Dlouhodobé monitorování fluence neutronů na jaderných zařízeních je důležité z hlediska zajištění bezpečnosti provozu a má důležitý význam v procesu prodlužování životnosti jaderných elektráren. Pravidelné monitorování fluence neutronů v rámci svědečných programů se v současné době provádí pomocí aktivačních detektorů. Značná část nejistoty tohoto měření vyplývá z relativně krátkého poločasu rozpadu vznikajících radionuklidů a malého počtu vhodných aktivačních detektorů použitelných na jaderných elektrárnách. Tyto nevýhody odstraňuje patentovaná metoda transmutačních detektorů.
Tato metoda je analogická běžně používané metodě neutronových aktivačních detektorů s tím rozdílem, že ke stanovení fluence neutronů se nevyužívá aktivita radioaktivních nuklidů měřená radiometrickými metodami, ale koncentrace stabilních (nebo „téměř“ stabilních) nuklidů vzniklých při ozařování, která je měřena analytickými metodami, například hmotnostním spektrometrem. Výhody oproti metodě aktivačních detektorů jsou: výsledek nezávisí na historii ozařování, detektory uchovávají informaci o naměřené fluenci prakticky neomezeně dlouho a mají obvykle i po ozáření zanedbatelnou indukovanou aktivitu. Při vyhodnocení fluence neutronů lze obě metody kombinovat.
Transmutační detektory obsahují vysoce čisté materiály ve speciálním uspořádání. K měření koncentrací nuklidů vzniklých transmutací se používá hmotnostní spektrometr sekundárních iontů (SIMS). Přípravu detektorů a stanovení koncentrací zajišťuje Laboratoř Prvkové a izotopové mikroanalýzy CVŘ, vyhodnocení fluence neutronů ze změřených koncentrací pak Oddělení neutronové fyziky CVŘ.
Ve skupině neutronová fyzika se mimo jiné věnujeme návrhu stínění před účinky ionizujícího záření. Pro návrhy a výpočty stínění používáme univerzální výpočetní nástroj MCNP6 (Monte Carlo N-Particle), který dokáže simulovat transport neutronů, fotonů, elektronů i jiných částic zároveň. Program je považován za mezinárodně ověřený výpočetní standard a byl úspěšně aplikován ve všech oblastech simulací transportu uvedených částic, například reaktorová technika, medicína, dozimetrie, urychlovače, návrhy stínění, ochrana před účinky ionizujícího záření, spektrometrie atd. Program využívá nejnovější knihovny účinných průřezů a jaderných dat. Modelovány jsou všechny zahrnuté interakce a vznikající sekundární částice. Tento program využíváme pro návrhy stínění před neutrony, gama zářením a směsnými poli gama a neutronů. Naše výpočetní skupina je schopna navrhnout stínění pro všechna tato smíšená pole. Stínění navrhujeme nejenom pro svoje účely, ale i pro mezinárodní projekty.
V rámci projektu SUSEN byla ve Výzkumném centru Řež zřízena nová laboratoř pro výzkum fúze a neutronových polí. Nová experimentální laboratoř musela být z radiologického hlediska hodnocena s ohledem na plánované neutronové zdroje, tj. izotopický zdroj neutronů Cf-252 s emisí 109 n/s a neutronový generátor na bázi fúze deuterium-tritium s emisí 1010 n / s 14 MeV neutronů. Oba neutronové zdroje byly umístěny v samostatných sálech. Předběžný výpočet ukázal nedostatečné stínění budovy, zejména pro strop. Další analýzou navrženého stínění se dospělo ke stropu složeného z kombinace vrstev železa a polyethylenu. Beton byl použit jako konstrukční materiál v první a poslední řadě. Pro vnitřní řady byla použita kombinace oceli a polyethylenu.
Ze současně řešených projektů řešíme kompletní stínění neutronového difraktometru BEER (Beamline for European Material Engineering Research), který je určen především pro výzkum a vývoj moderních materiálů. Díky svým unikátním vlastnostem se stane předním světovým nástrojem pro vědu o materiálech a inženýrské aplikace. Tento difraktometr bude součástí velkého projektu Evropského Spalačního Zdroje (ESS). ESS je multidisciplinární výzkumné pracoviště založené na nejvýkonnějším zdroji neutronů na světě. Zařízení je v současné době ve výstavbě ve švédském Lundu, Zde se jedná o unikátní projekt, kde je potřeba odstínit neutrony a vznikající sekundární gama záření o energiích až 1 GeV.
