vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestift-325Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERРАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ГЕРМАНИЕВОГО ДЕТЕКТОРА И ПОЛУЧЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ УРАНА U3O8 SRM-969DEVELOPMENT OF A GERMANIUM DETECTOR COMPUTER MODEL AND OBTAINING MODEL SPECTRA OF STANDARD URANIUM U3O8 SRM-969 SAMPLESЗагороднюкА. А.ZaharadniukA. A.

инженер лаборатории физики ядерных реакторов

Engineer, Laboratory of Physics of Nuclear Reactors

fiz.zagorodnAA@bsu.byКорнеевС. В.KorneyevS. V.

заведующий сектором ядерной безопасности и измерений ядерных материалов

Head of the Nuclear Safety and Nuclear Materials Measurement Sector

s.korneyev@sosny.bas-net.byОбъединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны Национальной академии наук БеларусиJoint Institute for Power and Nuclear Research – Sosny of the National Academy of Sciences of Belarus2017091020170392100Copyright © Загороднюк А.А., Корнеев С.В., 20172017Загороднюк А.А., Корнеев С.В.Zaharadniuk A.A., Korneyev S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/325

Проведено компьютерное моделирование гамма-спектров ядерных материалов, измеренных при помощи полупроводникового детектора из особо чистого германия ORTEC GEM25P4-70. В качестве источников гамма-излучения использовались стандартные образцы SRM-969, представляющие собой цилиндрические емкости фиксированного объема, выполненные из алюминиевого сплава (aluminum alloy 6061), заполненные мелкодисперсным порошком оксида урана (U3O8) с различной концентрацией 235U. Определены продукты распада из цепочек радиоактивных превращений изотопов урана 235U и 238U, которые дают наибольший вклад в гамма-спектр оксида урана (U3O8). Разработана методика, позволяющая сопоставить результаты измерений с модельными спектрами. Соответствие измеренных спектров модельным спектрам производилось путем сравнения площадей пиков полного поглощения для энергий 185 и 1001 кэВ, наиболее часто используемых в гамма-спектрометрии для определения обогащения урана. Выбранные параметры модели детектора и источника позволили описать измеренные гамма-спектры с погрешностью не хуже 6 % в площадях пиков полного поглощения в энергетическом диапазоне 150–1100 кэВ. Разработанная модель позволяет получить модельные гамма-спектры различных делящихся материалов при условии наличия сведений об изотопном составе, квантовом выходе гамма-линий для каждого изотопа, активности делящегося материала. Данные модельные спектры могут быть использованы при разработке методик выполнения измерений и тестировании программного обеспечения в области ядерной спектроскопии. Наиболее вероятное применение компьютерной модели – получение модельных спектров для контроля обогащения ядерного топлива и математическая калибровка гамма-спектрометра для неразрушающего анализа ядерных материалов различных конструкций и различного химического и изотопного состава.

 

Computer modeling was carried out for gamma-ray spectra of nuclear materials, which were measured by using a semiconductor high-purity germanium detector ORTEC GEM25P4-70. The standard SRM-969 samples were used as sources of gamma radiation, which are cylindrical tanks of fixed volume, made of aluminum alloy 6061, filled with a dispersed uranium oxide powder (U3O8) with different concentrations of 235U. The products from radioactive decay chains are determined for uranium isotopes 235U and 238U, which give the main contribution to the gamma spectrum of uranium oxide (U3O8). A technique that makes it possible to compare the results of measurements with model spectra is developed. The correlation of the measured spectra to the model spectra was made by comparing the areas of the total absorption peaks for energies of 185 keV and 1001 keV, which are often used in gamma spectrometry to determine uranium enrichment. The selected parameters of the model and the source of the detector allowed to describe the measured gamma-ray spectra with an accuracy of better than 6 % at the total areas of the absorption peaks in the energy range 150–1100 keV. The developed model makes it possible to obtain the model of gamma spectra of various fissile materials, provided that there are the data available about the isotopic composition, the quantum yield of gamma lines for each isotope, and the activity of fissile material. These model spectra can be used for the development of measurement techniques and software testing in the field of nuclear spectroscopy.

 

