Гамма-спектрометрический контроль изотопного состава энергетического плутония в процессе его производства, хранения и применения в ЯЭУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Павлов, Андрей Михайлович

• Павлов, Андрей Михайлович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Павлов, Андрей Михайлович

Оглавление

Введение

1 Анализ условий производства, хранения и проведения измерений плутония на заводе РТ-1

1.1 Анализ условий производства и хранения плутония на РТ-1

1.2 Анализ существующей методики определения изотопного состава плутония на РТ-1

1.2.1 Отбор пробы

1.2.2 Подготовка пробы к масс-спектрометрическому анализу

1.2.3 Введение подготовленного раствора в источник ионов масс-спектрометра

1.2.4 Проведение измерения масс-спектра и обработка данных

2 Аналитический обзор современного состояния гамма-спектрометрии изотопного состава плутония

2.1 Основные сведения о гамма-спектрометрии плутония

2.1.1 Продукты распада изотопа 241 Pu и их накопление в зависимости от времени хранения плутония

2.1.2 Основные энергетические области, используемые для измерений изотопного состава

2.1.3 Основные программы, используемые для определения изотопного состава плутония

2.2 Обзор программы MGA

2.2.1 Описание подгонки пиков

2.2.2 Моделирование фона

2.2.3 Описание калибровки по эффективности

2.2.4 Требование к детектору гамма-излучения

2.3 Обзор программы FRAM

2.3.1 Описание внутренней калибровки

2.3.2 Описание анализа данных

2.3.3 Требование к детектору гамма-излучения

2.4 Особенности ОЧГ детекторов р- и п- типа

2.5 Преимущество цифровых спектрометрических систем

2.6 Обзор достигнутых погрешностей определения изотопного состава плутония гамма-спектрометрическим методом

2.7 Необходимое время измерения для гамма-спектрометрического метода

3 Оптимизация гамма-спектрометрических систем и условий измерения диоксида плутония для РТ-1

3.1 Оптимизация для измерений проб

3.1.1 Выбор детектора и программы обработки спектров

3.1.2 Определение допустимой входной скорости счета

3.1.3 Выбор материала и толщины фильтра низкоэнергетического гамма-излучения

3.1.4 Описание гамма-спектрометрической установки

3.2 Оптимизация для измерений контейнеров

3.2.1 Выбор детектора, геометрии измерений и программы

3.2.2 Оптимизация настроек спектрометра и условий измерений плутония

3.2.3 Выбор материала и толщины фильтра низкоэнергетического гамма-излучения

3.2.4 Защита детектора от быстрых нейтронов

3.2.5 Описание гамма-спектрометрической установки

4 Исследование неоднородности изотопного состава плутония произведенного на РТ-1 и ее влияния на результат гамма-спектрометрических измерений

4.1 Исследование неоднородности изотопного состава плутония в партии

4.2 Исследование неоднородности изотопного состава плутония в контейнере

4.3 Исследование влияния неоднородности изотопного состава плутония на результаты гамма-спектрометрических измерений

5 Разработка корреляционной формулы для расчета массовой доли 242Ри в плутонии завода РТ-1

5.1 Оценка вклада погрешности определения доли 242Ри в погрешность изотопного состава

5.2 Построение новой корреляционной зависимости

5.2.1 Исходные данные

5.2.2 Анализ корреляционных формул и подбор коэффициентов

5.2.3 Учет времени хранения плутония

5.2.4 Результаты

5.3 Сравнение корреляционных формул

6 Измерения изотопного состава плутония гамма-спектрометрическим методом на

заводе РТ-1

6.1 Измерения изотопного состава плутония в пробах

6.1.1 Измерение ГСО

6.1.2 Измерение проб

6.2 Измерения изотопного состава плутония в контейнерах

6.2.1 Измерение СОП

6.2.2 Создание нового набора параметров для FRAM

6.2.3 Оценка метрологических характеристик разрабатываемой методики

6.2.4 Аттестация гамма-спектрометрической методики

6.2.5 Апробация и внедрение гамма-спектрометрической методики

7 Оценка возможности замены масс-спектрометрического метода определения изотопного состава плутония на гамма-спектрометрический метод на РТ-1

7.1 Сравнение погрешности результатов измерений изотопного состава плутония, полученных с помощью масс-спектрометра МИ 1201 и гамма-спектрометрии

7.2 Экономическая оценка проведения измерений изотопного состава плутония

8 Применение гамма-спектрометрического контроля изотопного состава плутония на РТ-1

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список использованной литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А Спектры гамма-излучения от контейнеров с диоксидом плутония

Приложение Б Систематическая ошибка анализа программы FRAM

Приложение В Методика МВИ 223.0109/01.00258/2012

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гамма-спектрометрический контроль изотопного состава энергетического плутония в процессе его производства, хранения и применения в ЯЭУ»

Введение

В настоящее время в ядерной энергетике основным видом ядерного топлива является диоксид урана, в котором собственно делящийся элемент - это изотоп 235и. Содержание изотопа 235и в природном уране составляет всего 0,72%, а более 99% занимает 238и. Состояние сырьевой базы России по урану и темпы развития уранодобывающей отрасли указывают на отсутствие баланса между планируемым приростом установленных мощностей АЭС и возможности их топливообеспечения в средне- и долгосрочной перспективе. В процессе выгорания ядерного топлива в реакторе наряду с реакцией деления протекает конкурирующая

2*3 о

реакция радиационного захвата нейтронов ядрами и, в результате через цепочку распадов образуется плутоний Ри. Поскольку Ри является делящимся, он также может расщепляться и выделять энергию. Необходимо отметить, что в современных реакторах на тепловых нейтронах за счет деления плутония, образующегося в ходе кампании, приходится примерно 30% вырабатываемой энергии.

Согласно стратегии развития ядерной энергетики России плутоний планируется использовать для производства смешанного уран-плутониевого топлива на базе диоксидов (МОХ-топлива) или нитридов. Вовлечение плутония в ядерный топливный цикл позволит снизить потребление обогащенного урана и использовать накопленный обедненный уран, а также решить проблему утилизации нарабатывающегося в энергетических реакторах плутония. В связи с этим в последние годы интенсифицируются НИР и ОКР, связанные со спецификой использования плутония в качестве топлива ядерных реакторов.

Госкорпорация «Росатом» координирует работу по реализации ряда проектов создания промышленного производства МОХ -топлива для реакторов на быстрых нейтронах. В число их основных задач входит:

- «Разработка технологий и создание производства смешанного оксидного топлива для реакторов на быстрых нейтронах»;

- создание промышленного производства МОХ-топлива для энергоблока №4 Белоярской АЭС с реактором БН-800;

- осуществление федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года».

Таким образом, вовлечение в топливный цикл плутония, накопленного за время эксплуатации энергетических реакторов, является одной из крупномасштабных и актуальных задач, решение которой обеспечит дальнейшее развитие ядерной энергетики.

С 1977 года в России на ПО «Маяк» (г. Озерск) работает завод РТ-1 [1], перерабатывающий отработавшее топливо ядерных реакторов. Одним из основных конечных

продуктов переработки является диоксид плутония. Из-за отсутствия до 2015 года1 промышленного завода по производству смешанного уран-плутониевого топлива произведенный на РТ-1 диоксид плутония хранится на специально оборудованном складе, упакованный в контейнеры, вмещающие около 3 кг плутония.

В 2014 году состоялся энергетический пуск реактора БН-800 на Белоярской АЭС. В качестве начальной загрузки использована гибридная зона, состоящая из уранового топлива высокого обогащения и 106 TBC, содержащих смешанное уран-плутониевое топливо. По предварительным оценкам после выхода на полную загрузку смешанным топливом потребление плутония составит 2 т/год. Таким образом, для обеспечения топливом одного энергоблока БН-800 потребуется ежегодно использовать более 650 контейнеров с диоксидом плутония, произведенного на РТ-1.

Накопленный на РТ-1 плутоний извлечен из топлива разных типов реакторов, с различной глубиной выгорания и временем выдержки. В связи с этим изотопный состав плутония изменяется в широком диапазоне, что в свою очередь усложняет задачу его использования для фабрикации топлива с заданными характеристиками. При комплектовании партии контейнеров для отправки на завод по фабрикации топлива необходимо проводить контрольные измерения изотопного состава плутония в каждом контейнере с требуемой точностью и достаточно высокой производительностью, что требует разработки методики для обеспечения массовых измерений больших объемов плутония (в том числе негомогенных).

