Патент на изобретение №2256963

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ МАССОВОЙ ДОЛИ ИЗОТОПА УРАН-235 В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА И СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к анализу ядерных материалов радиационными методами и предназначено для оперативного контроля обогащения гексафторида урана в газовых потоках изотопно-разделительного уранового производства. В способе контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, включающем измерение в выбранном временном интервале интенсивности гамма-излучения урана-235, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана в измерительной камере и последующую обработку усредненных результатов измерения расчетным путем, в измерительной камере создают проток гексафторида урана и измерения проводят во временном интервале, представленном набором временных отрезков, при этом рассчитывают средние значения интенсивности гамма-излучения, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана в каждом временном отрезке, а результаты измерений во временном интервале вычисляют как усредненные величины средних значений измерений во временных отрезках. Интенсивность гамма-излучения, температуру и давление при расчете текущего значения массовой доли изотопа уран-235 определяют через усредненные результаты измерений в идентичных временных интервалах при изменении текущего времени на величину, равную величине временного отрезка временного интервала; причем рассчитанное значение массовой доли изотопа уран-235 относят к текущему времени, приходящемуся на временной интервал измерения. Способ реализует система измерения, содержащая измерительную камеру с патрубками впуска и выпуска, блоком детектирования, датчиками температуры и давления, подсоединенную патрубком впуска к газовому коллектору гексафторида урана, контроллер со счетчиками электрических импульсов и анализатором гамма-спектра, адаптеры сигналов, внутреннюю информационную шину, блок сбора, управления и обработки информации. В контроллер дополнительно введены, по крайней мере, три дискриминатора и один таймер; входы дискриминаторов подсоединены к выходу детектора гамма-излучения, а выход каждого дискриминатора соединен с входом индивидуального счетчика электрических импульсов, второй вход которых соединен с выходом таймера; выход таймера адаптера соединен по магистрали информационного обмена с внутренней информационной шиной. Блок сбора, управления и обработки информации по внешней интерфейсной сети подключен к локальной вычислительной сети управления. Внедрение описанного выше способа контроля позволит оперативно реагировать на аварийные отклонения обогащения потоков гексафторида урана, сократить время перестройки конфигурации схемы завода при изменении обогащения сырьевого и товарного гексафторида урана и исключить наработку некондиционного продукта. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к анализу ядерных материалов радиационными методами и предназначено для оперативного контроля обогащения гексафторида урана в газовых потоках изотопно-разделительного уранового производства.

Под обогащением урана принято понимать либо атомную, либо массовую долю (концентрацию) изотопа уран-235 в смеси изотопов урана, выраженную в процентах. Непринципиальное различие между определениями несущественно для технологического контроля.

Способы контроля обогащения урана основаны на косвенных методах, где о содержании урана-235 судят по результатам измерения неких величин X_i, связанных с определяемой массовой долей C₅ заранее известным функциональным соотношением

Здесь X₁, Х₂, … – регистрируемые аналитические сигналы, а также физические константы или постоянные параметры (коэффициенты), характеризующие измерительную систему.

Например, для контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана известен масс-спектрометрический метод, применяемый в рутинных (серийных) и эталонных измерениях. Метод включает пробоотбор анализируемой изотопной смеси, ее пробоподготовку, ввод пробы в источник ионов масс-спектрометра, собственно регистрацию ионов в измерительной камере масс-спектрометра, обработку результатов измерений с выдачей результата [US №4514637 А, МПК 3 G 01 N 23/00, опубл. 30.04.1985] (аналог). Концентрация атомов или молекул в анализируемой пробе пропорциональна ионному току приемника ионов масс-спектрометра:

где I_i – регистрируемый ток i-го компонента смеси, A; C_i – концентрация i-го компонента смеси; – градуировочный коэффициент. Погрешность измерений изотопного состава урана колеблется от десятых до тысячных долей процента и зависит от серийности анализа. Общее время анализа составляет от десятков минут до нескольких часов и возрастает с повышением точности анализа.

Результаты измерений, представляющие собой текущее значение массовой доли урана-235 в фиксированный момент времени, получают периодически через значительный временной промежуток. По этой причине метод не применяют в массовом экспресс-контроле. В последнем случае предпочтителен радиационный контроль обогащения, основанный на измерении фотонного спектра (рентгеновского и гамма-излучений), присущего анализируемым изотопам урана.

