В МИФИ создан ксеноновый гамма-спектрометр для сортировки и сегрегации радиоактивных отходов

С увеличением числа вновь вводимых энергоблоков АЭС, а также выводом из эксплуатации старых перед энергетиками встает вопрос, связанный с утилизацией отработавшего топлива и, в частности, оптимизацией выбора типа захоронения радиоактивных отходов (РАО). Для эффективной сортировки радиоактивных отходов требуется правильно определять уровень активности РАО. Для этих целей используются гамма-спектрометры с хорошим энергетическим разрешением, позволяющие устанавливать с высокой точностью состав и концентрацию отдельных радионуклидов в каждом образце. Кроме того, разделяя РАО с учетом их активности и изотопного состава, можно достичь экономического эффекта, снизив затраты на захоронение.

В настоящее время существует большое разнообразие детекторов для регистрации гамма-излучения. Все они отличаются по режиму работы, способу производства, условиям работы, а также имеют разные энергетические разрешения. Для создания установки по сортировке и сегрегации радиоактивных отходов требуется детектор с оптимальным энергетическим разрешением. К тому же, он должен быть устойчив к вибрациям, акустическим шумам, иметь подходящие габариты с учетом параметров конструкции. Немаловажным фактором для выбора детектора является его стоимость и возможность создания необходимых условий, при которых данный детектор будет эффективно регистрировать излучение.

Данные вопросы возникли перед разработчиками комплекса по сортировке РАО (схема на рис. 1), разработанной совместно Радиационной лабораторией кафедры № 7 Экспериментальной ядерной физики и космофизики НИЯУ МИФИ и Федеральным государственным унитарным предприятием Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина (РосАтом). В этом проекте сотрудники НИЯУ МИФИ выступили в качестве разработчиков гамма-спектрометрического оборудования.

Рис. 1. Схема установки для сортировки РАО

В Радиационной лаборатории разработан ксеноновый гамма-спектрометр (КГС) на основе тонкостенного четырех литрового ксенонового гамма-детектора (КГД на фотографии рис. 4) для установки по сортировке и сегрегации радиоактивных отходов. «С помощью ксеноновых гамма-детекторов можно получить энергетическое разрешение около 2% для гамма-квантов с энергией 662 кэВ. К тому же, такой детектор менее затратный в изготовлении, его можно создать с различными чувствительными объемами. В отличие от полупроводниковых детекторов на основе германия, нуждающихся в охлаждении их до температуры жидкого азота, данный спектрометр может работать даже в полевых условиях», – прокомментировал инновационную установку Евгений Петкович, студент 5-го курса кафедры №7 (научный руководитель – д.ф.‑м.н., профессор В.В. Дмитренко), один из разработчиков аппаратуры.

Принцип работы установки следующий:

1. Исследуемый материал (грунт, отходы и т.д.) поступает по подающему конвейеру к дозатору, который формирует пробы определенного размера и массы (~ 50 кг);

2. По основному конвейеру пробы передвигаются к КГС и останавливаются под ним;

3. За определенное время (~ 10 секунд) происходит накопление и обработка гамма-спектра;

4. На основании обнаруженных КГС радионуклидов и их рассчитанной удельной активности с учетом массы пробы, получаемой с датчика массы, расположенного на дозаторе, принимается решение об отнесении данной пробы к РАО или нет с формированием соответствующей команды управления конвейером и созданием протокола результатов измерений;

5. На основании команды запускается реверсивный конвейер, который направляет пробы в определенную сторону (РАО или не РАО).

Производительность установки позволяет проанализировать до 12 тонн в час.

По словам молодого ученого, в ходе создания спектрометра была испытана возможность обнаружения и идентификации различных радионуклидов за короткое время экспозиции. Так было показано, что источник ¹³⁷Cs с активностью ~ 9 кБк может быть обнаружен и идентифицирован КГС на расстоянии 5 см от детектора за (5-10) секунд. Обнаружение и идентификация проводились с использованием специального программного обеспечения, которое реализует метод 3σ, а также требований в отношении минимальной активности отдельных нуклидов. Время обработки для каждого спектра составляло менее 1 секунды. Активности исследуемых источников были в пределах (4÷10) кБк, которые соответствуют требованиям сортировочного комплекса РАО. В ходе испытаний было показано, что КГС работает стабильно при различных фоновых и акустических нагрузках, которые будут постоянно присутствовать во время работы комплекса.

Рис. 2. Спектр радионуклида ¹³⁷Cs

Также ксеноновый гамма-спектрометр прошел тест на выработку команд «bad» (данная пробы относится к РАО) или «good» (данная проба не является РАО), в результате анализа выдается протокол (пример на рис. 3), показывающий превышения активности образца на 3σ над уровнем фона и минимальных значений активности от всех гамма-линий конкретного гамма-источника в Бк/г в соответствии с ОСПОРБ-99/2010 и СПОРО-2002.

Рис. 3. Протокол тестирования по поиску радионуклида в образце РАО