Энергетический плутоний, упакованный в контейнеры, относится к ЯМ первой категории и в соответствии с нормативными документами подлежит государственному учету и контролю ЯМ, основанному на физических измерениях [2]. Для неразрушающих измерений массы плутония обычно применяют счет нейтронных совпадений или калориметрию, для интерпретации результатов которых необходимы данные об изотопном составе плутония. Из-за отсутствия методики неразрушающего контроля изотопного состава плутония, на РТ-1 в ходе физических инвентаризаций производится только взвешивание контейнеров и контроль целостности УИВ. Данный подход не в полной мере удовлетворяет требованиям нормативных документов по учету и контролю ЯМ.

При паспортизации наработанного плутония для определения его изотопного состава на РТ-1 применяется масс-спектрометрия, которая является наиболее распространенным разрушающим методом определения изотопного состава плутония. Данный метод может обеспечить высокую точность результатов, но имеет некоторые серьезные недостатки. К их числу относятся необходимость отбора представительной пробы и ее специальная химическая

1 В декабре 2014 года закончено строительство промышленного завода по производству МОХ-топлива на площадке ФГУП «ГХК».

подготовка (растворение и очистка от интерферирующих примесей). Изотопный состав плутония в анализируемой пробе массой несколько миллиграмм должен соответствовать среднему составу в образце массой несколько килограмм.

В настоящее время на РТ-1 для определения изотопного состава плутония используются масс-спектрометры модели МИ 1201. Данная модель имеет низкую производительность (время необходимое для одного анализа достигает 6 ч.), к тому же из-за большого срока эксплуатации приборы МИ 1201 часто нуждаются в ремонте.

Альтернативным методом определения изотопного состава плутония может являться гамма-спектрометрия с детекторами высокого разрешения. Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с масс-спектрометрией:

- измерения могут осуществляться без вскрытия контейнеров, т.е. нет необходимости отбора представительной пробы и ее химической подготовки;

- стоимость гамма-спектрометрической установки примерно в 10 раз ниже, чем современный масс-спектрометр для изотопного анализа плутония;

- существенно ниже затраты времени на выполнение анализа.

Исследования но определению изотопного состава по гамма-излучению плутония проводятся зарубежными специалистами с 1974 года. Существенный вклад в разработку алгоритмов и программных кодов анализа изотопного состава плутония по спектру его гамма-излучения внесли R. Gunnink, J.B. Niday, P.D. Siemens, Т.Е. Sampson, T.A. Kelley, D.T. Vo. Их работы содержат основные подходы и методы анализа гамма-спектров (аппроксимация пиков гамма и рентгеновского излучения, комптоновского фона, построение функции относительной эффективности, функции отклика), уточненные фундаментальные данные об энергиях и квантовых выходах гамма-излучения изотопов плутония, 241Ат и 237U.

В основном эти исследования посвящены образцам с малой массой плутония (до 20 г). Основной задачей данной работы было создание методики измерения образцов с большой массой плутония (более 1 кг), которые сопровождаются рядом трудностей:

- сильное самопоглощение гамма-излучения в образце приводит к тому, что низкоэнергетическое излучение выходит только из поверхностного слоя образца толщиной не более 2 см;

- в спектре под пиками образуется высокая комптоновекая подложка, что приводит к снижению отношения пик/фон и увеличивает погрешность измерения;

- высокая интенсивность потока гамма-излучения, требует специальных мер для фильтрации и оптимизации гамма-спектрометра;

- интенсивное нейтронное излучение приводит к повреждению кристалла ОЧГ детектора.

Из-за указанных выше особенностей методики и измерительные системы, разработанные для малых образцов, могут быть не пригодными для измерения образцов большой массы.

Актуальность темы исследования обусловлена:

1. Ближайшими перспективами использования плутония со склада РТ-1 для фабрикации смешанного уран-плутониевого топлива.

2. Необходимостью массовых измерений больших образцов плутония (в том числе негомогенных) со значительно варьирующимся изотопным составом.

3. Потребностью в методике быстрого неразрушающего контроля изотопного состава плутония в контейнерах на РТ-1.

Цели и задачи диссертации

Цель данной работы - обоснование возможности гамма-спектрометрического определения изотопного состава энергетического плутония в условиях производства завода РТ-1 для обеспечения изготовления смешанного уран-плутониевого топлива.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.

1. Исследовать особенности спектров излучения образцов плутония завода РТ-1 для обоснования выбора рабочего энергетического диапазона в зависимости от изотопного состава, массы образца, геометрии измерений и др.

2. Разработать гамма-спектрометрические системы, оптимальные для измерений изотопного состава плутония в пробах и контейнерах.

3. Исследовать факторы, искажающие результаты определения изотопного состава плутония, и минимизировать их влияние на результаты анализа.

4. Исследовать степень неравномерности изотопного состава плутония в партиях продукта и в объемах отдельных контейнеров и оценить ее влияние на результат измерений изотопного состава гамма-спектрометрическим методом.

5. Разработать корреляционную формулу для расчета массовой доли 242Ри в плутонии завода РТ-1.

6. Оценить достижимую точность результатов гамма-спектрометрических анализов изотопного состава плутония для выбранных оптимальных условий измерений.

7. Проанализировать возможность замены используемого на РТ-1 масс-спектрометрического метода определения изотопного состава плутония на гамма-спектрометрический метод.

Научная новизна

1. Впервые установлено, что при гамма-спектрометрическом определении изотопного состава больших образцов плутония наиболее достоверные результаты можно получить путем анализа высокоэнергетического диапазона спектра программой РЯАМ.

2. Разработан новый набор параметров программы БИАМ, учитывающий особенности гамма-спектров плутония, выделенного из ОЯТ российских энергетических реакторов.

3. Установлена новая корреляционная зависимость определения массовой доли 242Ри с учетом специфики изотопного состава энергетического плутония, хранящегося на РТ-1.

Практическая ценность работы:

1. Обосновано применение и развит метод неразрушающего контроля изотопного состава плутония на РТ-1;

2. Разработана, аттестована и внедрена на РТ-1 методика определения изотопного состава плутония в контейнерах, которая позволит решать следующие задачи:

- осуществлять контрольные неразрушающие измерения изотопного состава плутония в контейнерах при комплектовании партии перед отправкой на завод по фабрикации смешанного уран-плутониевого топлива;

- проводить неразрушающие измерения изотопного состава плутония в рамках системы государственного учета и контроля ядерных материалов на заводе РТ-1;

- определять изотопный состав плутония в контейнерах, заполненных в период с 1990 г. по 2000 г., в течение которого не выполнялись масс-спектрометрические измерения, с

Л А 1

целью отбора контейнеров с высоким содержанием Лш для изотопного производства и входного контроля для обеспечения ядерной безопасности перед загрузкой диоксида плутония в технологические цепочки, на которые установлено ограничение по содержанию массовой доли 240Ри.

По результатам диссертационной работы на РТ-1 построена измерительная система, оптимизированная для проведения гамма-спектрометрических измерений изотопного состава энергетического плутония в контейнерах. Методика внедрена на РТ-1 ПО «Маяк» приказом по предприятию от 24.10.2012 № 193/764-П, что позволяет осуществлять измерения изотопного состава плутония с приемлемой точностью и с меньшими затратами по сравнению с применяемым на РТ-1 масс-спектрометрическим анализом.

Основные положении, выноси.иыс на защиту

1. Гамма-спектрометрическая система для неразрушающего контроля изотопного состава энергетического плутония массой до 3 кг, упакованного в контейнеры.

2. Разработанный новый набор параметров программы FRAM, учитывающий особенности спектра гамма-излучения контейнеров с энергетическим плутонием на РТ-1.

3. Аттестованная «Методика измерений массовой доли изотопов плутония в контейнере с диоксидом плутония гамма-спектрометрическим методом с применением программы FRAM 4.4» МВИ 223.0109/01.00258/2012.

4. Результаты исследований неоднородности изотопного состава в партиях и отдельных контейнерах РиОг, произведенных на РТ-1.