Известен мониторинг обогащения газовой фазы гексафторида урана с использованием спектрометров на основе сцинтилляционных детекторов [Справочник по ядерной энерготехнологии: Ф. Ран и др. – М.: Энергоатомиздат, 1989, с.158] (аналог). Здесь концентрацию (или число атомов) урана-235 определяют путем измерения характеристического гамма-излучения, присущего данному изотопу (как правило, по основному аналитическому пику 185.7 кэВ гамма-спектра, сопровождающему естественный альфа-распад урана-235), а общее количество (или концентрацию) урана – по рентгеновской флуоресценции атомов урана при подсветке газовой фазы гексафторида урана гамма-излучением от внешнего источника (например, на основе изотопов америций-241 или селен-75). Приборы, регистрирующие гамма- и рентгеновское излучения, градуируют в единицах содержания определяемых элементов по результатам измерений эталонных образцов. Отношение двух концентраций дает массовую долю изотопа уран-235

где М_u235, М_uобщ, N_u235, N_uoбщ, С_u235, С_uобщ – соответственно атомная масса, число атомов и массовая концентрации изотопа урана-235 и общего урана в газовой фазе; I, I_p – скорость счета детектора основной аналитической линии спектра гамма- и рентгеновского излучений соответственно; b, q – градуировочные коэффициенты соответственно гамма- и рентген-каналов измерительной системы.

Измерительная система, реализующая мониторинг, включает две измерительные камеры с детекторами гамма- и рентген-каналов, в которые осуществляют напуск анализируемой пробы гексафторида урана. Сигналы от детекторов поступают на вход блока сбора и обработки информации для вычисления среднего значения интенсивности счета за временной интервал измерения и расчета массовой доли урана-235 по соотношению (3). На информационном выходе системы периодически получают результат, представляющий собой усредненную во временном интервале величину обогащения.

Временной интервал и погрешность измерения изотопного состава обратно пропорциональны средней скорости счета детекторов гамма- и рентген-каналов. Кроме того, скорость счета детектора в рентген-канале зависит от интенсивности гамма-источника. При концентрациях урана-235 1-5 маc.% результаты измерений с относительной погрешностью ±1 отн.% удается получить за 20-25 минут.

Для измерения изотопного обогащения урана также известны способ и устройство [US №4629600 А, МПК 4 G 21 С 17/06, опубл. 16.12.1986] (аналог), где с целью определения концентрации атомов общего урана измерительную камеру с газовой фазой гексафторида урана облучают фотонами энергией выше или ниже К-края атомного спектра урана и измеряют интенсивность излучения, прошедшего сквозь камеру. Вычисление обогащения гексафторида урана ведут в соответствии с (3) при одновременной регистрации основного аналитического пика урана-235.

Существенные недостатки аналогов – наличие внешнего радиоизотопного источника гамма-излучения, невозможность определения обогащения гексафторида урана в ходе перестройки конфигурации технологической схемы завода по причине возникающей большой погрешности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ контроля обогащения газообразного гексафторида урана ураном-235 [RU №2189612 С1, МПК 7 G 01 N 23/00, опубл. 20.09.2002], заключающийся в измерении от камеры с гексафторидом урана интенсивности гамма-излучения урана-235, где одновременно также измеряют давление и температуру гексафторида урана, а о содержании изотопа урана-235 в гексафториде урана судят по значению соотношения

Здесь I – интенсивность гамма-излучения урана-235; t – температура гексафторида урана в камере; p – давление гексафторида урана в камере; – градуировочная постоянная.

Способ реализует установка, содержащая алюминиевую цилиндрическую камеру с входным и выходным клапанами на патрубках напуска и выпуска гексафторида урана, детектор гамма-излучения урана-235 с анализатором импульсов, датчики измерения давления и температуры, соединенные через блок сбора данных с вычислительным комплексом. Блоком сбора данных (адаптером сигналов) осуществляется преобразование информации о давлении и температуре к виду, удобному для обработки в вычислительном комплексе.

