Научная статья на тему 'Определение активности радиоактивных отходов в контейнере с помощью ксенонового гамма спектрометра'

Определение активности радиоактивных отходов в контейнере с помощью ксенонового гамма спектрометра Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
288
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИЯ / КСЕНОНОВЫЙ ГАММА СПЕКТРОМЕТР / АНАЛИЗ СПЕКТРОВ / ГАММА-ИСТОЧНИК / МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАММА СПЕКТРОВ / РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Пья С.Н., Власик К.Ф., Грачев В.М., Дмитренко В.В., Новиков А.С.

Приведено описание ксенонового гамма спектрометра (КГС) с чувствительным объемом 6 литров. Представлены физико-технические характеристики гамма спектрометра, полученные с использованием радиоактивных источников из набора образцовых стандартных спектрометрических гамма источников. Измерены гамма спектры от радиоактивных отходов, находящихся в контейнере объемом 3.4 м3 для твердых радиоактивных отходов, и получены активности изотопов. Проведено моделирование КГС с помощью метода Монте Карло с применением пакета GEANT4. Активности находились комбинированным методом анализа экспериментальных спектров и моделированных данных. Показано, что КГС имеет хорошие метрологические возможности для характеризации радиоактивных отходов, которая включает в себя идентификацию нуклидов и оценку их активности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Пья С.Н., Власик К.Ф., Грачев В.М., Дмитренко В.В., Новиков А.С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Определение активности радиоактивных отходов в контейнере с помощью ксенонового гамма спектрометра»

УДК 539.1.074.2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В КОНТЕЙНЕРЕ С ПОМОЩЬЮ КСЕНОНОВОГО

ГАММА СПЕКТРОМЕТРА

С. Н. Пья, К. Ф. Власик, В.М. Грачев, В. В. Дмитренко, А. С. Новиков, Д. В. Петренко, А. Е. Шустов, З.М. Утешев, С.Е. Улин, И. В. Чернышева

Приведено описание ксенонового гамма спектрометра (КГС) с чувствительным объемом 6 литров. Представлены физико-технические характеристики гамма спектрометра, полученные с использованием радиоактивных источников из набора образцовых стандартных спектрометрических гамма источников. Измерены гамма спектры от радиоактивных отходов, находящихся в контейнере объемом 3.4 м3 для твердых радиоактивных от,хо-дов, и получены активности изотопов. Проведено моделирование КГС с помощью метода Монте Карло с применением пакета GEANT4. Активности находились комбинированным методом анализа экспериментальных спектров и моделированных данных. Показано, что КГС имеет хорошие метрологические возможности для ха-рактеризации радиоактивных отходов, которая включает в себя идентификацию нуклидов и оценку их активности.

Ключевые слова: гамма-спектрометрия, ксеноновый гамма спектрометр, анализ спектров, гамма-источник, моделирование гамма спектров, радиоактивные отходы.

На предприятиях атомной промышленности, занимающихся демонтажем плутоний-урановых графитовых реакторов и других ядерно- и радиационно-опасных объектов возникает необходимость характеризации больших объемов радиоактивных отходов (РАО) различных типов. Одним из методов анализа является экспрессный неразруша-ющий контроль на базе гамма-спектрометров, обладающих высокой эффективностью регистрации гамма-квантов и энергетическим разрешением, радиационной стойкостью

НИЯУ МИФИ, Москва, Каширское шоссе, д. 31; e-mail: gypsy30@gmail.com.

и температурной стабильностью, имеющих высокую эксплуатационную надежность и простоту в использовании [1]. В наибольшей степени этими свойствами обладают ксе-ноновые гамма спектрометры (КГС), разрабатываемые в Радиационной лаборатории НИЯУ МИФИ. В данной статье представлены результаты исследований возможностей КГС с рабочим объемом 6 литров для решения задач характеризации РАО по гамма излучению радионуклидов [2, 3].