5. Корреляционная формула для определения массовой доли 242Ри в энергетическом плутонии.

Апробация результатов

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международном семинаре по методам измерений, стандартным образцам и оборудованию для разрушающего и неразрушающего анализа ФГУП «ВНИИА», научных сессиях НИЯУ МИФИ-2011, НИЯУ МИФИ-2012 и научной школе-семинаре «Волга-2014».

Достоверность результатов и выводов обеспечиваются следующим:

- результаты проведенных гамма-спектрометрических анализов воспроизводимы и согласуются с данными, полученными с применением других аттестованных методик;

- заявленные метрологические характеристики разработанной методики определены на основе многократных измерений стандартных образцов различной массы, изотопного состава и времени хранения плутония;

- корреляционная формула разработана на основе паспортных данных о более 6 тыс. партий диоксида плутония с разными изотопными составами, полученных с помощью масс-спектрометрического метода.

Публикации

Материалы, отражающие основное содержание диссертации и результаты исследований, изложены в 5 работах, в том числе 3 статьи в научно-технических журналах, входящих в перечень ВАК:

1. A.B. Бушуев, А.Ф. Кожин, A.M. Павлов. Исследование неоднородности и определение среднего изотопного состава плутония с помощью гамма-спектрометрии — Ядерная физика и инжиниринг, 2011, т. 2, №2, с. 115 - 120.

2. A.B. Бушуев, Т.Б. Алеева, A.M. Павлов. Гамма-спектрометрическое определение изотопного состава плутония в контейнерах с помощью программ MGA и FRAM — Атомная энергия, 2012, т. 113, вып. 2, с. 96- 101.

3. Т.Б. Алеева, А.В.Бушуев, А.М.Павлов. Сравнение корреляционных формул определения относительного содержания 242Ри в плутонии, наработанном на заводе РТ-1 ПО «Маяк» - Атомная энергия, 2013, т. 114, вып. 4, с. 202 - 205.

4. A.M. Павлов, A.B. Бушуев. Особенности паспортизации и контрольных измерений изотопного состава плутония, производимого и хранящегося на заводе РТ-1 ПО «Маяк» — Анн. Докладов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012», т. 1, с. 73.

5. A.M. Павлов, A.B. Бушуев, Т.Б. Алеева, А.Ф. Кожин, Е.В. Петрова, В.Н. Зубарев. Сравнение результатов определения изотопного состава плутония в контейнерах, хранящихся на заводе РТ-1 ПО «Маяк», с помощью программ MGA и FRAM - Анн. Докладов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012», т. 1, с. 73.

1 Анализ условий производства, хранения и проведения измерений плутония

на заводе РТ-1

1.1 Анализ условий производства и хранении плутонии на РТ-1

На РТ-1 «ПО «Маяк» перерабатываются ОТВС АЭС с реакторами ВВЭР-440, БН-600, транспортных ядерный установок и исследовательских реакторов [3]. Одним из основных конечных продуктов переработки является диоксид плутония. За прошедшие годы на складе РТ-1 накоплено более десяти тысяч контейнеров с Ри02.

Диоксид на РТ-1 выпускается партиями массой от 3 до 21 кг в зависимости от типа ОЯТ и загрузки в технологической операции. На партию продукта выписывается паспорт, включающий данные об изотопном составе, массе плутония и массе диоксида.

Р11О2 является нерастворимым в воде соединением с температурой плавления 2400 °С. Производится Р11О2 путем прокаливания оксалата при температуре до 700 °С. В результате основная масса Р1Ю2 образуется в виде частиц диаметром около одного мкм. РиОг является источником тепловой энергии, которая выделяется в результате торможения а-частиц, испускаемых изотопами плутония. Кроме того плутоний испускает гамма- и нейтронное излучения и является мощным источником внешнего облучения персонала и оборудования. Например, тепловыделение контейнера с диоксидом плутония от переработки ОЯТ ВВЭР-440 составляет около 40 Вт, а мощность экспозиционной дозы 30 мкР/с. В течение хранения, в

241 »

результате накопления Аш тепловыделение и мощность дозы только увеличиваются.

Для хранения Р11О2 на РТ-1 используются упаковки, состоящие из транспортного контейнера и зафиксированного в нем стакана, изготовленных из нержавеющей стали толщиной 2 мм и массой 1,8 кг. Вместимость стакана составляет около 2 дм . Упаковки с Р1Ю2 размещаются на специально оборудованном складе в бетонных траншеях глубиной 1 м.

Изотопный состав плутония производимого на РТ-1 изменяется в широких пределах (таблица 1.1), это обусловлено огромной номенклатурой перерабатываемых ОТВС. В основном изотопный состав плутония определяется следующими параметрами: типом реактора, глубиной выгорания, начальным обогащением и временем выдержки ОЯТ перед поступлением на переработку. Для сравнения в таблице 1.2 приведены расчетные данные об изотопном составе плутония, нарабатываемом в реакторе ВВЭР-440, в зависимости от выгорания и обогащения.

Таблица 1.1- Диапазон изменений изотопного состава плутония хранящегося на РТ-1

ШРи шРи 241Ри 242Ри

0,02-3,7 53-98 1,7-24 0,05-12,0 0,01-7,7

Таблица 1.2 - Изменение изотопного состава плутония в топливе в процессе выгорания для ВВЭР-440 (без учета времени выдержки ОЯТ) [4]

Выгорание, МВтсут/кг Начальное обогащение 3,6% Начальное обогащение 4,4%

23КРи 239Ри 240Ри 24'Ри 242Ри 238Ри 239Ри 240Ри 241Ри 242Ри

16 0,30 72,99 17,32 8,30 1,09 0,28 76,08 15,36 7,48 0,81

20 0,44 68,53 19,31 10,01 1,71 0,41 71,89 17,24 9,17 1,29

24 0,62 64,48 21,02 11,45 2,44 0,58 68,00 18,93 10,64 1,86

28 0,82 61,16 22,18 12,59 3,25 0,77 64,75 20,12 11,86 2,50

32 1,06 58,09 23,22 13,49 4,13 1,00 61,69 21,22 12,88 3,21

36 1,33 55,26 24,11 14,22 5,08 1,26 58,83 22,21 13,71 3,99

40 1,62 52,91 24,67 14,73 6,08 1,54 56,37 22,90 14,37 4,82

44 1,92 50,73 25,13 15,09 7,12 1,86 54,07 23,51 14,87 5,69

1.2 Анализ существующей методики определении нзотонного состава плутония на РТ-1

Наиболее широко используемым методом определения изотопного состава плутония является масс-спектрометрия с поверхностной ионизацией. Данный разрушающий метод применим к различным физическим и химическим формам плутония и при соблюдении ряда условий позволяет наиболее точно определить изотопный состав плутония в анализируемом образце.

С момента пуска РТ-1 для определения изотопного состава плутония на заводе используются масс-спектрометры модели МИ 1201. Данная модель имеет низкую производительность (время необходимое для одного анализа достигает 6 ч.), к тому же из-за большого срока эксплуатации они нуждаются в частом ремонте.

При рассмотрении масс-спектрометрического метода можно выделить следующие основные стадии, качество выполнения которых напрямую влияет на точность измерения:

- отбор пробы;

- растворение пробы и очистка раствора от интерферирующих примесей;

- введение подготовленного раствора в источник ионов масс-спектрометра;

- проведение измерения масс-спектра и обработка данных.

Для выполнения этих работ требуется высококвалифицированный персонал, дополнительное оборудование и реактивы. Наиболее важно отделить Ри от и и Аш, поскольку

ОТО ЛД 1

присутствие и и Аш вызывает систематические ошибки из-за интерференции с изотопами плутония.

Стоит отметить, что при содержании изотопа 238Ри менее 0,2 % для его определения необходимо использовать альфа-спектрометрический метод в соответствии с методикой [5].

Далее будут рассмотрены более подробно основные стадии проведения анализа масс-спектрометрическим методом и основные источники погрешности результатов измерения.

14

1.2.1 Отбор пробы

При разрушающих анализах исследуется малая часть всего материала, подлежащего контролю, и требуется отобрать для анализа представительную пробу. Ее состав должен строго соответствовать среднему составу всего материала. В противном случае существенный вклад в погрешность разрушающего анализа будет давать погрешность пробоотбора.