Способ осуществляют следующим образом. Пробу гексафторида урана напускают из контролируемого объема (газового коллектора) каскадной установки до требуемого давления в предварительно подготовленную измерительную камеру. Камеру отсекают от патрубка напуска. Выдерживают для выравнивания температуры и давления. Включают детектор гамма-излучения урана-235. Измерение интенсивности гамма-излучения ведут по двум каналам. Первый канал настраивают на энергетическую линию 185,7 кэВ, второй канал – на регистрацию гамма-излучения в более высокоэнергетическом интервале с целью учета фоновой составляющей под пиком 185,7 кэВ. Одновременно измеряют и постоянно фиксируют значения температуры и давления гексафторида урана в измерительной камере. Вычисляют средние значения температуры и давления за весь период измерения интенсивности гамма-излучения. В вычислительном комплексе по формуле (4) рассчитывают значение концентрации урана-235. После окончания измерений гексафторид урана из измерительной камеры через выходной клапан по трассе выпуска сублимируют в баллон, охлаждаемый жидким азотом. Измерительная камера готова к новому циклу измерения. Постоянную в расчетном соотношении (4) определяют при начальной настройке измерительной системы путем проведения параллельных замеров аналогичной газовой пробы на масс-спектрометре.

Проверка способа показала, что ошибка в измерениях возрастает с уменьшением давления газовой фазы в измерительной камере.

Способ по сравнению с предыдущими аналогами, в принципе, позволяет более точно рассчитать обогащение гексафторида урана в нестационарных потоках газа, поскольку при замене в расчетном соотношении (4) параметра t на абсолютную температуру Т газовой фазы отношение р/Т уже однозначно определяет общее количество атомов урана в химически чистом гексафториде урана при любом изменении термодинамического состояния газовой фазы согласно известному закону для идеальных газов

где n_UF6 – концентрация молекул гексафторида урана в единице объема; V_изм – объем измерительной камеры; k – постоянная Больцмана. Из (5) общее число атомов урана в измеряемом объеме

и, объединив (3) и (5), приходим к новому соотношению

где ₁ – градуировочный коэффициент, определяемый при настройке прибора.

Этот способ контроля с расчетным соотношением (7) и реализующая его система измерения выбраны в качестве аналога-прототипа.

Недостаток способа-прототипа, как и прочих аналогов, заключается в том, что численные результаты контроля можно получать только через промежутки времени, превышающие величину временного интервала измерения. При приемлемой точности этот промежуток составляет 40-45 минут, включая время напуска изотопной газовой смеси в измерительную камеру, время выдержки для уравнивания температуры и давления и время последующего удаления гексафторида урана из камеры. Возможно, для контроля массовой доли урана-235 в газовых потоках со стационарной изотопной концентрацией это считается достаточным, но совершенно неприемлемо для технологического управления каскадными установками, отслеживания в режиме реального времени переходных процессов в каскаде или для оперативного реагирования на аварийные отклонения изотопной концентрации от установленных порогов.

Последние задачи особенно актуальны, поскольку изотопно-разделительная урановая промышленность в настоящее время работает над выполнением конкретных заказов, отличающихся по степени обогащения товарного продукта. Современные урановые заводы имеют технические возможности для перестройки конфигурации межкаскадных связей под различные задачи. При перестройке технологической схемы в межступенчатых, межкаскадных и отборных потоках возникают переходные процессы, сопровождающиеся кратковременным существенным изменением термодинамического состояния и текущего обогащения рабочей среды – газообразного гексафторида урана.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи отслеживания в режиме реального времени текущего значения массовой доли изотопа уран-235 в газовых потоках гексафторида урана с одновременным повышением точности измерения при переходных процессах.

В настоящее время на рынке нет предложения методик и систем измерения, способных обеспечить подобный технологический экспресс-контроль.

Указанные выше задачи решаются за счет того, что в способе контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, включающем измерение в выбранном временном интервале интенсивности гамма-излучения урана-235, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана в измерительной камере и последующую обработку усредненных результатов измерения расчетным путем, в измерительной камере создают проток гексафторида урана и измерения проводят во временном интервале, представленном набором временных отрезков, при этом рассчитывают средние значения интенсивности гамма-излучения, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана в каждом временном отрезке, а результаты измерений во временном интервале вычисляют как усредненные величины средних значений измерений во временных отрезках; интенсивность гамма-излучения, температуру и давление при расчете текущего значения массовой доли изотопа уран-235 определяют через усредненные результаты измерений в идентичных временных интервалах при изменении текущего времени на величину, равную величине временного отрезка временного интервала; причем рассчитанное значение массовой доли изотопа уран-235 относят к текущему времени, приходящемуся на временной интервал измерения.