Ксеноновый гамма-спектрометр (КГС) изготовлен на основе импульсной цилиндрической ионизационной камеры с экранирующей сеткой [4]. Камера наполнена смесью (рабочее вещество) сжатого ксеноном с добавкой водорода, увеличивающего скорость дрейфа электронов в электрическом поле. Схема спектрометра представлена на рис. 1.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Рис. 1: Общая схема ксенонового гамма-спектрометра: 1 -разъем низковольтного питания; 2 - высоковольтный источник питания; 3 - зарядочувствительный усилитель; 4 - вентиль газового ввода; 5 - тефлоновый изолятор; 6 - фланец; 7 - метал-локерамический гермоввод; 8 - высоковольтный вход для экранирующей сетки; 9 -экранирующая сетка; 10 - виброзащитные керамические изоляторы; 11 - анод; 12 -металлическая нить с нулевым потенциалом; 13 - корпус (катод); 14 - опорный керамический изолятор; 15 - эллипсоидальная крышка.

Общие характеристики КГС: энергетический диапазон регистрируемых гамма-квантов - 0.05-4 МэВ; плотность ксенона - 0.31 г/см3; давление ксенона при 23 °С - 43 атм; чувствительный объем - 6000 см3; масса - 14.5 кг; диаметр катода, сетки и

анода - 117, 40 и 20 мм, соответственно; толщина стенки детектора - 3 мм и габариты - 012x76 см.

Рис. 2: Зависимость энергетического разрешения от энергии гамма-квантов.

На рис. 2 представлена зависимость энергетического разрешения КГС от энергии регистрируемых 7-квантов. Во время измерений образцовые спектрометрические гамма источники (ОСГИ) устанавливались на расстоянии 20 см от боковой поверхности КГС. На рис. 2 видно, что КГС обладает высоким энергетическим разрешением, которое составляет 2.5% для энергии гамма-квантов 662 кэВ, что в 3 раза лучше, чем энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора Ыа1(Т1).

На рис. 3 приведена измеренная с помощью АЦП и многоканального анализатора зависимость положения пика полного поглощения в гистограмме распределения амплитуд импульсов сигнала от энергии гамма-квантов. Отклонение измеренных значений от прямой линии не превышает 0.5% во всем рассматриваемом энергетическом диапазоне от 60 до 1332 кэВ, что демонстрирует хорошую линейность КГС, которая важна для идентификации РАО.

Моделирование КГС для задач характеризации РАО. Моделирование гамма спектрометра на основе сжатого ксенона для задач характеризации РАО в реальных условиях измерений проводились с применением пакета программ ОЕАКТ4 [5]. Моделирование физических процессов переноса 7-излучения в контейнере осуществлялось методом Монте-Карло. Он позволяет описать геометрию эксперимента любой сложности.

Рис. 3: Зависимость энергии гамма-квантов от положения пика полного поглощения.

Рис. 4: Сравнение моделируемого и экспериментального спектров для источника 60 Со.

Для проверки корректности виртуальной модели КГС проводился сравнительный анализ моделируемых и экспериментальных спектров, набранных от источников ОСГИ. На рис. 4 видно, что моделируемый спектр от источника ОСГИ 60Со с активностью 98.5 кБк достаточно хорошо согласуется с экспериментальным. Присутствует некоторое отличие в малых энергиях комптоновски рассеянных 7-квантов, обусловленное, по-видимому, взаимодействием излучения с окружающим спектрометр веществом.

Определение активности изотопов в контейнере. Для характеризации радиоактивных отходов при помощи КГС с объемом 6 литров проводились исследования в ФГУП "Горно-химический комбинат". Объектом исследований был контейнер размерами 215x215x77 см3 и массой содержимого 1300 кг. Толщина стальной стенки 8 мм. Контейнер был наполнен кусками стали, загрязненной радионуклидами 137Ся и 60Со.

