného paliva a z modulu 2 měřeni okamžitých neutronů ze štěpení, který je opatřen výstupem jaderného paliva. Způsob je založen na následujících krocích, které mohou být provedeny v libovolném vhodném pořadí a kterými zkoumané palivo prochází.

Prvním krokem je měření velikosti vyhoření. Jednotka 1 měření vyhoření může být umístěna v libovolném pořadí, tj. před i za krokem, kterým je měření okamžitých neutronů ze štěpení. Jednotka 1 měření vyhoření může integrovat libovolnou používanou metodu určení velikosti vyhoření paliva. Vhodnou je zejména gama spektrometrie a identifikace radionuklidů charakteristických pro dané vyhoření. Měřeni může probíhat pouze krátce, neboť je dostačující nevelká přesnost určení vyhoření, např. 15%. Gamma spektrometrická aparatura může být postavena na polovodičových, scintilačních detektorech nebo jiných vhodných detektorech nabízejících energetické rozlišení dostatečné pro identifikaci radionuklidů.

Druhým krokem je měření okamžitých neutronů. Modul 2 měření okamžitých neutronů provádějící toto měřeni obsahuje zdroj neutronů, gama nebo rentgenová záření o dostatečné energii k vyvolání štěpení v palivu. Zdroj neutronů/gama záření může být libovolného druhu, tedy, radioisotopový zdroj, například Cf, neutronový D-T, D-D generátor, urychlovač a podobně. Pakliže je použit zdroj neutronů, je tento doplněn neutronovým moderátorem k získání vyššího toku termálních neutronů. Podmínkou je, že zdroj vygeneruje takový tok neutronů/gama fotonů, aby vyvolal dostatečné množství štěpení ve zkoumaném palivu. Množství štěpení v palivu ovlivňuje přímou úměrou množství detekovaných okamžitých neutronů ze štěpení a proto také přesnost a spolehlivost určení počátečního obohacení paliva.

Neutronové detektory použité v modulu 2 měření okamžitých neutronů musí být citlivé na rychlé neutrony ze štěpení, avšak musí mít nízkou citlivost na záření použité k vyvolání štěpení, aby bylo dosaženo dostatečného poměru signálu k pozadí. Vhodným typem detektorů jsou polovodičové detektory doplněné o konvertor neutronů na nabité částice, například polyethylenem. Ten je umístěn na povrchu detektoru, přivráceném ke zkoumanému palivu. Rychlé neutrony vzniklé ze štěpení v palivu vyrážejí v konvertoru protony, které jsou následně detekovány v přiloženém polovidičovém detektoru, viz Obr.2. Detektor je umístěn co nejblíže palivu, pro dosažení maximálního počtu příchozích neutronů. V případě, že je k vyvolání štěpení použito zdroje neutronů, je detektor zároveň umístěn na ose mezi zdrojem neutronů a palivem. Případné rychlé neutrony ze zdroje potom odrážejí v konvertoru detektoru opačným směrem, tj. směrem od samotného polovodičového senzoru. V tomto uspořádání je pak detektor necitlivý vůči neutronům ze zdroje, avšak schopen detekovat neutrony ze štěpení. Detektor je rovněž necitlivý vůči termálním neutronům a rovněž je málo citlivý vůči vysokoenergetickým fotonům v případě, že je použit zdroj gamma nebo rentgenová záření. Jinými slovy lze říci, že jsou detekovány pouze okamžité neutrony přicházející se strany polyethylenového konvertoru PE. Okamžité neutrony, které přicházejí z opačné strany, tedy ze strany polovodičového senzoru, nejsou v křemíku Si detekovány.

Množství detekovaných okamžitých neutronů je závislé na vyhořeni paliva a jeho počátečním obohacení. Velikost vyhoření je přibližně známa z měření v jednotce l měření vyhoření. Kombinací přibližné znalosti velikosti vyhoření a množství emitovaných okamžitých neutronů se určí počáteční obohacení. Dalšími parametry potřebnými k určení počátečního obohacení je velikost neutronového/fotonového toku vyvolávajícího štěpení v modulu 2 měření okamžitých neutronů, doba ozařování, tedy doba měření okamžitých neutronů ze štěpení. Znalost toku v jednotce 1 měření vyhoření může být nahrazena kalibrací za použití vzorků paliva se známým obohacením.