Кроме того, поставленные задачи достигаются также тем, что рассчитанное значение массовой доли изотопа уран-235 относят к текущему времени, приходящемуся либо на срединную часть, либо на окончание или начало временного интервала; что выбранный временной интервал представляют набором равных временных отрезков; что величину временного интервала выбирают обратно пропорционально давлению газовой фазы в измерительной камере; что значения интенсивности гамма-излучения, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана определяют, по крайней мере, одновременно по двум выбранным временным интервалам; что величина временного интервала составляет от 100 до 2000 секунд; что величина временных отрезков составляет от 10 до 200 секунд; что, кроме того, периодически ведут сравнение рассчитанного значения массовой доли изотопа уран-235 с ее эталонным измерением; что расчетное соотношение для обработки усредненных результатов измерения расчетным путем корректируют таким образом, чтобы рассчитанное значение массовой доли изотопа уран-235 отклонялось от результата эталонного измерения на заранее заданную предельную величину; что предельная величина отклонения составляет ±1 отн.%; что в расчетном соотношении корректируют градуировочный коэффициент; что измерительную камеру подсоединяют параллельно газовому коллектору гексафторида урана, а в самом газовом коллекторе на участке подсоединения измерительной камеры устанавливают сужающее устройство, например диафрагму; что измерение интенсивности гамма-излучения определяют с учетом фоновой составляющей под основным аналитическим пиком, характеризующим естественный альфа-распад урана-235; что измерение интенсивности гамма-излучения ведут при автоподстройке под энергию основного аналитического пика, характеризующего естественный альфа-распад изотопа уран-235; что измерение интенсивности гамма-излучения ведется в энергетическом интервале 166-215 кзВ; что энергетический интервал измерения интенсивности гамма-излучения делится относительно энергии основного аналитического пика, характеризующего естественный альфа-распад уран-235, на два подканала; что измерение интенсивности гамма-излучения ведется в энергетических подканалах 166 -185,7 кэВ и 185,7-215 кэВ; что сигнал автоподстройки под энергию основного аналитического пика формируется по относительной разнице интенсивности гамма-излучения в подканалах.

Способ реализует система контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафториде урана, содержащая измерительную камеру с патрубками впуска и выпуска, блоком детектирования, датчиками температуры и давления, подсоединенную патрубком впуска к газовому коллектору гексафторида урана, контроллер со счетчиками электрических импульсов и анализатором гамма-спектра, адаптеры сигналов, внутреннюю информационную шину, блок сбора, управления и обработки информации, где в контроллер дополнительно введены, по крайней мере, три дискриминатора и один таймер; входы дискриминаторов подсоединены к выходу блока детектирования гамма-излучения, а выход каждого дискриминатора соединен с входом индивидуального счетчика электрических импульсов, соединенного вторым входом с выходом таймера; выходы таймера и адаптеров соединены по магистрали информационного обмена с внутренней информационной шиной; блок сбора, управления и обработки информации по внешней интерфейсной сети подключен к вычислительной сети управления.

Кроме того, система контроля дополнена также техническими решениями, заключающимися в том, что измерительная камера патрубком выпуска подсоединена к газовому коллектору гексафторида урана; что к локальной вычислительной сети управления по второй внешней интерфейсной сети подключен выходной канал эталонного измерителя массовой доли изотопа уран-235, например масс-спектрометра; что выход анализатора гамма-спектра контроллера подсоединен к входу блока детектирования, при этом блок детектирования по каналу информационного обмена дополнительно соединен с внутренней информационной шиной; что контроллер гамма-спектра выполнен в виде одноплатного спектрометрического устройства, содержащего, кроме того, схемотехнические решения для выполнения прецизионных спектрометрических измерений в виде усилительного тракта, преобразователя заряда импульсных сигналов в цифровой код, буферную память, схему интерфейса для управления параметрами, и подсоединенного через вход к выходу блока детектирования, одним выходом – к внутренней информационной шине, а другим – к блоку детектирования; что в газовом коллекторе между трассами впуска и выпуска измерительной камеры установлено сужающее устройство; что, кроме того, проводимость патрубка напуска измерительной камеры больше проводимости патрубка выпуска.