При отборе пробы необходимо учитывать возможную неоднородность изотопного состава плутония, которая может быть как в объеме одного контейнера, так и между разными контейнерами, заполненными диоксидом из одной партии.

На заводе РТ-1 для хранения РиОг используются упаковки вместимостью около 2 дм3. В один контейнер по существующей технологии помещается до 3,5 кг диоксида, что составляет чуть менее 3 кг по плутонию. В период начала переработки ОЯТ на заводе РТ-1, РиОг комплектовался в партии, состоящие из одной упаковки, т.е. на анализ поступали пробы, отобранные из каждого контейнера. С увеличением объемов перерабатываемого ОЯТ, партии стали комплектовать из нескольких контейнеров (до 7), образующихся в результате одной операции переработки. Таким образом, на измерение изотопного состава плутония стала поступать усредненная проба от всей партии.

Усредненная проба подготавливается следующим образом:

- из каждого контейнера специально сконструированным пробоотборником отбирается проба массой 5-20 г;

- из каждой пробы отбирается мерной ложечкой около 1 г диоксида и помещается в «чистый» бюкс, где происходит механическое смешивание;

- из «смешанного» бюкса отбирается мерной ложкой PiЮг массой не более 1 г и растворяется.

Принципиальная схема усреднения пробы для измерения изотопного состава плутония от партии РиОг на заводе РТ-1 изображена на рисунке 1.1.

Для переработки ОТВС разных реакторов на заводе РТ-1 используется одна технологическая линия, при этом изотопный состав плутония в разных партиях может сильно отличаться. После переработки партии ОТВС зачистка оборудования не производится, поэтому часть диоксида плутония из предыдущей партии может попасть в некоторые контейнеры из последующих партий. В результате этого неизбежно стали возникать партии с неоднородным изотопным составом. К тому же на заводе РТ-1 при регламеЕПТЮМ производстве диоксида плутония в контейнер помещается несколько порций диоксида, образованного после фильтрации и прокалки оксалата, а перед упаковкой контейнера не проводятся никакие операции по гомогенизации изотопного состава в его объеме, что не исключает вероятность возникновения неоднородности в объемах отдельных контейнеров (см. раздел 4).

Рисунок 1.1- Принципиальная схема усреднения пробы для измерения изотопного состава

плутония от партии Р11О2 на заводе РТ-1

12 2 Подготовка пробы к масс-спектра метрическому анализу Отобранную пробу диоксида перед проведением измерения в масс-спектрометре необходимо растворить и, если концентрация интерферирующих примесей превышает установленные пределы в методике [6], провести очистку.

Диоксид плутония не растворим в воде и органических растворителях, трудно растворяется в неорганических кислотах. Его растворимость так же существенно зависит от технологии получения. На заводе РТ-1 процесс растворения проводится следующим образом, навеску двуокиси плутония массой не более 1 г помещают в стеклянную колбу, добавляют концентрированной азотной кислоты и фтористого аммония, закрывают пробкой и нагревают на плитке до растворения навески. При этом процесс растворения занимает от 3 до 5 часов.

Точность масс-спектрометрического определения изотопного состава плутония зависит от отсутствия ионов той же номинальной массы, что и масса измеряемых ионов плутония. Основными мешающими примесями являются 238U и 241Аш.

На РТ-1 при переработке ОЯТ для разделения и очистки урана и плутония от продуктов деления используют PUREX-процесс. В результате нескольких экстракционных циклов уран и плутоний отделяется от продуктов деления. В дальнейшем плутоний направляется на аффинаж (глубокую очистку от радиоактивных продуктов деления и стабильных примесей). Последней стадией для плутония является оксалатное осаждение и прокаливание солей оксалатных

осадков до диоксида. При соблюдении технологического процесса в конечном продукте массовая доля урана в плутонии не превышает 0,01%.

После температурного разрушения оксалата до диоксида плутония и последующей прокалки в муфельных печах диоксид расфасовывается по контейнерам. Из каждого контейнера отбирается проба. В аналитической лаборатории проводится измерение содержания воды с целью обеспечения ядерной безопасности при хранении и транспортировке РиОг. Затем усредненная проба для партии поступает на растворение с целью определения массовой доли плутония в диоксиде и изотопного состава плутония. По штатной схеме от аффинажа плутония до измерения изотопного состава проходит не более шести дней. На рисунке 1.2 изображен график накопления 241 Ат в диоксиде плутония в зависимости от времени хранения.

0,015

0,014

0,013

0,012

5? 0,011

3 п 0,010

Е 0,009

< к 0,008

а 0,007

к га 0,006

О и 0,005

(0 5 0,004

0,003

0,002

0,001

0,000

( /

*—>

12% Ри-241 10% Ри-241 8% Ри-241 4% Ри-241 1% Ри-241 0,2% Ри-241

3 4 5 6 7 Время хранения, дней

241

10

Рисунок 1.2 - График накопления ;ч'Ат в результате распада 241 Ри от времени хранения и

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Павлов, Андрей Михайлович, 2014 год

Список использованной литературы

1. В.II. Новоселов, B.C. Толстиков. Тайны «сороковки». - Екатеринбург: ИПП «Уральский рабочий», 1995. - 448 е.: ил., издание 2-е, исправленное и дополненное.

2. НП-030-12 «Основные правила учета и контроля ядерных материалов».

3. Информационное издание к 60-летию ФГУП «ПО «Маяк»: Озерск, 2008.

4. Отчет ВНИИАЭС «Описание программного средства, реализующего методику оценки изотопного состава ОТВС ВВЭР»: Москва, 2000 г.

5. «Плутоний и его соединения. Альфа-спектрометрический метод определения содержания плутония-238» ОСТ 95 733-86.

6. Отраслевая инструкция «Плутоний. Масс-спектрометрическая методика измерений изотопного состава в твердой фазе» ОИ 001.707-2010.

7. Справочник по методам измерений ядерных материалов. Под ред. Д.Роджеса, М.Фелло, пер. с англ. ВНИИА, 2007. - 712 с.

8. Д. Райлли, Н. Энсслин, X. Смит, мл и С. Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов: Пер. с англ. - М.: ЗАО "Издательство Бином", 2000. -720 с.

9. Gunnink, Evans, Prindle. A Revaluation of the Gamma-Ray energies and Absolute Branching Intensities of 237U, 238Pu,239Pu,240Pu,241Pu and 241Am. Lawrence Livermore Laboratory report UCRL-52139, October 1976.

10. Gunnink R., MGA: A Gamma-Ray Spectrum Analysis Code for Determining Plutonium Isotopic Abundances. Report UCRL-LR-103220, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, 1990.

11. Thomas E. Sampson, Thomas A. Kelley, Due T. Vo, Application Guide to Gamma-Ray Isotopic Analysis Using the FRAM Software. LA-14018, September 2003.

12. R. Gunnink, J.B. Niday, and P.D. Siemens, A System for Plutonium Analysis by Gamma Ray Spectrometry, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif., UCRL-51577 (1974).

13. R. Gunnink, An algorithm for fitting Lorentzian-broadened, K-series X-ray peaks of the heavy elements, Nuclear Instruments and Methods, vol. 143, issue 1, pp. 145-149 (1977).

14. A.B. Бушуев. Методы измерения ядерных материалов. Учебное пособие. М: МИФИ, 2007. - 276 с.

15. R. Gunnink, "Computer Techniques for Analysis of Gamma-Ray Spectra," Lawrence Livermore Laboratory report UCRL-80297 (1978).

16. Detector Catalog. ORTEC® AMETEC.

17. Спецификации, Низкоэнергетические германиевые детекторы LEGe. Canberra Industries.

18. Т. Е. Sampson, Safeguards Science and Technology Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545. Test and Evaluation of the FRAM Isotopic Analysis Code for EURATOM Applications.

19. Спецификации, Коаксиальные германиевые детекторы SEGe. Canberra Industries.

20. Спецификации, Коаксиальные германиевые детекторы с реверсивными электродами REGe. Canberra Industries.

21. Бушуев А.В., Петрова Е.В., Кожин А.Ф. Практическая гамма-спектрометрия: Учебное пособие. М: МИФИ, 2006. - 124 с.

22. ГОСТ Р ИСО 5775-1-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения».

