презентация 4х3 улыбкин_18.10.2017

РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПТОНОВСКОГО ДПЗ
С ЭМИТТЕРОМ ИЗ ГАФНИЯ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ
НЕЙТРОНАМИ И γ-КВАНТАМИ
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Институт физики твёрдого
тела, материаловедения и технологий, 61108, Харьков, Украина a.ulybkin@gmail.com
Улыбкин А.Л., Шиляев Б.А., Рыбка А.В., Шляхов И.Н., Ковтун К.В., Кутний В.Е., Пудов А.О.

ПЕРСПЕКТИВЫ В ИЗМЕНЕНИЯХ УСЛОВИЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕАКТОРОВ
Радиационные характеристики комптоновского ДПЗ с эмиттером из гафния при облучении нейтронами и γ-квантами.
Улыбкин А.Л., Шиляев Б.А., Рыбка А.В., Шляхов И.Н., Ковтун К.В., Кутний В.Е., Пудов А.О. ННЦ ХФТИ, ИФТТМТ. Харьков. Украина. 1
Для украинской атомной энергетики в качестве
вариантов решения задачи более эффективной
эксплуатации ядерных реакторов предполагаются
изменения условий работы в части:
 Увеличения длительности топливных кампаний
 Повышения уровня выгорания топлива
 Уменьшения неоднородности профиля
энерговыделения
Всё это ставит под вопрос применимость
существующих систем контроля и управления
активной зоны.
Без развития контрольно-измерительной базы
дальнейшее продвижение невозможно.

ЗАДАЧИ
Улыбкин А.Л., Шиляев Б.А., Рыбка А.В., Шляхов И.Н., Ковтун К.В., Кутний В.Е., Пудов А.О. ННЦ ХФТИ, ИФТТМТ. Харьков. Украина.
Разработка комптоновского ДПЗ
с эмиттером из металлического гафния
1
Расчёт потока электронов, образующихся
в детекторе
2
Исследование рабочего ресурса гафния
при взаимодействии с тепловыми
и резонансными нейтронами АЗ реактора
3
Экспериментальная проверка детектора4
2

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДПЗ
Улыбкин А.Л., Шиляев Б.А., Рыбка А.В., Шляхов И.Н., Ковтун К.В., Кутний В.Е., Пудов А.О. ННЦ ХФТИ, ИФТТМТ. Харьков. Украина.
Схема электронно-эмиссионного
ДПЗ: 1 - эмиттер,
2 – изолятор,3 – коллектор
4 – измеритель тока
3
𝐇𝐟𝒊+n → 𝐇𝐟𝒋
∗ Захват нейтрона в реакции (n,γ)
и образование составного ядра
𝐇𝐟𝒋
∗
→ 𝐇𝐟𝒋+γ Разрядка составного ядра
посредством излучения γ–кванта(-ов)
Взаимодействие
γ–квантов
с атомами
материалов
детектора [1]

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДПЗ
Схема распада
возбуждённого состояния
составного ядра 179Hf
(пунктир) из реакции
захвата нейтрона изотопом
178Hf: 72
178
𝐇𝐟 + 0
1
𝐧 → 72
179
𝐇𝐟∗ [2]
Мгновенное (красный)
и запаздывающее (синий)
γ–излучение при делении ядер
топлива

РАСЧЁТ ПОТОКА γ-КВАНТОВ
Поток γ-квантов φγ(t) из эмиттера (Hf)
определяется:
 количеством атомов N гафния и его изотопным
составом
 cечениями σi радиационного захвата нейтронов
атомами изотопов
 cредним числом γ-квантов ki, которые
испускаются составным ядром, образовавшимся
при захвате нейтрона i-м изотопом гафния.
 γ Н i i i
i
φ (t) = Φ σ N (t) k

РАСЧЁТ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ
Поток электронов, образуемых при
поглощении γ-квантов в материале ДПЗ
равен
 e   Ф Кγ Пφ(t) = φ (t) μ + μ + μ ρ x
μi – массовые коэффициенты поглощения
γ-квантов [см2/г];
ρ – массовая плотность материала [г/см3];
x – толщина материала [см].

РАДИАЦИОННЫЙ ПЕРЕДЕЛ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА Hf
Упрощённая схема
превращений изотопов Hf
в потоке тепловых
и резонансных нейтронов [3]
Изменение изотопного
состава гафния в потоке
нейтронов АЗ ВВЭР-1000.
Изотопы с большими
значениями cечений σi
и резонансных интегралов
Ii выгорают быстрее

СПОСОБНОСТЬ ГАФНИЯ ПОГЛОЩАТЬ НЕЙТРОНЫ
Накопление 181,182,183Ta и 182,183,184W влияет на способность
материала эмиттера поглощать нейтроны
(γ = 0,05;0,1;0,2;0,5 – расчёт из работы [4]).
Σ(t)=σi•Ni – макроскопическое сечение захвата нейтронов [5]

АТОМЫ-ПРОДУКТЫ В МАТЕРИАЛЕ ЭМИТТЕРА
Генерация атомов-продуктов трансмутации
в природном гафнии при облучении нейтронами
в АЗ ВВЭР-1000 [6]

