一种UF6大罐中铀质量的核实测量装置和方法与流程

本发明属于放射性物质检测技术领域，涉及一种uf6大罐中铀质量的核实测量装置和方法。

背景技术

uf6是一种重要的核材料，它既可用于核能的和平利用，也可用于制造核武器和核爆炸装置，因而成为国际核保障监督、核军备控制及国家核材料管制的主要监控对象。

核材料的核实测量技术是有效实施核保障监督、核材料管制的重要技术手段，目的是及时和准确地获知核材料的种类、数量、同位素组成/丰度等信息，从而实现对核材料的有效管控。uf6是核燃料循环中最为重要的核材料之一，是生产核燃料的关键材料。因此，研究uf6的核实测量技术对于加强核不扩散和核保障监督，有效实施国家核材料管制，确保核材料申报的完整性和正确性具有重要的现实意义和实际应用价值。

绝大多数uf6均贮存于标准的钢制容器中，据报道全球约有10万个uf6大罐，每年处于运输中的uf6大罐就有两万多个(每个罐装两吨低浓uf6)。对这些大罐中的uf6进行核实显得尤为重要。

公开资料显示，目前，国际原子能机构采用的针对钢制容器中uf6核材料的核实测量技术主要是以视察员对浓缩厂或元件制造厂的周期性视察为基础的。视察员在设施现场会随机抽取部分uf6罐进行测量以核实其中的uf6质量和丰度。典型的uf6测量技术是采用γ谱仪通过测定²³⁵u发射的185.7kev特征γ射线来确定²³⁵u丰度，uf6的质量则采用负荷称重的方法来确定。

在一定条件下这些核实技术是有效的，但也有不足之处。

首先，测定丰度时185.7kev能量γ射线穿透力弱，对于uf6贮存罐这种大体积对象来说，该方法只能测到最外层的对象信息(主要是最外层1-2mm材料，而实际uf6罐的直径达几十英寸)，所测到的uf6对象仅是整个罐中物料的一小部分(不足百分之一)，因此所测到的信息无法具有整体代表性(除非假设铀分布处处均匀、一致，没有隐藏替代)。尤其是对没有均质的uf6罐(如因工艺变化而导致的或由于违规的物料转移场景产生的)或者罐内有隐藏、欺骗行为来说，这种不足之处会带来问题(无法核实)。

另一不足之处是uf6罐的壁厚差异会带来测量误差，需要进行壁厚吸收校正。虽然利用称重方法可以确定罐质量，但无法确认罐内是否为uf6，也无法对材料的种类进行核实。抽取样品进行分析检测虽然可以确认所有被测对象的性质，但工作量大，成本高，耗时长，同时会产生放射性废液的处理问题。

因此，寻求建立能够在现场针对uf6大罐进行独立核实的新技术与设备具有重要的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明的首要目的是提供一种uf6大罐中铀质量的核实测量装置，以能够在现场快速、准确的进行uf6大罐中铀质量的核实测量。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种uf6大罐中铀质量的核实测量装置，所述的核实测量装置包括台架、升降平台、准直体、测量设备，

所述的升降平台置于所述的台架内并可沿所述的台架上下运动；

所述的准直体置于所述的升降平台上，用于提高高能γ射线的强度，并慢化中子；

所述的测量设备置于所述的准直体的内部空腔内，用于测量uf6大罐内产生的高能γ射线的强度。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种uf6大罐中铀质量的核实测量装置，其中所述的准直体分为依次连接的三层，最外层和最内层为铁层，中间层为聚乙烯层，最内层的内部为空腔。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种uf6大罐中铀质量的核实测量装置，其中所述的测量设备为nai探测器。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种uf6大罐中铀质量的核实测量装置，其中由所述的升降平台、准直体、测量设备组成的组件为多组。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种uf6大罐中铀质量的核实测量装置，其中所述的核实测量装置还包括可移动机柜，所述的台架置于所述的可移动机柜内。