23. Плутоний и его соединения. Методика выполнения измерений массовых долей изотопов плутония и изотопа 241Ат гамма-спектрометрическим методом с использованием гамма-спектрометра U-Pu InSpector, МВИ 223.13.17.104/2006.

24. I.E Sampson, T.L. Burr, and D.T. Error Analysis of FRAM Gamma-Ray Isotopic Analysis Data, LANL, LA-UR-04-4108.

25. Quality Assurance Data Sheet GMX 25P4-A. ORTEC, 2005.

26. Руководство пользователя «InSpector 2000», Canberra.

27. ГОСТ 8.531-2002 «Стандартные образцы состава монолитных и дисперсных материалов. Способы оценивания однородности».

28. А.В. Бушуев, В.Б. Глебов, Н.И. Гераскин, А.В. Измайлов, Э.Ф. Крючков, В.В. Кондаков. Основы учета, контроля и физической защиты ядерных материалов. Учебное пособие / Под ред. Э.Ф. Крючкова. М.: МИФИ, 2007. - 544с.

29. G.Bignan, W.Ruhter, H.Ottmar et.al. Plutonium Isotopic Determination by Gamma Spectrometry: Recommendations for the 242Pu Content Evaluation using a new Algorithm. - Proc. of the 28th ESARDA Symposium, January 1998.

30. A.Schubert, H.Ottmar. Empirical Deternination of 242Pu in Non-Destructive Assay -Where are the Limits. - Proc. of the 17th ESARDA Symposium, May 1995.

31. S.Muralidhar, R.Tripathi, B.S.Tomar et.al. Nondestructive assay of the fissile content in FBTR fuel pins. - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, pp. 438-443, A 511 (2003).

32. Паспорт ГСО 8454-2003, ФГУП ГНЦ РФ «Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского».

33. Сертификат об утверждении типа СОП № 012-2010, ФГУП «ПО «Маяк».

34. OCT 95 10353-2008 «Отраслевая система обеспечения единства измерений. Алгоритмы оценки метрологических характеристик при аттестации методик выполнения измерений».

35. Н. Aigner, R. Binner, Е. Kuhn. International Target Values 2000 for Measurement Uncertainties in Safeguarding Nuclear Materials. ESARDA BULLETIN, No. 31, pp. 39-68, April 2002.

36. Описание типа средства измерения «Масс-спектрометры изотопные моделей Finnigan Triton, Finnigan Neptune» регистрационный номер 17302-10.

37. Технические условия, «Гамма-спектрометры многоканальные полупроводниковые для измерения рентгеновского и гамма-излучения Canberra. Технические условия», CAN-GSP-HPGE-001 -ТУ.

Список иллюстративного материала

Рисунок 1.1- Принципиальная схема усреднения пробы для измерения изотопного состава

плутония от партии РиОг на заводе РТ-1 ..........................................................................................15

Рисунок 1.2 - График накопления 24'Am в результате распада 241 Pu от времени хранения и

241

начальной массовой доли Pu...........................................................................................................16

Рисунок 1.3 - Хроматографическая колонка:....................................................................................17

Рисунок 2.1 - Схема распада 241 Pu и его дочерних продуктов........................................................21

Рисунок 2.2 - График накопления 237U от времени после очистки плутония................................21

Рисунок 2.3 - Вклад 24,Ат в пики гамма-излучения 237U как функция интервала времени после

разделения (в момент времени t=0 концентрация урана и америция нулевая)[8]........................22

Рисунок 2.4 - График накопления 241Аш от времени после очистки плутония.............................24

Рисунок 2.5 - Графики изменения содержания 241Лш и 24IPu в зависимости от времени хранения

плутония................................................................................................................................................24

Рисунок 2.6 - Сравнение области 95-105 кэВ спектра плутония от диоксида плутония

массой ~3 кг от ОЯТ ВВЭР-440 в зависимости от времени хранения плутония...........................24

Рисунок 2.7 - Сравнение в интервале энергий 635-650 кэВ спектров излучения диоксида

плутония массой ~3 кг от ОЯТ ВВЭР-440 в зависимости от времени хранения плутония..........25

Рисунок 2.8 - Спектр гамма-излучения в области 40-60 кэВ от раствора свежевыделенного

плутония в азотной кислоте, концентрация 185 г/л..........................................................................27

Рисунок 2.9 - Спектр гамма-излучения в области энергии 95-105 кэВ..........................................27

Рисунок 2.10 - Спектр гамма излучения РиОг в интервале энергий 155-170 кэВ.........................28

Рисунок 2.11 - Кривые относительной эффективности для образцов РиОг разных масс, для планарного детектора диаметром 16 мм и высотой 13 мм (кривые нормированы по

максимальному значению) .................................................................................................................30

Рисунок 2.12 - Кривые относительной эффективности для одного образца РиОг, для планарного

и коаксиального ОЧГ детекторов (кривые нормированы по энергии 413,7 кэВ).........................31

Рисунок 2.13 - Модель подгонки пиков гамма-излучения .............................................................32

Рисунок 2.14 - Подгонка пиков рентгеновского излучения K-серии ............................................32

Рисунок 2.15 - Построение функции фона в области 95-105 кэВ программой MGA...................33

Рисунок 2.16 - Кривая относительной эффективности, построенная MGA v 9.7 для ГСО массой

3,2 г плутония в виде Ри02 (массовая доля 239Ри - 85%; 240Ри - 14%)............................................34

Рисунок 2.17 - Подгонка пиков в области 95-105 кэВ программой MGA v 9.7 для ГСО массой

3,2 г плутония в виде РиОг (массовая доля 239Ри - 85%; 240Ри - 14%)............................................35

Рисунок 2.18 - Зависимости ПШПВ от энергии гамма излучения построенные FRAM..............37

Рисунок 2.19 - Подгонка пиков в регионе 160 кэВ программой FRAM v4.4 в спектре излучения ГСО с массой плутония 3,2 г в виде РиОг (массовая доля 239Ри - 79%; 240Ри - 20%;

241 Ри - 0,2%)..........................................................................................................................................38

Рисунок 2.20 - Подгонка пиков в регионе 635-650 кэВ программой FRAM v4.4 в спектре

излучения образца диоксида плутония массой около 3 кг от ОЯТ ВВЭР (15 г 241 Аш /кг Ри).....39

Рисунок 2.21 - Кривая относительной эффективности для спектра от контейнера с диоксидом плутония (массой ~3 кг) измеренный на коаксиальном ОЧГ детекторе с фильтром из 5 мм РЬ и

1 мм Cd..................................................................................................................................................41

Рисунок 2.22 - Кривая относительной эффективности для спектра от контейнера с диоксидом

плутония (массой ~3 кг) измеренный на планарном ОЧГ детекторе с фильтром из 1 мм Cd.....41

Рисунок 2.23 - Конструкции коаксиальных ОЧГ детекторов р-типа и п-типа..............................42

Рисунок 2.24 - Ступенька напряжения с амплитудой Vx.................................................................44

Рисунок 2.25 - Трапецеидальная фильтрация импульса предусилителя ......................................45

Рисунок 2.26 - Регистрация одиночного импульса и эффект наложения импульсов...................46

Рисунок 2.27 - Скорость счета и ПШПВ для пика 208 кэВ 241Pu-237U от 965 г Pu02 с массовой долей 16,85% 240Ри, ОЧГ детектором с 25% относительной эффективностью, и анализатором

ORTEC DSpec (RS = 4 мкс) ................................................................................................................47

Рисунок 2.28 - СКО измерений 240Ри в образце массой 965 г РиОг с массовой долей 240Ри 16,85%, ОЧГ детектором с 25% относительной эффективностью и анализатором ORTEC DSpec

(RS = 4 мкс), FRAM анализ в области 120-450 кэВ.........................................................................48

Рисунок 2.29 - Отношение измеренного значения 240Ри к декларированному в зависимости от

массовой доли (FRAM, коаксиальный детектор, анализ области 200-800 кэВ)............................51

Рисунок 3.1 - Зависимость ПШПВ пика 208 кэВ от мертвого времени для U-Pu InSpector........58

Рисунок 3.2-Гамма-спектрометрическая система для измерения изотопного состава РиОг

в пробах.................................................................................................................................................59

Рисунок 3.3 - Зависимость толщины «видимого» слоя РиОг от энергии гамма-излучения........61