ИСПЫТАНИЕ МАКЕТА ДЕТЕКТОРА
 Имитационные испытания показали работоспособность
детектора в режиме монитора вторичной эмиссии
 Облучение проводилось в поле тормозного излучения
ускорителя электронов
 Уровень полученного сигнала хорошо согласуется
с расчётным значением:
≈80 мкА (расчёт) и ≈20 мкА (эксперимент)
Схема облучения
макета комптоновского
ДПЗ с эмиттером
из металлического
гафния

ВЫВОДЫ
Использование гафния в системах контроля
и управления АЗ реактора является перспективным
в качестве материала регулирующих стержней
и эмиттеров комптоновских ДПЗ
Перетекание изотопов гафния друг в друга
и компенсация поглощающих свойств за счёт
накопления трансмутантов (W и Ta) положительно
сказываются на работоспособности и сроке службы
детекторов и управляющих стержней
Имитационные испытания макета комптоновского
детектора с эмиттером из металлического гафния
показали хорошее согласие полученного значения
токового сигнала с расчётным

ЛИТЕРАТУРА
1. К.Н. Мухин. Экспериментальная ядерная физика. Т. 1. Физика атомного ядра. М.,
Энергоатомиздат, 1983.
2. Ядерные данные: Сборник результатов измерений гамма-излучения, возникающего при
захвате тепловых нейтронов. Часть III от Z = 68 до Z = 94 (от Er до Pu). М.: «Атомиздат», 1970,
431 с.
3. Н.Г. Гусев, П.П. Дмитриев, Радиоактивные цепочки. Справочник. –М., Атомиздат, 1978.
– 88 с.
4. А.Д. Галанин. Введение в теорию ядерных реакторов на тепловых нейтронах. – М.,
Энергоатомиздат. 1984. – 416 с.
5. 4. Ю.В. Стогов. Основы нейтронной физики: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008, 204 с
6. Основы разработки нового комптоновского детектора нейтронов прямого заряда для
активной зоны ядерного реактора ВВЭР-1000: Препринт ХФТИ 2017-2 / Б.А. Шиляев, А.Л.
Улыбкин, А.В. Рыбка, В.Е. Кутний, К.В. Ковтун. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2017. - 45 с
7. Ю.И. Володько, Ю.В. Гарусов, О.К. Егоров и др., Испытания комптоновских
детекторов нейтронов с эмиттером, содержащим гафний в реакторах РБМК. – Атомная
энергия. т. 62, вып. 6 (1967) 407–409.
8. Г. Кесслер. Ядерная энергетика. М.: «Энергоатомиздат», 1986.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!

МГНОВЕННЫЕ И ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ γ-КВАНТЫ
Улыбкин А.Л., Шиляев Б.А., Рыбка А.В., Шляхов И.Н., Ковтун К.В., Кутний В.Е., Пудов А.О. ННЦ ХФТИ, ИФТТМТ. Харьков. Украина. +1

ЗАДЕРЖКА СИГНАЛА АКТИВАЦИОННОГО ДПЗ
 образование γ γσ + γIλ = Φ
 1 2- -
0
= e - eλ t λ t1
2 1
N λ
N λ - λраспад 1 2ln2= Tλ
 
  
  
   
1 2 2
2 3 1
1
0 2 1 0,
-λ t -λ t -λ t
Φ Φ Φ
N λ N
= e - e + e
N λ - λ N
 
2 3,
  
  
   
1 2 2
1
1
0 2 1 0
-λ t -λ t -λ t
Φ Φ Φ
N λ N
= e - e + e
N λ - λ N



1 1 1
2 1 1 2 2
d = - d
d = - d - d
N λ N t
N λ N t λ N t

МГНОВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ КОМПТОНОВСКОГО ДПЗ
Сигналы комптоновского и активационного ДПЗ при погружении
регулирующего стержня и последующего его извлечения.
1 – сигнал комптоновского детектора с эмиттером из HfO2
2 – сигнал активационного детектора [7]

РЕЗОНАНСЫ ИЗОТОПОВ ГАФНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКА
ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ
Пространственное распределение
потока тепловых нейтронов Φ(𝒓) в
активной зоне реактора PWR с
частично погружёнными стержнями-
поглотителями нейтронов:
1 – элементарная ячейка активной
зоны; 2 – ячейка ТВС [8].

СХЕМА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ИЗОТОПОВ
ГАФНИЯ В ПОТОКЕ НЕЙТРОНОВ АЗ ВВЭР-1000

СХЕМА ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ В СРЕДЕ С ЗАМЕДЛИТЕЛЕМ

РАССЕЯНИЕ γ–КВАНТОВ В ВЕЩЕСТВЕ
Зависимость полного сечения γ-
квантов от их энергии для свинца
и алюминия [1].
Например, для Pb:
Eγ < 0,5 МэВ – фотоэффект
0,5 < Eγ < 5 МэВ – эффект
Комптона
Eγ > 5 МэВ – образование
пар e-–e+

презентация 4х3 улыбкин_18.10.2017

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Plus de Ukrainian Nuclear Society

Plus de Ukrainian Nuclear Society (20)

презентация 4х3 улыбкин_18.10.2017