本发明的第二个目的是提供一种如上所述的核实测量装置进行uf6大罐中铀质量的核实测量方法，以能够在现场快速、准确的进行uf6大罐中铀质量的核实测量。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种如上所述的核实测量装置进行uf6大罐中铀质量的核实测量方法，所述的核实测量方法包括如下步骤：

(1)在空的uf6大罐内先后分别装入不同已知质量、相同已知²³⁵u丰度的uf6，分别用所述的测量设备在uf6大罐外的适宜位置测量uf6大罐内产生的高能γ射线的强度，经线性回归获得铀质量与高能γ射线强度的关系曲线，即获得刻度方程；

(2)用同样的所述的测量设备在其中铀质量未知，但²³⁵u丰度与步骤(1)相同的同样的uf6大罐外的同样的适宜位置测量高能γ射线的强度，代入步骤(1)获得的刻度方程得到铀质量未知的uf6大罐中的铀质量，

上述步骤(1)和步骤(2)中，所述的测量设备在进行高能γ射线的强度测量时，通过所述的升降平台在所述的台架内水平高度的升降，使所述的测量设备从侧面对准所述的适宜位置。

本发明的原理如下：

uf6大罐中的uf6会产生中子，uf6大罐中这些中子的漏出率均在80％以上，这些中子具有很强的穿透性。这些中子会与罐体材料中的⁵⁶fe产生中子俘获反应而产生能量高达7.6mev的高能γ射线，在²³⁵u丰度相同的情况下其强度与中子强度成正比关系。而产生的中子强度与大罐中总铀质量成准线性关系，也就是说，能量高达7.6mev的高能γ射线强度与大罐中总铀质量也成准线性关系。因此，通过测量能量高达7.6mev的高能γ射线强度，也就间接得到了中子的强度，从而也就得到了uf6大罐中的铀质量。能量高达7.6mev的高能γ射线强度的测量可以选取3-8mev或3-8.3mev或3mev以上到8.3mev的任意区间作为感兴趣区间测量计数率，从而可提高测量精度。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的核实测量装置进行uf6大罐中铀质量的核实测量方法，其中步骤(1)和步骤(2)中，所述的适宜位置位于uf6大罐中心线位置。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的核实测量装置进行uf6大罐中铀质量的核实测量方法，其中步骤(1)和步骤(2)中，所述的高能γ射线是7.6mev的高能γ射线。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的核实测量装置进行uf6大罐中铀质量的核实测量方法，其中步骤(1)和步骤(2)中，所述的测量设备测量时选取3-8mev或3-8.3mev或3mev以上到8.3mev的任意区间作为感兴趣区间测量计数率。

本发明的有益效果在于，利用本发明的uf6大罐中铀质量的核实测量装置和方法，能够在现场快速、准确的进行uf6大罐中铀质量的核实测量。

本发明的方法仅需要事先刻度，然后对待测对象进行测量，获取到高能γ射线强度值，经刻度方程计算就可以得到uf6大罐中的铀质量。该方法虽间接利用了中子信号，但不需要专门的中子探测器，因此成本大大降低，方法简单可靠，可防止大罐内部隐藏和欺骗行为，100％的对大罐中的uf6进行整体核实，这对于国家核材料管制，国际和保障领域内有效防止uf6材料的非法转移、丢失和使用具有重要意义和实际应用价值。

