控制气态六氟化铀中的铀-235质量分数的方法和控制系统技术方案

本发明专利技术涉及借助辐射法的核材料分析，设计用于在线检查同位素分离生产中的六氟化铀浓缩。其方法包括：在选定时间间隔内测量六氟化铀温度和压力、和铀－２３５γ辐射强度，以及随后处理平均测量结果。该测量是在被提供作为一组时隙的时间间隔内执行的。在改变当前时间到等于该时间间隔的该时隙的值的值时，借助在相同时间间隔内的平均测量结果确定γ辐射强度、温度和压力；此外，将计算的铀－２３５质量分数的值认为是与测量时间间隔重合的当前时间。还公开了上述方法的控制系统，其中至少有三个鉴别器和一个定时器被安装到控制器中；鉴别器的输出端与γ发射检测器的输入端相连，每个鉴别器的输出端与单个电脉冲计数器的输入端相连。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及借助辐射法的核材料分析，而且可以用于在线监控同位素分离铀生产的气流中的六氟化铀浓缩。
技术介绍
术语“铀浓缩”通常是指(被定义为)以百分比表示的铀同位素混合物中的铀-235同位素的原子分数或质量分数(浓度)。在定义(definition)上的较小差别对于该技术控制是无关紧要的。用于控制铀浓缩的方法是基于间接方法，在间接方法中，通过以下早先已知的函数比，根据与一个确定的质量分数C5相关联的一些值Xi的测量结果来估计铀-235含量C5＝f(X1，X2，...)(1)其中，X1，X2，...表示已记录的分析信号以及表征该测量系统的物理常数或永久参数(系数)。举例来说，为控制六氟化铀气相中的铀-235同位素质量分数，在例行(系列)和基准测量中使用的质谱分析方法是已知的。该方法包括对被分析的同位素混合物进行取样，其样品制备，馈入质谱仪的离子源中的样品，在质谱仪测量室中的实际离子记录，测量结果处理，以及返回结果(1985年4月30日公开的US No.4514637，IPC 3G 01N23/00).在被分析样品中的原子或分子浓度与质谱仪离子收集器的离子电流成比例Ii≈α·Ci(2)其中，Ii表示记录的混合物i-分量的电流；Ci表示混合物i-分量的浓度； α表示校准系数。铀同位素成分测量的不准确度的范围从千分之一到十万分之一，并且依赖于分析保持的频率。总分析周期的范围从几十分钟到几小时，并且随测试精度的增大而增大。本身代表铀-235质量分数在固定时间点的当前值的测量结果是以较大间隔周期性获得的。因此，所述方法并不是用在例行快速分析中。在后一种情况下，优选浓缩辐射控制，其基于测量被分析的铀同位素所特有的光子谱(X辐射和γ辐射)。使用基于闪烁检测器的分光计监控六氟化铀气相浓缩是已知的(A handbook of nuclear energotechnologyF.Ran et al.-M.Energoatomizdat，1989，p.158)。根据该方法，通过测量给定同位素所固有的特征γ辐射确定铀-235的浓度(和原子量)(通常，根据伴随有铀-235自然α衰变的γ谱的基本分析峰值185.7keV)，同时根据用来自外部源的γ发射(例如，基于镅-241或硒-75同位素)照亮六氟化铀气相时的铀原子X-射线荧光确定铀的总量(或浓度)。根据基准标准样品的测量结果以所确定的元素的含量单位校准记录X-射线和γ辐射的装置。这两个浓度之比给出了如下的铀-235同位素的质量分数C5＝CU235/CUoбiy＝(MU235·NU235)/(MUoбiy·NUoбiy≈(b·Iγ)/(q·Ip)(3)其中MU235，MUoбiy，NU235，NUoбiy，CU235和CUoбiy分别表示铀-235同位素的原子质量，原子数和质量浓度，以及在气相中的全部铀；Iγ和Ip分别是X-射线和γ辐射谱的基本分析线的检测器计数率；b和q分别是测量系统的γ和伦琴管道的校准系数。实现监控的测量系统包括具有γ和伦琴管道的检测器的两个测量室，被分析的六氟化铀样品被排出到这两个测量室。