Рисунок 3.4 - Зависимости ПШПВ для энергии 344,28 кэВ от RS при различной входной

загрузке спектрометра.........................................................................................................................65

Рисунок 3.5 - Зависимости ПШПВ для энергии 661,65 кэВ от RS при различной входной

загрузке спектрометра.........................................................................................................................66

Рисунок 3.6 - Зависимости скорости счета для энергии 661,65 кэВ от RS при различной входной

загрузке спектрометра.........................................................................................................................66

Рисунок 3.7 - Зависимости мертвого времени от RS при различной входной загрузке спектрометра.........................................................................................................................................67

Рисунок 3.8 - Зависимости ПШПВ от мертвого времени для энергии 661,65 кэВ

(для разных значений RS)....................................................................................................................68

Рисунок 3.9 - Зависимости реальной скорости счета от мертвого времени для энергии

661,65 кэВ (для разных значений RS)................................................................................................69

Рисунок 3.10 - Подгонка пиков в регионе 640 кэВ..........................................................................70

Рисунок 3.11 - Влияние толщины Cd фильтра на скорости счета в пиках 208,00 и 662,42 кэВ.. 71 Рисунок 3.12 - Зависимость скорости счета в пиках 208,00 и 662,42 кэВ от толщины РЬ

(толщина Cd 1мм).................................................................................................................................72

Рисунок 3.13 - Зависимость скорости счета в пиках 208,00 и 662,42 кэВ от толщины РЬ..........73

(толщина Cd 2 мм)................................................................................................................................73

Рисунок 3.14 - Зависимость скорости счета в пиках 208,00 и 662,42 кэВ от толщины кадмия и

свинца в комбинированном Pb-Cd -фильтре....................................................................................73

Рисунок 3.15 - Появление низкоэнергетических хвостов, вследствие радиационного

повреждения детектора нейтронами..................................................................................................74

Рисунок 3.16 - Коэффициент пропускания гамма-излучения в зависимости от материала........75

Рисунок 3.17 - Пик полного поглощения гама-излучения 239Ри с энергией 413,7 кэВ.................77

Рисунок 3.18 - Полное сечение взаимодействие нейтронов...........................................................78

Рисунок 3.19 - Гамма-спектрометрическая система для измерения изотопного состава в

контейнерах:.........................................................................................................................................79

Рисунок 4.1 - Средние значения результатов измерений массовой доли 239Ри для проб.............85

Рисунок 4.2 - Установка для сканирования контейнера по высоте:...............................................87

Рисунок 4.3 - Распределение 239Ри по высоте контейнера №1........................................................88

Рисунок 4.4 - Распределение 239Ри по высоте контейнера №2........................................................89

Рисунок 5.2 - Зависимость массовой доли 240Ри от 239Ри.................................................................93

Рисунок 5.3 - Корреляционная зависимость (5.2)............................................................................94

Рисунок 5.4 - Линейная корреляционная зависимость (отношение 238Pu/239Pu>0,014)................95

Рисунок 5.5 - Зависимость корреляционной прямой от времени хранения плутония.................96

Рисунок 6.1 - Бюкс для хранения и транспортировки проб диоксида плутония..........................99

Рисунок 6.2 - Кривая относительной эффективности, построенная программой FRAM

(образец массой 14,3 г, планарный детектор).................................................................................100

Рисунок 6.3 - Кривая относительной эффективности, построенная программой FRAM

(образец массой 3 кг, коаксиальный детектор)...............................................................................100

Рисунок 6.4 - Подгонка пиков в области 95-105 кэВ для пробы-1 (MGA)..................................109

Рисунок 6.5 - Подгонка пиков в области 95-105 кэВ для ГСО-4 (MGA).....................................109

Рисунок 6.6 - Конструкция герметичного контейнера:.................................................................110

Рисунок 6.7 - Гамма-спектр пробы и контейнера с диоксидом плутония...................................115

Рисунок 6.8 - Подгонка пиков в регионе 640 кэВ для СОП-7.......................................................120

Рисунок 6.9 - Регион 640 кэВ спектра от образца СОП-2.............................................................121

Рисунок 6.10 - Регион 640 кэВ спектра от образца СОП-8...........................................................121

Рисунок 6.11 - Подгонка гамма-пика 238Ри с энергией 1001 кэВ (СОП-8):.................................122

Рисунок 6.12- Неправильная подгонка фона в регионе 640 кэВ для образца СОП-8................123

Рисунок 6.13 - Подгонка фона в регионе 640 кэВ для образца СОП-8........................................123

Таблица 1.1 - Диапазон изменений изотопного состава плутония хранящегося на РТ-1............12

Таблица 1.2 - Изменение изотопного состава плутония в топливе в процессе выгорания для

ВВЭР-440 (без учета времени выдержки ОЯТ).................................................................................13

Таблица 2.1 - Характеристики распада изотопов плутония............................................................20

Таблица 2.2 - Основные гамма-пики 241Ри и 237U.............................................................................23

Таблица 2.3 - Гамма-излучение, используемое при измерениях изотопного состава плутония 26

Таблица 2.4 - Вклад гамма-излучения 239Pu, 240Ри и 241Ри в комплексе 160 кэВ ..........................29

Таблица 2.5 - Характеристики планарных детекторов ORTEC и CANBERRA ...........................35

Таблица 2.6 - Характеристики коаксиальных детекторов ORTEC и CANBERRA.......................42

Таблица 2.7 - Пороговые значения флюенса нейтронов для ОЧГ детекторов ORTEC...............43

Таблица 2.8 - Отклонения результатов анализа стандартных образцов программой MGA от

паспортных значений (D) ...................................................................................................................49

Таблица 2.9 - Систематическая погрешность результатов в зависимости от массы и изотопного

состава (FRAM, область анализа 200-800 кэВ).................................................................................50

Таблица 2.10 - Систематическая погрешность результатов анализа архивных данных (FRAM) 50 Таблица 2.11 - Погрешности измерений массовых долей изотопов плутония полученные на

гамма-спектрометре U-Pu InSpector 2000..........................................................................................52

Таблица 2.12 - Средние относительные отклонения и СКО (MGA)..............................................52

Таблица 2.13 - Погрешности, полученные при расчете изотопного состава с помощью

программы FRAM................................................................................................................................53

Таблица 2.14 - Сравнение результатов MGA и FRAM....................................................................54

Таблица 3.1 - Скорости счета и отношение пик/фон для планарных детекторов.........................57

Таблица 3.2 - Сравнение разрешения двух планарных детекторов................................................57

Таблица 3.3 - Скорость счета в зависимости от толщины кадмия ................................................59

Таблица 3.4 - Толщина «видимого» слоя для различных плотностей диоксида плутония в

зависимости от энергии гамма-излучения.........................................................................................60

Таблица 3.5 - Паспортные характеристики коаксиального ОЧГ детектора .................................62

Таблица 3.6 - Параметры трапецеидального формирования, эквивалентные гауссову

формированию.....................................................................................................................................63

Таблица 3.7 - Изменение значения БТ от ЯБ....................................................................................63

Таблица 3.8 -ПШПВ гамма-пиков 344,28 и 661,65 кэВ при различном ЯБ и количестве

источников............................................................................................................................................64

Таблица 3.9 - Скорость счета в пике 661,65 кэВ и мертвое время при различном Я5.................65

Таблица 3.10 - Зависимость ПШПВ и скорости счета в пике (Ы) от величины мертвого времени

(ОТ) для энергии 661,65 кэВ...............................................................................................................68

Таблица 3.11 - Влияние толщины Сс1 фильтра на скорости счета в пиках 208,00 и 662,42 кэВ.. 70 Таблица 3.12 - Зависимость скорости счета в пиках 208,00 и 662,42 кэВ от толщины РЬ при

толщине С(1 1 мм..................................................................................................................................72

Таблица 3.13 - Зависимость скорости счета в пиках 208,00 и 662,42 кэВ от толщины РЬ при

толщине Сс1 2 мм..................................................................................................................................73

Таблица 3.14 - Результаты обработки измеренных спектров.........................................................76

Таблица 3.15 - Отношение Пик/Фон для некоторых гамма-пиков в измеренных спектрах

диоксида плутония...............................................................................................................................78