При анализе приведенных выше известных способов и систем контроля (см. аналоги), т.е. при анализе уровня развития техники контроля обогащения урана, не обнаружены способы с точно такой же совокупностью признаков, что позволяет авторам считать заявленный способ соответствующим критерию “новизна”.

Для специалиста по системам измерения обогащения урана явным образом не следует, что для решения приведенных выше задач в формулу изобретения, которая заявлена, нужно ввести именно приведенную выше совокупность отличительных признаков. В связи с этим авторы считают, что заявленный способ соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Основной отличительной особенностью способа является то, что все измерения ведут при непрерывном протоке гексафторида урана через измерительную камеру, а вычисление новых усредненных результатов измерения значений параметров газового потока в тождественных временных интервалах и последующая обработка результатов измерений проводится периодически через 10-200 секунд. При отнесении рассчитанной величины массовой доли изотопа уран-235 к реальному времени, приходящемуся на текущий временной интервал, например на его срединную часть (равнозначно, на окончание или начало временного интервала), данный период измерения равносилен непрерывному, учитывая некоторую инерционность газодинамических процессов в объеме полостей оборудования изотопно-разделительного производства.

Повышенное газонаполнение (давление) в измерительной камере, варьирование величиной измерительного временного интервала, выбор величины временного интервала обратно пропорционально давлению газовой фазы в измерительной камере, а также периодическая подстройка измерительной системы под показание эталонного измерителя обеспечивают практическое отсутствие появления систематической погрешности при контроле. Способ и система измерения уменьшают также вероятность появление при контроле случайной ошибки.

Наибольшая величина временного интервала в заявленном диапазоне 100-2000 секунд выбирается при постоянной величине массовой доли изотопа уран-235 в газовом потоке. При переходных процессах, например, когда кроме точности измерения важна оперативность контроля над концентрацией урана-235, величина временного интервала может быть уменьшена, или контроль может одновременно вестись в двух, существенно различающихся, интервалах. Подобным образом выбирается и величина временного отрезка из диапазона 10-200 секунд.

Оптимальные условия контроля над технологическим процессом обогащения гексафторида урана в каждом конкретном случае устанавливаются опытным путем.

На фиг.1 и 2 представлены реализующие способ блок-схемы системы контроля; на фиг.3-5 – временные диаграммы текущего изменения массовой доли изотопа уран-235 в гексафториде урана в отборном газовом коллекторе изотопно-разделительного уранового завода.

Система содержит измерительную камеру 1 с патрубками впуска 2 и выпуска 3, газовый коллектор 4 гексафторида урана каскадной установки с сужающим устройством 5, блок детектирования 6, датчики температуры 7 и давления 8 с адаптерами 9 и 10 соответственно, контроллер 11 с дискриминаторами 12-14, счетчиками электрических импульсов 15-17, анализатором гамма-спектра 18, таймером 19, внутреннюю информационную шину 20, блок сбора, управления и обработки информации 21, внешнюю интерфейсную сеть 22, локальную вычислительную сеть 23 управления обогатительным каскадом, к которой по внешней интерфейсной сети 24 подключен эталонный измеритель массовой доли 25 (масс-спектрометр).

В системе измерения (см. фиг.2) контроллер 11 с блоками 12-19 выполнен в виде одноплатного спектрометрического устройства 26.

Способ контроля осуществляют следующим образом. Измерительную камеру 1 через патрубки 2 и 3 подключают параллельно участку газового коллектора 4 отборной линии обогащенного гексафторида урана каскада изотопно-разделительного завода. Внутри коллектора 4 на участке между патрубками 2 и 3 устанавливают сужающее устройство 5 в виде диафрагмы и за счет образующегося перепада давления газового потока создают непрерывный отбор гексафторида урана в измерительную камеру с впуском через патрубок 2 и выпуском по патрубку 3. Поскольку проводимость патрубка 2 больше проводимости патрубка 3, постольку давление газовой фазы в измерительной камере мало отличается от ее давления в коллекторе 4 гексафторида урана.