компьютерное моделированиеядерное топливогамма-спектрполупроводниковый детектороксид уранаМонте-Карлоcomputer modelingnuclear fuelgamma-ray spectrumsemiconductor detectoruranium oxideMonte-CarloReferencesАндрушечко, С. А. АЭС с реактором типа ВВЭР-1000 / С. А. Андрушечко, А. М. Афров, Б. Ю. Васильев. – М.: Логос, 2010. – 604 с. 2. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов / Д. Райлли [и др.]. – М.: Бином, 2000. – 703 с.Andrushechko S. A., Afrov A. M., Vasil’ev B. Iu. Nuclear power plant with PWR-1000 reactor. Moscow, Logos Publ., 2010. 440 p. (in Russian).David A. Anthony. Background and source term identification in active neutron interrogation methods: Ms. phys. and math. sci. thesis [Electronic Resource]. – Department of the Air Force Air University. Air Force Institute Of Technology, 2011. – Access mode: http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA539486. – Access date: 19 January 2017.Reilly D., Ensslin N., Smith H., Kreiner S. Passive Nondestructive Assay of Nuclear Materials. Moscow, Binom Publ., 2000. 703 p. (in Russian).Uranium oxides investigated by X-ray absorption and emission spectroscopies / M. Magnuson [et al.] // Appl. Surf. Sci. – 2006. – Vol. 252. – P. 5615–5618.David A. Anthony. Background and source term identification in active neutron interrogation methods. Ms. phys. and math. sci. thesis. Department of the Air Force Air University. Air Force Institute Of Technology, 2011. Available at: http:// www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA539486 (accessed 19 January 2017).Фролов, В. В. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ / В. В. Фролов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 184 с.Magnuson M., Butorin L., Werme L., Ivanov K., Guo G. Uranium oxides investigated by X-ray absorption and emission spectroscopies. Applied Surface Science, 2006, vol. 252, pp. 5615–5618. Doi: 10.1016/j.apsusc.2005.12.131Ebaid, Y. Y. Use of gamma-ray spectrometry for uranium isotopic analysis in environmental samples / Y. Y. Ebaid // Rom. J. Phys. – 2010. – Vol. 55, N 1. – P. 69–74.Frolov V. V. Nuclear methods of controlling of fissile materials. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989. 184 p. (in Russian).Briesmeister, J. F. MCNP-A general monte Carlo N-particle Transport Code (Version 4C) [Electronic Resource] / J. F. Briesmeister. – Los Alamos National Laboratory, 2000. – Access mode: http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanlrepo/lareport/LA-13709-M. – Access date: 19 January 2017.Ebaid Y. Y. Use of gamma-ray spectrometry for uranium isotopic analysis in environmental samples. Romanian Journal of Physics, 2010, vol. 55, no. 1, pp. 69–74.Stewart, J. E. Guide to Nondestructive Assay Standards: Preparation Criteria, Availability, and Practical Considerations [Electronic Resource] / J. E. Stewart, S. T. Hsue, T. E. Sampson. – Los Alamos National Laboratory, 1997. – Access mode: http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-13340-MS. – Access date: 19 January 2017.Briesmeister J. F. MCNP-A general monte Carlo N-particle Transport Code (Version 4C). Los Alamos National Laboratory, 2000. Available at: http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-13709-M (accessed 19 January 2017).DeLynn, C. U235: A Gamma Ray Analysis Code for Uranium isotopic Determination [Electronic Resource] / C. DeLynn. – Lawrence Livermore National Laboratory, 1997. – Access mode: https://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/310887. – Access date: 19 January 2017.Stewart J. E., Hsue S. T., Sampson T. E Guide to Nondestructive Assay Standards: Preparation Criteria, Availability, and Practical Considerations. Los Alamos National laboratory, 1997. Available at: http://permalink.lanl.gov/object/ tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-13340-MS (accessed 19 January 2017).Gamma Vision Gamma-Ray Spectrum Analysis MCA Emulator [Electronic Resource]. – Oak Ridge, Tennessee, 2012. – Access mode: https://www.ortec-online.com/-/media/ametekortec/manuals/a66-mnl.pdf. – Access date: 19 January 2017.DeLynn C. U235: A Gamma Ray Analysis Code for Uranium isotopic Determination. Lawrence Livermore National Laboratory, 1997. Available at: https://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/310887 (accessed 19 January 2017).Евсеев, В. Р. Активность, удельная активность и объемная активность гамма-излучающих радионуклидов в счетных образцах технологических сред АЭС. Методика выполнения измерений с использованием полупроводниковых спектрометров энергий гамма-излучения / В. Р. Евсеев, Е. П. Богданова // Сб. докл. VIII Междунар. науч.-техн. конф. «Метрология и измерительная техника». – Харьков, 2012. – С. 546–549.Gamma Vision Gamma-Ray Spectrum Analysis MCA Emulator. Oak Ridge, Tennessee, 2012. Available at: https:// www.ortec-online.com/-/media/ametekortec/manuals/a66-mnl.pdf (accessed 19 January 2017).Evseev V. R., Bogdanova E. P. Activity, specific activity and volumetric activity of gamma-emitting radionuclides in countable samples of technological environments of nuclear power plants. Method of performing measurements using semiconductor gamma-ray energy spectrometers. Sbornik dokladov VIII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii “Metrologiya i izmeritelnaya tekhnika” [Collected papers of the VIII International Scientific and Technical Conference “Metrology and measuring technics”]. Kharkov, 2012, pp. 546–549 (in Russian).Evseev V. R., Bogdanova E. P. Activity, specific activity and volumetric activity of gamma-emitting radionuclides in countable samples of technological environments of nuclear power plants. Method of performing measurements using semiconductor gamma-ray energy spectrometers. Sbornik dokladov VIII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii “Metrologiya i izmeritelnaya tekhnika” [Collected papers of the VIII International Scientific and Technical Conference “Metrology and measuring technics”]. Kharkov, 2012, pp. 546–549 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.