Таблица 4.1 - Относительные отклонения от паспорта и СКО результатов измерений

партии № 1............................................................................................................................................82

Таблица 4.2 - Относительные отклонения от паспорта и СКО результатов измерений

партии № 2............................................................................................................................................83

Таблица 4.3 - Относительные отклонения от паспорта и СКО результатов измерений

партии № 3............................................................................................................................................83

Таблица 4.4 - Результаты оценки однородности в партиях.............................................................84

Таблица 4.5 - Результаты оценки однородности изотопного состава в контейнере.....................85

Таблица 4.6 - Результаты проверки оценки однородности продукта в контейнере.....................86

Таблица 4.7 - Сравнения отношений результатов измерений и паспортных данных

(контейнер №1).....................................................................................................................................88

Таблица 4.8 - Отношение результатов измерения изотопного состава плутония на

противоположных сторонах контейнера № 1 в зависимости от высоты........................................89

Таблица 4.9 - Сравнения отношений результатов измерений и паспортных данных

(контейнер № 2)....................................................................................................................................90

Таблица 5.1 - Вклад погрешности 242Ри в погрешность доли других изотопов плутония...........92

Таблица 5.2 - Отклонения отношений

242ри/239р

полученных по корреляционным формулам

(5.4) и (5.5), от паспортных данных...................................................................................................97

Таблица 5.3 - Характеристики корреляционных зависимостей......................................................97

Таблица 6.1 - Сравнение отношения пик/фон основных гамма-пиков для образцов разной

массы...................................................................................................................................................101

Таблица 6.2 - Характеристика используемого комплекта ГСО....................................................101

Таблица 6.3 - Относительная погрешность аттестованных значений массовых долей изотопов

плутония для комплекта ГСО...........................................................................................................102

Таблица 6.4 - Относительные СКО и средние относительные отклонения результатов MGA и

FRAM (планарный детектор)............................................................................................................103

Таблица 6.5 - Относительные СКО и средние относительные отклонения результатов MGA и

погрешности по методике ................................................................................................................104

Таблица 6.6 - Основные характеристики используемых наборов параметров для FRAM........105

Таблица 6.7 - Относительные СКО и средние относительные отклонения результатов FRAM

(коаксиальный детектор)...................................................................................................................106

Таблица 6.8 - Усредненные СКО и средние относительные отклонения для MGA и FRAM ... 107

Таблица 6.9 - Изотопные отношения для проб (масс-спектрометрия)........................................107

Таблица 6.10 - Относительная погрешность результатов однократного измерения изотопного

состава плутония на масс-спектрометре МИ 1201 для проб ........................................................108

Таблица 6.11 - Относительные СКО и средние относительные отклонения результатов

измерения изотопного состава в пробах (MGA).............................................................................108

Таблица 6.12 - Сравнение усредненных СКО и относительных отклонений для результатов

измерений трех проб с погрешностью методики [23] и масс-спектрометрии.............................108

Таблица 6.13 - Характеристики СОП .............................................................................................112

Таблица 6.14 - Относительные отклонения результатов анализа гамма-спектров программой

MGA v9.7 от паспорта.......................................................................................................................112

Таблица 6.15 - Некоторые метрологические характеристики результатов определения массовых

долей изотопов плутония с помощью программы MGA...............................................................114

Таблица 6.16 - Относительные отклонения результатов анализа гамма-спектров программой

FRAM v4.4 от паспорта (SC-42)........................................................................................................116

Таблица 6.17 - Относительные отклонения результатов анализа гамма-спектров программой

FRAM v4.4 от паспорта (ShCxWiderange2).....................................................................................117

Таблица 6.18 - Средние относительные отклонения результатов определения массовых долей изотопов плутония от паспорта и относительные СКО, полученные при обработке спектров

MGA и FRAM.....................................................................................................................................118

Таблица 6.19 - Отношение массовой доли 241 Am, рассчитанной по гамма-пикам 662,45 кэВ и 722,00 кэВ............................................................................................................................................120

Таблица 6.20 - Значения квантовых выходов гамма-излучений 241Ри в разных наборах

параметров FRAM..............................................................................................................................122

Таблица 6.21 - Средние относительные отклонения результатов определения массовых долей изотопов плутония от паспорта и относительные СКО, полученные при обработке спектров

FRAMhMGA.....................................................................................................................................124

Таблица 6.22 - Средние относительные отклонения результатов определения массовых долей изотопов плутония от паспорта и относительные СКО, полученные при обработке спектров

стандартным и модифицированным наборами параметров для FRAM.......................................124

Таблица 6.23 - Оцененные характеристики погрешности FRAM и MGA при определении

изотопного состава плутония в контейнерах, хранящихся на заводе РТ-1..................................129

Таблица 6.24 - Относительные отклонения результатов определения массовых долей изотопов

плутония по МВИ №223.0109/01.00258/2012 от аттестованных значений..................................130

Таблица 6.25 - Проверка приемлемости полученных результатов...............................................131

Таблица 7.1 - Сравнение погрешностей определения изотопного состава плутония с помощью

масс-спектрометра МИ 1201 и гамма-спектрометрических измерений (Р=0,95)........................132

Таблица 7.2 - Стоимость оборудования для измерения изотопного состава плутония.............135

Таблица 7.3 - Расчет амортизационных затрат приведенных на 1 измерение............................136

Таблица 7.4 - Оценка размера фонда оплаты труда.......................................................................136

Таблица 7.5 - Расчет затрат на оплату труда персонала на 1 измерение.....................................137

Таблица 7.6 - Итоговая смета затрат на 1 измерение.....................................................................137

Приложение А Спектры гамма-излучения от контейнеров с диоксидом плутония

1000000

100000

10000

юоо 450

Рисунок АЛ

1000000

100000

ш о

о jQ

с; >•

s о

5 Т

10000

1000

оо

100

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Энергия гамма-излучения, кэВ

241

750

800

850

900

950

1000

Рисунок А.2 - Гамма-спектр от контейнера с диоксидом плутония (массой ~3 кг; 6,2 г Ат /кг Ри) от переработки ОТВС ВВЭР-440

измеренный на коаксиальном ОЧГ детекторе с фильтром из 5 мм РЬ и 1 мм Сс1.

100000

ЧО

100

110 120 130 140 Энергия гамма-излучения, кэВ

200

Рисунок А.З - Гамма-спектр от контейнера с диоксидом плутония (массой ~3 кг; 80 г 241 Аш /кг Ри) от переработки ОТВС ВВЭР-440

измеренный на планарном ОЧГ детекторе с фильтром из 1 мм Сс1

100000

10000

m о

и

л

с; >■

с

S s о с;

U

s У

1000

100

о о

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Энергия гамма-излучения, кэВ

. 241

750

800

850

900

950

1000

Рисунок А.4 - Гамма-спектр от контейнера с диоксидом плутония (массой ~3 кг; 80 г Ат /кг Ри) от переработки ОТВС ВВЭР-440

измеренный на коаксиальном ОЧГ детекторе с фильтром из 5 мм РЬ и 1 мм Сс1

Приложение Б Систематическая ошибка анализа программы РИАМ

Таблица Б.1 — Систематическая ошибка анализа архивных данных от коаксиального детектора (область анализа 200-800 кэВ) [11]

Наименование файла Отношение: измеренное/декларированное Масса Ри в образце, г Скорость счета, кГц Время измерения, ч Изотопный состав (паспорт)