Внутри камеры 1 установлены блок детектирования 6 на основе кристалла Nal(TI) с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ-49), цифровой микроманометр МЦ2 7 и термопреобразователь сопротивления платиновый 8. Блок детектирования регистрирует гамма-спектр фотонного излучения изотопа уран-235 и его дочерних изотопов, образующихся по цепочке радиоактивного распада и присутствующих как в гексафториде урана, так и в составе коррозионных отложений на стенках измерительной камеры. На выходе блока формируется сигнал в виде электрических импульсов с амплитудой, пропорциональной энергии гамма-квантов, поступающий затем на вход дискриминаторов 12, 13, 14 контроллера 11.

На дискриминаторах проводится выборка гамма-квантов по энергиям. В частности, на дискриминаторе 12 идет выборка с энергией 320-380 кэВ для определения фоновой составляющей под основным аналитическим пиком 185,7 кэВ. Количество импульсов подсчитывается на счетчике 15. Дискриминаторы 13 и 14 предназначены для определения интенсивности энергетической линии 185,7 кэВ. Здесь ведется выборка гамма-квантов с энергией 166-215 кэВ, при этом энергетический интервал делится относительно линии 185,7 кзВ на два подканала – 166-185,7 кэВ и 185,7-215 кэВ. Выборка квантов с энергией 160-185,7 кэВ проводится на дискриминаторе 13, а их количество подсчитывается на счетчике 16. На дискриминаторе 14 производится выборка квантов с энергией 185,7-215 кэВ, а их количество подсчитывается на счетчике 17. На анализаторе 18 идет сравнение количества квантов, подсчитанных на счетчиках 16 и 17, и по относительной разнице счета формируется сигнал автоподстройки ФЭУ блока б на энергию 185,7 кэВ.

Подсчет количества квантов на счетчиках 15-17 ведется в течение заданного временного отрезка 10-200 секунд, который алгоритмически вычисляется в блоке сбора, управления и обработки информации 21 как кратный заданному временному интервалу измерения 100-2000 секунд. В этом же временном отрезке в блоке 21 идет накопление информации о давлении и температуре гексафторида урана в измерительной камере 1. Информация о величинах последних поступает в блок 21 с датчиков давления 7 и температуры 8 через адаптеры 9 и 10.

Задание длительности временного отрезка измерения выполняется занесением информации о нем в таймер 19. По окончании времени отрезка таймер вырабатывает сигнал, который по внутренней информационной шине 20 подается в блок сбора, управления и обработки информации. По сигналу окончания заданного временного отрезка количество квантов, подсчитанное на счетчиках 15-17, по шине 20 передается в блок 21. При этом счетчики обнуляются, а на таймере задается следующий временной отрезок из интервала 10-200 секунд.

В блоке сбора, управления и обработки информации накапливается информация о скорости счета квантов, изменении давления и температуры гексафторида урана в измерительной камере за временной интервал 100-2000 секунд. Одновременно со сбором информации в режиме реального времени проводится расчет массовой доли урана-235 по формуле (7). Рассчитанное значение по внешней интерфейсной сети 22 передается в базу данных локальной вычислительной сети 23 управления каскадной установкой. В эту же базу данных по внешней интерфейсной сети 24 передается информация об эталонном значении массовой доли изотопа урана-235 в потоке гексафторида урана, полученной по результатам периодических измерений на масс-спектрометре 25, и информация о текущем времени отбора пробы в масс-спектрометр. На рабочей станции сети 23 периодически (не чаще один раз в 30 суток) определяется рассогласование рассчитанной по формуле (7) величины с результатами эталонного измерения. Если рассогласование становится больше установленного предельного отклонения (± 1 отн.%), то на рабочей станции сети 23 для согласования двух результатов пересчитывается градуировочный коэффициент ₁, входящий в расчетную формулу (7). По внешней интерфейсной сети 22 значение скорректированного коэффициента ₁ отправляется в блок 21 сбора, управления и обработки информации.

На информационном выходе блока 20 каждые 10-200 секунд получают сигнал о величине массовой доли изотопа уран-235 в отборном коллекторе уранового завода (см. фиг.3-5).