检测器信号进入数据收集和处理单元，其目的是计算在一个时间周期内计数率的平均值并通过比率(3)计算铀-235质量分数。本身代表在一个浓缩时间间隔值内的平均的结果在系统的数据输出端以一定间隔被获得。该时间间隔和同位素成分的测量不准确度与γ和伦琴管道检测器的平均计数率成反比。另外，在伦琴管道的检测器的计数率依赖于γ源的强度。具有相对误差±1％的测量结果可以在铀-235的浓度为1-5wt％时在20到25分钟内获得。用于测量铀同位素浓缩的方法和设备是已知的(1986年12月16日公开的US No.4629600，IPC 4G 21C 17/06)，其中用能量高于或低于铀K-边径(K-edge)原子谱的光子照射具有六氟化铀气相的测量室，并且为计算总的铀的原子浓度测量通过该测量室的辐射强度。在记录铀-235基本分析峰值的同时根据(3)执行铀浓缩的计算。原型的基本缺陷是出现γ辐射的外部放射性同位素源，由于出现较大的测量不准确度，在重建工厂生产流程图配置期间内无法确定六氟化铀浓缩。与所建议的技术方案最为相似的另一种方法是用铀-235控制气态六氟化铀浓缩的方法(2002年9月20日公开的RU No.2189612，IPC7G 01N 23/00)，该方法在于，用测量来自六氟化铀测量室的铀-235γ辐射强度，在此还测量六氟化铀压力和温度，并通过以下的比值判断六氟化铀中的铀-235同位素的含量C5＝α·Iγ·t/p (4)其中Iγ是铀-235γ辐射的强度；t是测量室中的六氟化铀温度；p是测量室中的六氟化铀压力；α是校准系数。该方法是通过一种设备实现的，该设备包括在六氟化铀注入和排出支管上具有入口阀和出口阀的铝制柱状室，具有脉冲分析仪的铀-235γ辐射检测器，通过数据收集单元与计算系统耦合的压力和温度传感器。数据收集单元(信号适配器)实现压力和温度数据向适合于在计算系统中处理的类型的转换。该方法通过以下方式实现从级联设施的受控体积(从气体收集器)中排出六氟化铀样品到先前准备的测量室，直到期望的压力。进一步地关闭注入支管以防止进一步排出该样品到测量室，并保持注入支管以使温度和压力平衡，然后接通铀-235γ辐射检测器。通过两个管道执行γ辐射强度的测量。第一个管道被调整到185.7keV能量线，第二个管道被调整到较高能量范围内的γ辐射记录，目的是计算185.7keV峰值下的背景分量。同时测量测量室中的六氟化铀温度和压力的值并一致地记录这些值。计算在γ辐射强度测量的整个周期内温度和压力的平均值。通过公式(4)在计算系统中计算铀-235浓度的值。在完成了测量后，从测量室通过出口和排出路径到达以液氮冷却的容器中的六氟化铀被纯化。测量室准备另一系列的测量。比率(4)中的系数α是通过与质谱仪一起执行类似气体样品的并行测量在测量系统的初始设置中确定的。该检查方法披露了测量中的误差随着测量室中的气相压力下降而增大。该方法与现有技术相比在理论上使得可能更准确地计算不稳定气流中的六氟化铀浓缩，因为利用气相的绝对温度T取代比例(4)中的t参数，比率p/T根据以下的理想气体定律唯一地确定了在气相的热力学状态的发生任何变化时在化学上纯的六氟化铀中的铀原子总量p＝nUF6·k·T＝(NUoбiy/Vu3M)·k·T(5)其中nUF6是在一个体积单位中的六氟化铀分子的浓度；Vu3m是测量室的容量；k是玻尔兹曼常数。根据(5)如下确定在所测量的体积中的铀原子的总数NUoбiy＝nUF6·Vu3M＝(Vu3M/k)·(p/T) (6)组合(3)和(5)可以得到如下的新比率C5＝α1·Iγ·T/p (7)其中α1是在装置设置期间确定的校准系数。将具有计算比率(7)的该控制方法和实现给定方法的测量系统选作原型。该现有技术和其他原型的缺陷是，只能在超过测量时间间隔的值的时间周期内获得控制数值结果。在可接受的测量精度下，该时间周期为40至45分钟，包括同位素气体混合物注入到测量室的时间，要平衡温度和压力的保持时间，以及随后从测量室排出六氟化铀的时间。