238ри 239Ри 240Ри 241Ри 238Ри 239Ри 240Ри 241Ри

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

18003СХ-2001 1,0629 1,0010 0,9721 1,0147 10,97 40 0,5 0,006 96,36 3,56 0,054

51с1|5о03_01 0,9894 1,0005 0,9863 1,0137 11 40 0,5 0,006 96,36 3,56 0,055

1803СХ8К 1,0384 1,0007 0,9820 1,0093 10,97 30 2 0,006 96,34 3,56 0,076

50С0АХ8К 1,0632 1,0003 0,9923 1,0071 100 30 2 0,006 96,34 3,56 0,078

92СОАХ8К 1,0006 0,9889 0,9987 10 30 2 0,008 94,63 5,26 0,084

86СОАХ8К 1,0009 0,9849 0,9983 10 30 2 0,010 94,26 5,60 0,106

ОАЬХЗО 0,9129 0,9998 1,0032 0,9995 398,2 30 1 0,009 93,92 5,86 0,176

САЬХЗОРВ 0,8995 1,0003 0,9962 0,9916 398,2 30 1 0,009 93,93 5,86 0,176

ЕиРи7СХ8 1,0652 0,9988 1,0180 1,0081 5 30 2 0,014 93,84 5,86 0,220

РиЕи730 0,9639 0,9997 1,0050 0,9943 2000 30 1 0,014 93,85 5,86 0,209

Ризи7РВ 0,9136 1,0005 0,9930 0,9917 2000 30 1 0,014 93,85 5,86 0,209

5ТОЕиРи7-2001 0,9896 0,9992 1,0119 1,0139 5 30 0,5 0,013 93,91 5,86 0,150

Ю01325 1,1419 0,9997 1,0047 0,9893 499,6 30 1 0,011 93,93 5,90 1,132

Л325РВ1 0,9341 1,0002 0,9977 0,9848 499,6 30 1 0,011 93,93 5,90 1,132

Л325РВ2 0,8667 1,0003 0,9957 0,9754 499,6 30 1 0,011 93,93 5,90 1,132

РШ1Е6-1-2001 1,0004 0,9943 1,0124 0,4 40 0,5 0,010 93,86 5,99 0,103

РШ6_1 1,0027 0,9578 1,0041 0,4 2,9 1 0,010 93,83 5,99 0,131

Продолжение таблицы Б. 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1806СХ8К 1,0618 0,9994 1,0089 1,0015 8,45 30 2 0,013 93,59 6,13 0,206

18006СХ-2001 1,0285 0,9991 1,0141 1,0111 8,4 40 0,5 0,013 93,65 6,13 0,145

8ТО830 1,0084 0,9999 1,0011 0,9981 239,5 30 1 0,009 93,55 6,30 0,116

8ТО8РВ 0,9839 1,0006 0,9920 0,9863 239,5 30 1 0,009 93,55 6,30 0,117

сЬпш93_01 1,1285 0,9999 1,0011 1,0026 0,6 40 0,5 0,010 93,53 6,31 0,110

93СОАХ8К 1,1781 1,0001 0,9983 0,9987 6 30 2 0,011 93,48 6,31 0,157

1809СХ8К 1,0269 0,9992 1,0109 0,9998 11,9 30 2 0,020 92,73 6,89 0,282

51<11ЗО09_01 1,0205 0,9958 1,0193 1,0049 12 40 0,5 0,019 92,81 6,90 0,202

18009СХ-2001 1,0347 0,9989 1,0143 1,0049 11,9 40 0,5 0,019 92,81 6,90 0,199

20118СХ8 0,9192 0,9992 1,0078 0,9989 2,5 30 2 0,025 90,49 9,01 0,374

РЮ62 0,8973 1,0008 0,9930 1,0025 0,4 3,2 1 0,021 89,48 10,11 0,293

804030 1,0576 0,9987 1,0092 0,9992 869 30 1 0,062 87,34 11,79 0,065

8Э4030РВ 0,9980 0,9989 1,0078 1,0000 869 30 1 0,062 87,34 11,79 0,065

Ю\ 19СХ8 0,9792 1,0008 0,9940 1,0020 2,5 30 2 0,036 87,42 11,80 0,578

18012С8К 0,9910 0,9973 1,0196 0,9998 20,2 30 2 0,055 87,24 11,84 0,645

18012СХ-2001 1,0222 0,9975 1,0184 1,0021 20,2 40 0,5 0,052 87,42 11,85 0,455

РШ6_3 1,0044 1,0019 0,9883 1,0012 0,4 3,2 1 0,044 84,88 14,19 0,655

РШ1Е6-3-2001 0,9915 0,9995 1,0029 1,0090 0,4 17 0,5 0,043 85,00 14,20 0,519

84СОАХ8К 1,0248 0,9983 1,0100 0,9971 6 30 2 0,067 84,61 14,24 0,724

сЬпт84_01 1,0163 0,9951 1,0291 0,9984 0,6 40 0,5 0,063 84,80 14,27 0,507

Окончание таблицы Б. 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12

18015С8К 1,0014 0,9964 1,0192 0,9964 12,3 30 2 0,160 82,54 15,48 1,103

з1СП5О15_01 1,0043 0,9957 1,0069 1,0021 12 40 0,5 0,152 82,82 15,52 0,794

18015СХ-2001 1,0050 0,9955 1,0239 0,9994 12,3 40 0,5 0,152 82,83 15,52 0,780

20121СХ8 0,9960 1,0001 0,9993 1,0042 2,5 30 2 0,053 82,21 16,53 0,853

ЬА0225РВ 1,0284 0,9970 1,0147 1,0027 868,8 30 1 0,058 82,25 16,53 0,809

ЬА022530 1,0315 0,9976 1,0119 1,0009 868,8 30 1 0,058 82,25 16,53 0,809

70СОАХ8К 0,9887 1,0038 0,9849 1,0022 6 30 2 0,812 74,57 18,60 3,904

сЬпт70_01 0,9911 0,9952 1,0202 0,9952 0,6 40 0,5 0,776 75,51 18,82 2,759

РГО64 1,0188 1,0016 0,9937 1,0006 0,4 6,5 1 0,102 78,24 19,89 1,204

РШ1Е65 1,0125 0,9998 1,0007 0,9982 0,4 15 1 0,123 76,46 21,36 1,352

РГО1Е6-5-2001 1,0321 0,9976 1,0083 1,0044 0,4 26 0,5 0,119 76,67 21,41 1,008

РЮ1Е66 0,9792 1,0107 0,9701 1,0074 0,4 28 1 0,884 67,65 24,34 3,499

61СОАХ8К 0,9816 1,0052 0,9870 1,0054 6 30 2 1,154 63,85 25,93 4,791

РГО1Е67 0,9715 1,0169 0,9582 1,0121 0,4 29 1 1,196 63,49 26,20 4,324

сЬпт61_01 0,9941 0,9997 1,0012 0,9978 0,6 40 0,5 1,105 64,83 26,31 3,398

РЮ1Е6-7-2001 0,9917 1,0116 0,9705 1,0123 0,4 40 0,5 1,116 64,08 26,43 3,482

Минимальное 0,8667 0,9951 0,9578 0,9754 0,006 63,49 3,56 0,054

Максимальное 1,1781 1,0169 1,0291 1,0147 1,196 96,36 26,43 4,791

Среднее 1,0049 1,0003 0,9999 1,0013 0,167 85,208 11,483 0,878

Относит. СКО, % 5,83 0,37 1,58 0,76

Примечание - Для ряда образцов не значения 238Ри. -- , -- - указано отношение для Ри, так как по мнению авторов [11] для них установлены недостоверные

Приложение В Методика МВИ 223.0109/01.00258/2012

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(НИЯУ «МИФИ»)

Государственная система обеспечения единства измерений

Диоксид плутония

Методика измерений массовой доли изотопов плутония в контейнере с диоксидом плутония гамма-спектрометрическим методам с применением программы F^f/4Лf 4.4

Э.Ф. Крючков

МВИ 223.0109/01.00258/2012

Апесюваиа

Федеральным государственным мин арным предприятием «Уральский па> чно-исследовательский институт ме1ро.ю1 ни» (ФГУП «УНИИМ»)

Pet истрационный номер в Информационном фонде по обеспечению единства измерении

Москва 2012 г.

Предисловие

СВЕДЕНИЯ О РАЗРАБОТКЕ

1 РАЗРАБОТАНА Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ «МИФИ»)

ИСПОЛНИТЕЛЬ: НИЯУ «МИФИ», телефоны [phone], [phone], 115409,г. Москва, Каширское шоссе, д.31.

Руководитель НИЯУ «МИФИ»: ректор М.Н. Стриханов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АТТЕСТАЦИИ

2 АТТЕСТОВАНА: Федеральным государственным унитарным предприятием «Уральский научно-исследовательский институт метрологии» (ФГУП «УНИИМ»).

Аттестат аккредитации в области обеспечения единства измерений на выполнение работ по аттестации методик (методов) измерений и проведения метрологической экспертизы документов № 01.00258-2011 от 29.06.2011 г., действителен до 28.06.2016 г.