В системе измерения (см. фиг.2) одноплатное спектрометрическое устройство 26, в виде которого реализован контроллер гамма-спектра, содержит в себе все необходимые схемотехнические решения для выполнения прецизионных спектрометрических измерений, включая двухдиапазонный высоковольтный источник напряжения для блока детектирования 6, спектрометрический усилитель с времязависящими цепями формирования сигнала, ключевой восстановитель базовой линии, режектор наложений, аналогово-цифровой преобразователь с фиксированным временем преобразования, буферную память, схемы интерфейса для управления параметрами и устройства доступа к внутренней интерфейсной шине 20.

На фиг.3 в качестве конкретного примера приведено зарегистрированное предложенным способом изменение массовой доли изотопа уран-235 в период перестройки конфигурации схемы уранового завода с обогащения 3,8% товарного продукта на обогащение 4,5% (сплошная линия). Здесь же нанесены результаты эталонного масс-спектрометрического измерения обогащения гексафторида урана (точки с маркерами массовой доли изотопа уран-235), которые передаются на рабочую станцию локальной вычислительной сети управления каскадом с интервалом в два часа. Из представленной диаграммы видно, что расхождения с результатами эталонного измерения составляют не более ±1 отн.% от абсолютной величины обогащения. Причем в период переходных процессов отборы проб на масс-спектрометр, как правило, не проводятся, поскольку данные измерений устаревают быстрее, чем длится временной период обработки информации в эталонном измерителе. Система измерений зафиксировала наличие колебательных процессов в изменении концентрации урана-235 в отборном коллекторе при перестройке конфигурации схемы завода, которые ранее известными способами контроля не отмечались.

На фиг.4 приведены результаты измерения изменения обогащения гексафторида урана при перестройке схемы завода с наработки энергетического урана обогащением 4,5 мас.% на выработку 1,5%-ного. Практическая работа с системой измерения в переходных процессах показала (см. фиг.4), что управление каскадной установкой по результатам контроля массовой доли изотопа уран-235 в отборном коллекторе предложенным способом позволяет сократить время перестройки конфигурации завода и исключить выход обогащения гексафторида урана за требуемые пределы концентрации.

На фиг.5 показано изменение обогащения 27 и 28 гексафторида урана в газовом коллекторе по результатам измерения параметров газовой фазы одновременно в двух временных интервалах.

Внедрение описанного выше способа контроля позволит оперативно реагировать на аварийные отклонения обогащения потоков гексафторида урана, сократить время перестройки конфигурации схемы завода при изменении обогащения сырьевого и товарного гексафторида урана и исключить наработку некондиционного продукта.

Формула изобретения

1. Способ контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, включающий измерение в выбранном временном интервале интенсивности гамма-излучения урана-235, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана в измерительной камере и последующую обработку усредненных результатов измерения расчетным путем, отличающийся тем, что в измерительной камере создают проток гексафторида урана и измерения проводят во временном интервале, представленном набором временных отрезков, при этом рассчитывают средние значения интенсивности гамма-излучения, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана в каждом временном отрезке, а результаты измерений во временном интервале вычисляют как усредненные величины средних значений измерений во временных отрезках; интенсивность гамма-излучения, температуру и давление при расчете текущего значения массовой доли изотопа уран-235 определяют через усредненные результаты измерений в идентичных временных интервалах при изменении текущего времени на величину, равную величине временного отрезка временного интервала, причем рассчитанное значение массовой доли изотопа уран-235 относят к текущему времени, приходящемуся на временной интервал измерения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассчитанное значение массовой доли изотопа уран-235 относят к текущему времени, приходящемуся либо на срединную часть, либо на окончание или начало временного интервала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбранный временной интервал представляют набором равных временных отрезков.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину временного интервала выбирают обратно пропорционально давлению газовой фазы в измерительной камере.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения интенсивности гамма-излучения, температуры и давления газовой фазы гексафторида урана определяют, по крайней мере, одновременно по двум выбранным временным интервалам.

6. Способ по п.1, или 4, или 5, отличающийся тем, что величина временного интервала составляет от 100 до 2000 с.

7. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что величина временных отрезков составляет от 10 до 200 с.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодически ведут сравнение рассчитанного значения массовой доли изотопа уран-235 с ее эталонным измерением.