Рис. 5: Фоновый и гамма спектры от контейнера.

На рис. 5 представлены спектры гамма излучения от контейнера, содержащего РАО с фоном и без фона. Измерения проводились с помощью КГС объёмом 6 литров на расстоянии 2.5 м от боковой поверхности контейнера. В спектре присутствуют пики с энергиями 662 (137Ся), 1174 и 1332 кэВ (60Со). Для нахождения активности радиоактивных изотопов использовался комбинированный метод определения активности РАО на основе сравнения экспериментальных спектров и спектров, моделированных как описано выше.

Для того, чтобы получить корректные значения активности радиоактивного содержимого контейнера, было проведено моделирование эксперимента по регистрации гамма излучения с помощью КГС. Расположение детектора и размеры контейнера совпадали с геометрией эксперимента. Моделирование было проведено в предположении, что вещество содержимого контейнера (сталь) было распределено равномерно по объему контейнера. Активность радиоактивного вещества (137С8 и 60 Со) в расчете была задана в размере 400 МБк (116.5 кБк/дм3) для каждого изотопа и носит изотропный характер. Полученные результаты представлены в таблице 1. Суммарный темп счета составляет

263 ± 16 имп/с под пиком 662 кэВ, 91 ± 8 имп/с под пиком 1174 кэВ и 84 ± 8 имп/с под пиком 1332 кэВ. Вычисление активности изотопов РАО проводились по формуле:

п

Е БЕ

Е _ лЫ 3

А = А

п

Е 3

3

АЕ - экспериментальная активность радионуклида в источнике; АЫ - моделируемая активность радионуклида в источнике; Б? - экспериментальная площадь под данным пиком полного поглощения; БЫ - площадь под данным пиком полного поглощения в моделируемом спектре.

Таблица 1

Результаты моделирования и измерения гамма-излучения от контейнера

Изотоп 137С8 60 Со

Энергия линии, кэВ 662 1173 1332

Интенсивность экспериментального пика, имп/с 1.50 1.18 0.88

Интенсивность моделируемого пика, имп/с 263 91 84

Моделируемая активность, МБк 400 400

Экспериментальная активность в контейнере рассчитанная по (1), МБк 2.28 4.71

Рассчитанная удельная активность изотопа в контейнере, кБк/кг 1.76 3.62

Суммарная активность содержимого контейнера составляет 6.99 МБк, что соответствует удельной активности 5.38 кБк/кг. Данный уровень активности контейнера относится к низкоактивным отходам.

Заключение. Проведено исследование образцов радиоактивных отходов, содержащихся в контейнере с помощью ксенонового гамма спектрометра объемом 6 литров. Измерения гамма спектров показали, что в контейнере размерами 215x215x77 см3 и массой содержимого 1300 кг присутствуют радиоактивные изотопы 137Ся и 60Со. Проведено моделирование ксенонового гамма спектрометра с целью определения активности объёмных радиоактивных источников, содержащихся в контейнере, по измеренным спектрам. По результатам анализа экспериментальных и моделируемых данных суммарная активность изотопов составила 6.99 МБк, что соответствует удельной активности 5.38 кБк/кг. Проделанные измерения позволяют сделать вывод о возможности использования КГС для решения задач характеризации РАО.

ЛИТЕРАТУРА

[1] A. S. Novikov, S. E. Ulin, et al., Opt. Eng. 53(2), 021108 (2014)

[2] К. Ф. Власик, В. М. Грачев и др., ПТЭ № 5, 114 (1999).

[3] В. В. Дмитренко, К. Ф. Власик, В. М. Грачев и др., ПТЭ № 4, 3 (2012).

[4] С. Е. Улин, В. В. Дмитренко и др., Вопросы электромеханики 114, 43 (2010).

[5] С. Н. Пья, В. М. Грачев и др., Краткие сообщения по физике ФИАН, № 9, 9 (2014).

Поступила в редакцию 25 июня 2015 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.