CC BY
31
Краткие сообщения по физике ФИ АН помер 1-2, 1996 г.
УДК G12.014.4S2
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА МГНОВЕННЫХ НЕЙТРОНОВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ РАССЕЯННЫХ И СКРЫТНО ПЕРЕВОЗИМЫХ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ
А. В. Антонов, Б. А. Бенецкий1, А. А. Бергман1, Г. Б. Жданов, А. И. Исаков, А. В. Клячко1, В. И. Попов1, А. Е. Самсонов1, В. А. Тукарев
Дано экспериментальное обоснование и оценка чувствительности метода обнаружения делящихся материалов, основанного на облучении участков окружающей среды импульсным потоком замедленных нейтронов и регистрации быстрых вторичных нейтронов деления, с дискриминацией 7-фона по форме импульса сциптиллиционного спектрометра нейтронов.
Все возрастающее накопление отходов ядерной энергетики, аварийные выбросы ее предприятий в сочетании с последствиями испытаний ядерного оружия и стремлением неядерных держав к приобретению делящихся материалов определяют актуальность непрерывного совершенствования методики обнаружения скрытых и рассеянных делящихся материалов, повышения се чувствительности и надежности.
В работе [1] были изложены результаты разработки двух методов оперативного контроля наличия делящихся материалов в окружающей среде: по запаздывающим па десятки секунд вторичным нейтронам деления, а также по вторичным нейтронам от реакции (а, п) (в случае плутония). Чувствительность метода обнаружения делящихся веществ может быть существенно повышена при регистрации мгновенных быстрых нейтронов деления, возникающих при облучении среды импульсным источником тепловых нейтронов и отделяемых от фона гамма-квантов методом анализа формы импульсов от сцинтилляционного детектора.
'ГИД РФ "Институт ядерных исследований РАН".
помер 1-2, 1996 г.
Краткие, сообщения по физике ФИЛ II
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. СС - свинцовая сборка, ГП - графитовая призма, Д - датчик сциптилляционного спектрометра, С - борный счетчик тепловых нейтронов, М - борный счетчик-монитор, 1 - \ - места расположения образца, КII - контейнер с песком.
Для проведения эксперимента использовался импульсный источник нейтронов с энергией 14 МэВ из (/), Г)-реакции интенсивностью ~ 109с-1, который располагался внутри массивной свинцовой сборки спектрометра СВЗ [2]. Замедленные в свинце нейтроны инжектировались в графитовую призму (рис. 1), создавая у ее внешней поверхности поток тепловых нейтронов интенсивностью ~ 102 см~2с~г, регистрировавшийся нейтронным счетчиком типа СНМ-20. Длительность рабочего цикла нейтронного генератора составляла 6800 .икс; интенсивность тепловых нейтронов нарастала в начале периода, достигая максимума через 540 мке после импульса первичных дейтронов. Быстрых нейтронов от источника к этому моменту в призме уже не остается и, таким образом, если такие нейтроны будут зарегистрированы в интервале времени АТ = 544 — 6800 мке, их следует отнести к продуктам деления или фону.
Вблизи графитовой призмы помещался контейнер с песком массой 30 кг, модели-
Краткие сообщения по (физике ФИ АН
помер 1-2, 1996 г.
200
150
100
50
0
О 50 100 150 200 250
Номер канала
0.7 Е„, МэВ 5.5
Рис. 2. Типичные аппаратурные спектры мгновенных нейтронов деления с образцами урапа-235 (а) и плутония-239 (б). По вертикали - число импульсов в канале (время измерений около 7 .мин), по горизонтали - номера каналов (верхняя шкала) и диапазон энергий регистрируемых протонов отдачи (нижняя шкала).
ровавший исследуемый участок грунта (рис. 1). Между графитовой призмой и контейнером был размещен датчик ецнптнлляциоиного спектрометра - кристалл стильбсна размером <¿>40 х 40 .ил«3 и ФЭУ-143. Фотоумножитель был защищен от активации потоком тепловых нейтронов кольцами из смеси парафина с 6Ы2СО3. Образцы делящихся веществ в виде обогащенного урана-235 (12,35 г ЬТ2Оз) или плутония-239 (1,0 г РиО) располагались в различных позициях либо внутри контейнера с песком (на глубинах до 23,5 см), либо между ним и графитовой призмой. В некоторых сериях измерений позади контейнера располагался отражатель нейтронов - блок графита толщиной 10 см., не влиявший существенно, как было установлено, на результаты измерений. Длитель-
N
ЗС)
номер 1-2, 1996 г.