9. Способ по п.1 или 8, отличающийся тем, что расчетное соотношение для обработки усредненных результатов измерения расчетным путем, включающее средние значения интенсивности гамма-излучения, температуры, давления и градуировочный коэффициент, корректируют таким образом, чтобы рассчитанное значение массовой доли изотопа уран-235 отклонялось от результата эталонного измерения на заранее заданную предельную величину.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что предельная величина отклонения составляет ±1% отн.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что в расчетном соотношении корректируют градуировочный коэффициент.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерительную камеру подсоединяют параллельно газовому коллектору гексафторида урана, а в самом газовом коллекторе на участке подсоединения измерительной камеры устанавливают сужающее устройство, например диафрагму.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение интенсивности гамма-излучения определяют с учетом фоновой составляющей под основным аналитическим пиком, характеризующим естественный альфа-распад урана-235.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение интенсивности гамма-излучения ведут при автоподстройке под энергию основного аналитического пика, характеризующего естественный альфа-распад изотопа уран-235.

15. Способ по п.1 или 14, отличающийся тем, что измерение интенсивности гамма-излучения ведется в энергетическом интервале 166-215 кэВ.

16. Способ по п.1 или 15, отличающийся тем, что энергетический интервал измерения интенсивности гамма-излучения делится относительно энергии основного аналитического пика, характеризующего естественный альфа-распад урана-235, на два подканала.

17. Способ по п.1 или 16, отличающийся тем, что измерение интенсивности гамма-излучения ведется в энергетических подканалах 166-185,7 кэВ и 185,7-215 кэВ.

18. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что сигнал автоподстройки под энергию основного аналитического пика формируется по относительной разнице интенсивности гамма-излучения в подканалах.

19. Система измерения для контроля массовой доли изотопа уран-235 в газовой фазе гексафторида урана, содержащая измерительную камеру с патрубками впуска и выпуска, блоком детектирования, датчиками температуры и давления, подсоединенную патрубком впуска к газовому коллектору гексафторида урана, контроллер со счетчиками электрических импульсов и анализатором гамма-спектра, адаптеры сигналов, внутреннюю информационную шину, блок сбора, управления и обработки информации, отличающаяся тем, что в контроллер дополнительно введены, по крайней мере, три дискриминатора и один таймер, входы дискриминаторов подсоединены к выходу блока детектирования, а выход каждого дискриминатора соединен с входом индивидуального счетчика электрических импульсов, соединенного вторым входом с выходом таймера, выходы таймера и адаптеров соединены по магистрали информационного обмена с внутренней информационной шиной, блок сбора, управления и обработки информации по внешней интерфейсной сети подключен к вычислительной сети управления.

20. Система измерения по п.19, отличающаяся тем, что измерительная камера патрубком выпуска подсоединена к газовому коллектору гексафторида урана.

21. Система измерения по п.19, отличающаяся тем, что к локальной вычислительной сети управления по второй внешней интерфейсной сети подключен выходной канал эталонного измерителя массовой доли изотопа уран-235, например масс-спектрометра.

22. Система измерения по п.19, отличающаяся тем, что выход анализатора гамма-спектра адаптера подсоединен к входу блока детектирования, при этом блок детектирования по каналу информационного обмена дополнительно соединен с внутренней информационной шиной.

23. Система измерения по п.19, отличающаяся тем, что контроллер гамма-спектра выполнен в виде одноплатного спектрометрического устройства, содержащего, кроме того, схемотехнические решения для выполнения прецизионных спектрометрических измерений в виде усилительного тракта, преобразователя заряда импульсных сигналов в цифровой код, буферную память, схему интерфейса для управления параметрами и подсоединенного через вход к выходу блока детектирования, одним выходом – к внутренней информационной шине, а другим – к блоку детектирования.

24. Система измерения по п.19 или 20, отличающаяся тем, что проводимость патрубка впуска измерительной камеры больше проводимости патрубка выпуска.

РИСУНКИ

PD4A – Изменение наименования обладателя патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:

Открытое акционерное общество «Сибирский химический комбинат» (RU)

Адрес для переписки:

636039, Томская обл., г. Северск, ул. Курчатова, 1, ОАО «СХК»

Извещение опубликовано: 20.08.2009 БИ: 23/2009