Kalibrované dvojrozměrné kombinace hodnot pro rozlišení počátečního obohacení pak dovolují určit obohacení neznámého paliva bez znalosti historie ozařování , a to pro jakkoliv ozářené palivo dle přiložených grafů, Obr.3. Tento obrázek uvádí příklad závislosti počtu detekovaných okamžitých neutronů na vyhoření pro dvě různá počáteční obohacení paliva. Obě zobrazené křivky pro dvě různá počáteční obohacení paliva jsou jasně separovány. Na základě těchto závislostí je tedy možno rozeznat palivo s nižším počátečním obohacením od paliva s výším počátečním obohacením, a to i v případě, že palivo již bylo ozářeno v reaktoru a má tedy nenulové vyhoření.

Průmyslová využitelnost

Způsob nedestruktivního a neinvazivního rozlišování počátečního obohacení jaderného paliva podle předkládaného řešení lze využít při překládkách jaderného paliva u jaderných reaktorů s kontinuální výměnou paliva, zejména u reaktorů vysokoteplotních a takových, které nepoužívají prizmatické palivové bloky.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob nedestruktivního a neinvazivního rozlišování počátečního obohaceni jaderného paliva, »sé nejprve pro různé druhy jaderného paliva při jejich známém počátečním obohacení změří některou ze známých metod závislost velikosti vyhoření jaderného paliva na obohacení při různých počtech a drahách průchodu paliva reaktorem a závislost množství detekovaných neutronů daného jaderného paliva na obohacení při různých počtech a drahách průchodu paliva reaktorem a takto získané závislosti se uspořádají ve formě dvojrozměrné kombinace, čímž se získají kalibrační průběhy závislosti velikosti vyhoření daného jaderného paliva na množství detekovaných neutronů ze štěpení, kde parametrem pro jednotlivé druhy jaderného paliva je velikost jejich počátečního obohacení, načež se do reaktoru vloží jaderné palivo, jehož počáteční obohacení se zjišťuje, palivo se ozařuje a měří se velikost jeho vyhoření a počet detekovaných neutronů a dvourozměrnou kombinací počtu naměřených neutronů a změřeného přibližného vyhoření se získá bod, který se porovná s kalibračními průběhy závislostí paliv se známým počátečním obohacením a výsledná počáteční hodnota obohacení sledovaného jaderného paliva je hodnota odpovídající počátečnímu obohacení nejblíže ležící kalibrační závislosti, přičemž v případě, že získaný výsledný bod leží mezi dvěma kalibračními závislostmi s různým počátečním obohacením, určí se výsledné počáteční obohacení sledovaného jaderného paliva poměrem těchto známých počátečních obohacení, vyznačující se tím, že se detekují okamžité neutrony a velikost vyhoření jaderného paliva se měří před jeho ozářením pro vyvolání štěpení, přičemž počet okamžitých neutronů ze štěpení se měří v průběhu ozařování.
2. 2. Způsob podle nároku 1_zvyznačující se tím, že se počet okamžitých neutronů ze Štěpení měří polovodičovým detektorem doplněným o vrstvu konverzního materiálu, který převádí rychlé neutrony ze štěpení na odražené protony.
3. 3. Způsob podle nároků 1 a 2.vyznačující se tím, že polovodičový detektor okamžitých neutronů se umístí na ose mezi zdroj neutronů vyvolávajících štěpeni a měřené jaderné palivo.

   8 '
4. 4. Způsob podle nároku 1 a kteréhokoli z nároků 2 nebo 3_r vyznačující se tím, že dvojrozměrná kombinace se realizuje ve formě grafu, tabulky či matematické funkce.