可以想象，对于具有稳定同位素浓度的气流中的铀-235质量分数控制的估计是足本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量气态六氟化铀中的铀－２３５质量分数的方法，包括在选定时隙内在测量室中测量铀－２３５γ辐射强度、温度和六氟化铀气相压力，以及随后处理平均测量结果，其特征在于，在测量室内产生六氟化铀流，并在作为一组时隙的时间间隔内执行测量，这样做，使得能在每个时隙计算γ射线强度、温度和六氟化铀气相的压力的平均值，同时在该时间间隔内所计算的测量结果作为在各个时隙中的测量平均值的平均值；在改变当前时间到等于该时间间隔的该时隙的值的值时，借助在相同时间间隔内的测量平均结果计算在计算铀－２３５质量分数的当前值时的γ射线强度、温度和压力；同时，将计算的铀－２３５质量分数的值认为是落在测量时间间隔内的当前时间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】RU 2003-6-2 20031163251.一种用于测量气态六氟化铀中的铀-235质量分数的方法，包括在选定时隙内在测量室中测量铀-235γ辐射强度、温度和六氟化铀气相压力，以及随后处理平均测量结果，其特征在于，在测量室内产生六氟化铀流，并在作为一组时隙的时间间隔内执行测量，这样做，使得能在每个时隙计算γ射线强度、温度和六氟化铀气相的压力的平均值，同时在该时间间隔内所计算的测量结果作为在各个时隙中的测量平均值的平均值；在改变当前时间到等于该时间间隔的该时隙的值的值时，借助在相同时间间隔内的测量平均结果计算在计算铀-235质量分数的当前值时的γ射线强度、温度和压力；同时，将计算的铀-235质量分数的值认为是落在测量时间间隔内的当前时间。2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所计算的铀-235质量分数的值是指在该时间间隔的中点、结束或开始的当前时间。3.根据权利要求1的方法，其特征在于，提供一个选定时间间隔作为一组相等的时隙。4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述时间间隔的值被选择为与测量室中的气相压力成反比。5.根据权利要求1的方法，其特征在于，至少同时在两个选定时间间隔内确定γ射线强度、温度和六氟化铀气相压力的值。6.根据权利要求1或4或5的方法，其特征在于，该时间间隔的值的范围从100到2000秒。7.根据权利要求1或3的方法，其特征在于，该时隙的值的范围从10到200秒。8.根据权利要求1的方法，其特征在于，每隔一定间隔比较所计算的铀-235质量分数的值与其基准测量值。9.根据权利要求8的方法，其特征在于，调整用于通过一个计算方法进行测量平均结果处理的相关设计，使得所计算的铀-235质量分数的值与基准测量结果相差一预定的极限值。10.根据权利要求9的方法，其特征在于，偏差的极限值是±1rel％。11.根据权利要求9的方法，其特征在于，在相关设计中调整分度系数。12.根据权利要求1的方法，其特征在于，测量室与六氟化铀的气体收集器并联，而诸如隔膜的限制装置在连接测量室的位置被插入气体收集器。13.根据权利要求1的方法，其特征在于，在表征铀-235自然α衰变的基本分析峰值下，针对背景分量执行γ射线强度的测量。14.根据权利要求1的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：安得雷弗拉季斯拉沃维奇阿布拉莫维奇，维克托瓦西里耶维奇沃多拉佐斯基，弗拉基米尔叶夫根尼耶维奇格罗霍夫，迪米特里弗拉基米尔维奇多罗费耶夫，朱里维克托维奇日林伊科，博里斯米哈伊洛维奇济明，维亚切斯拉夫米哈伊洛维奇伊柳科因，弗拉基米尔伊万诺维奇马津，弗拉基米尔伊万诺维奇罗施普金，尼古拉尼古拉耶维奇西多连科，朱里博里斯维奇托尔格那科夫，
申请(专利权)人：联邦化工西伯利亚集团公司，
类型：发明
国别省市：RU[俄罗斯]