Краткие сообщения по физике ФИЛ К
ность измерений с каждым образцом определялась набором 2-105 импульсов монитора -борного счетчика типа СНМ-20, находившегося внутри свинцовой сборки, и составляла в разных сериях измерений 6-12 мин.
Мгновенные нейтроны деления регистрировались нейтронным спектрометром на линии с ЭВМ, позволяющим по форме сциитилляцнонного импульса отделять быстрые нейтроны от гамма-квантов. Порог регистрации нейтронов составлял около 0,8 М эВ, коэффициент подавления гамма-фона в интервале 0,8 - 5,5 МэВ не хуже 3-102. Счет событий был разрешен в течение указанного выше интервала времени Д7' и блокировался на остальное время цикла нейтронного генератора. Типичные аппаратурные спектры от быстрых нейтронов для образцов урана и плутония приведены па, рис. 2.
В области спектра 0,8 - 5,5 МэВ счет мгновенных нейтронов деления в 1,5 - 13 раз (в зависимости от глубины погружения образцов в песок) превышал фон, измерявшийся до и после измерений с исследуемыми образцами. Фон оставался практически неизменным при отсутствии образца, или его замене массивными образцами дюралюминия, стали, кобальта, помещавшимися на место исследуемых делящихся веществ.
Результаты одной из серий измерений с размещением образцов в*песке па глубине от трех до 24 см и па поверхности представлены в таблице 1. Приведен интегральный счет нейтронов в интервале энергий 0,8 - 5,5 МэВ. Приведенные ошибки - статистические.
Т а б л и ц а 1
Счет мгновенных нейтронов деления для образцов {/2О3 11 РиО в различных позициях (рис. 1)
Толщина Число зарегистриро- Эффект
Образец Позиция слоя песка, ванных импульсов за вычетом фона
. см с образцом фон
■и203 1 0 2348 187 2161 ± 50
2 3 1591 144 1447 ± 42
3 14 326 139 197 ± 22
4 24 215 139 76 ± 19
РиО 1 0 3562 243 3319 ± 62
2 3 614 139 475 ± 27
3 14 482 139 343 ± 25
4 24 382 139 243 ± 23
Краткие сообщения по физике ФИ А И
номер 1-2, 1996
Из анализа данных таблицы следует, что при экспрессных измерениях (до 10 мин) чувствительность к рассеянному на поверхности грунта или вблизи нее па малых глубинах делящемуся веществу составляет ~ 1 г/м2 для 235С/ и ~ Ю-1 г/м2 для 230Ри. Минимальные обнаруживаемые концентрации урана и плутония на глубинах грунта 15 - 25 см в условиях нашего эксперимента составляют, соответственно. ~ 10"'1 г/г и ~ 10~5 г/г.
Чувствительность метода может быть существенно повышена (до ~ 10~" — Ю-' г/г по урану и ~ Ю-' — Ю-8 г/г но плутонию) за счет 1) увеличения потока тепловых нейтронов; в частности, при использовании конвертора-замедлителя типа [3], даже при относительно малой интенсивности нейтронного генератора (10° и/с), можно получить поток тепловых нейтронов ~ 1,5 ■ 103 см'2с-1; 2) повышения эффективности регистрации нейтронов деления путем увеличения размеров или количества сцинтилляциоппых детекторов.
Для дальнейшего повышения чувствительности необходимо экранирование аппаратуры от нейтронной компоненты космических лучей.
Разработанная методика может применяться в целях экспрессного контроля за, содержанием делящихся материалов как в окружающей среде, так и в пунктах таможенного досмотра. Во всех случаях глубина зондирования не менее 30 сантиметров.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Андреев А. В. и др., Краткие сообщения по физике ФИАН, N 5 - 6. 3 (1995).
[2] Б е р г м а и А. А. и др.. Ядерные константы, вып. 7, 50 (1971).
[3] Андреев А. В. и др., Отчет ГИРЕДМЕТ Ан-536, Москва, 1985.
Поступила в редакцию 30 ноября 1995 г.