附图说明

图1为示例性的本发明的uf6大罐中铀质量的核实测量装置的组成结构图。

图2为图1中准直体的上横截面图。

图3为图1中套入nai(t1)探测器的准直体的纵向剖视图。

图4为由升降平台、准直体、nai(t1)探测器组成的组件为多组时进行uf6大罐中铀质量的核实测量的原理图。

图5为实施例1中测量得到的48x型uf6大罐的γ能谱图(²³⁵u丰度为4.11％)。

图6为实施例1中，当48x型uf6大罐中²³⁵u丰度为4.11％时，得到的铀质量与高能γ射线强度的关系曲线。

图7为实施例2中，当48x型uf6大罐中²³⁵u丰度为0.205％时，得到的铀质量与高能γ射线强度的关系曲线。

具体实施方式

示例性的本发明的uf6大罐中铀质量的核实测量装置的结构组成如图1-3所示，包括台架1、升降平台2、准直体3、nai(tl)探测器4、升降机5、可移动机柜。

升降平台2置于台架1内并可在升降机5的牵引下沿台架1上下运动。台架1置于可移动机柜内。

准直体3置于升降平台2上，通过设计计算优化用于提高高能γ射线的强度，并慢化中子。准直体3分为依次连接的三层，最外层和最内层为铁层，中间层为聚乙烯层，最内层的内部为空腔。

nai(t1)探测器4置于准直体3的内部空腔内，用于测量uf6大罐6内产生的高能γ射线的强度。

为提高测量效率，由升降平台2、准直体3、nai(t1)探测器4组成的组件可为多组，此时进行uf6大罐6中铀质量的核实测量的原理如图4所示，多个nai(t1)探测器4分置在uf6大罐6外的不同位置。

下述实施例1和实施例2中，上述示例性的本发明的核实测量装置示例性的进行uf6大罐中铀质量的核实测量方法均包括如下步骤：

(1)在空的uf6大罐6(48x罐)内先后分别装入不同已知质量、相同已知²³⁵u丰度的uf6，分别用nai(t1)探测器4在uf6大罐6外的适宜位置(位于uf6大罐6中心线位置)测量uf6大罐6内产生的7.6mev的高能γ射线的强度(测量时选取3-8mev或3-8.3mev或3mev以上到8.3mev的任意区间作为感兴趣区间测量计数率)，经线性回归获得铀质量与高能γ射线强度的关系曲线，即获得刻度方程；

(2)用同样的nai(t1)探测器4在其中铀质量分别为3055.52kg、2609.36kg、1551.42kg、1659.58kg、1872.52kg、2680.34kg，²³⁵u丰度与步骤(1)相同的同样的uf6大罐6(48x罐)外的同样的适宜位置测量7.6mev的高能γ射线的强度(测量时选取3-8mev或3-8.3mev或3mev以上到8.3mev的任意区间作为感兴趣区间测量计数率)，代入步骤(1)获得的刻度方程得到该uf6大罐6中的铀质量计算值。

上述步骤(1)和步骤(2)中，nai(t1)探测器4在进行高能γ射线的强度测量时，通过升降平台2在台架1内水平高度的升降，使nai(t1)探测器4从侧面对准所述的适宜位置。

实施例1：uf6大罐中铀质量的核实测量(一)

对于²³⁵u丰度为4.11％的情况，测量得到的48x型uf6大罐的γ能谱如图5所示(由此图可见，测量设备探测能量在9mev内时，在γ能谱图上可以明显看到²³⁵u的185.7kev能量特征γ射线峰，以及²³⁸u的1001kev能量特征γ射线峰，还可以看到⁵⁶fe的中子俘获反应所产生的7.6mev的高能γ射线峰以及它的逃逸峰)，得到的铀质量与高能γ射线强度的关系曲线如图6所示，获得的标准已知铀质量的48x型uf6大罐中的计算铀质量分别为3186.85kg、2455.79kg、1539.29kg、1743.55kg、1939.76kg、2563.30kg，

测算偏差分别为4.30％、-5.89％、-0.78％、5.06％、3.59％、-4.37％。

实施例2：uf6大罐中铀质量的核实测量(二)

对于²³⁵u丰度为0.205％的情况，得到的铀质量与高能γ射线强度的关系曲线如图7所示，获得的标准已知铀质量的48x型uf6大罐中的计算铀质量分别为2969.28kg、5549.87kg、4439.45kg、3452.99kg，测算偏差分别为-0.74％、-1.71％、4.57％、-2.15％。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。