V rámci programů řízeného stárnutí jsou zkoumány dopady dlouhodobého ozařování materiálů na bezpečnost a provozuschopnost jaderných zařízení. Pro přesné určení míry degradace materiálu je vždy nutné přesně znát míru ozáření.
CVŘ má dlouholetou praxi ve stanovování funkcionálů neutronového toku zejména fluence neutronů, DPA a gama ohřevů, které mají přímý vliv na míru degradace materiálu v důsledku ozáření. Náš letitou praxí ověřený postup stanovení těchto funkcionálů kombinuje simulaci fyzikálních procesů s ozařováním vzorků přímo na daném jaderném zařízení následujícím způsobem:
Četnost těchto úkonů závisí na konkrétní aplikaci a požadavcích zákazníka. Nicméně, aby bylo dosaženo co nejlepších výsledků, je nutné dodržení kontinuity, např. opakováním procesu každou palivovou kampaň.
Kombinace simulace a měření umožňuje získání přesných výsledků i v oblastech, kde by ozařování vzorků nebylo praktické nebo přímo uvnitř konstrukčních komponent. Navíc tento postup umožňuje analyzovat prostorové distribuce jednotlivých funkcionálů neutronového toku a na základě těchto analýz doporučit opatření, která by omezila dopad záření na degradaci konstrukčních komponent jaderného zařízení.
Ve skupině neutronová fyzika se věnujeme studiu všech aspektů neutronového transportu. Ať už se jedná o stínění neutronů, nebo problematiku kritické bezpečnosti, nebo studium transportu neutronů konstrukčními prvky reaktoru což je zejména zaměřením expertní skupiny hodnocení fluencí. Nedílnou částí studia je i výpočetní simulace problematiky. Věrohodnost a validita výsledků je pak přímo závislá na věrohodnosti účinných průřezů použitých v simulacích. Právě k jejich ověřování experti z centra výzkumu v reaktoru LR-0 sestavili referenční neutronové pole. Jedná se nejen o prestižní záležitost, protože v současnosti je poměrně málo těchto polí, ale zejména o velmi robustní nástroj nejen k validacím ale i testování nových typů detektorů, či testování elektronických součástek. Vedle toho je v experimentální laboratoři v CV využíván pro tvorbu referenčních polí Cf zdroj. Jeho nevýhodou je oproti reaktoru LR-0 nižší emise, naopak je díky své velikosti ideální pro ověřování účinných průřezů v transportních experimentech kdy studovaný materiál obklopuje zdroj a měří se průnik neutronů materiálem.
Ze současně řešených projektů je CV zapojeno v evropském projektu SANDA, kde je naší úlohou zlepšení popisu reaktorově kinetických parametrů, a tím přispět ke snížení nejistot v popisu přechodových jevů. Vedle toho probíhá rozsáhlá spolupráce s IAEA na validacích popisu neutronových účinných průřezů a pak s FEL ČVUT a MUNI Brno na testování elektroniky, případně nových detektorů.
CVŘ nabízí služby spojené s měřením pole ionizujícího záření na jaderných elektrárnách a jiných jaderných zařízeních. Těchto služeb je využíváno našimi zákazníky hlavně jako součást programů řízeného stárnutí. Nabízené služby zahrnují návrh samotného měření, založení detektorů na jaderném zařízení, transport ozářených detektorů a jejich měření a vyhodnocení.
CVŘ má zkušenosti s různými typy detektorů ionizujícího záření:
Jde o asi nejhojněji využívané pasivní detektory neutronů, nejčastěji v podobě folií. Tyto folie jsou vystaveny neutronovému záření, které stabilní izotopy folie přemění na nestabilní radionuklidy. Tyto nestabilní radionuklidy se pak samovolně rozpadají s daným poločasem rozpa. Při tomto rozpadu je emitováno záření gama charakteristické pro daný radionuklid, které lze měřit na gama spektrometrech v našich laboratořích. Ze změřených aktivit se pak stanoví parametry pole záření neutronů
Tyto detektory neutronů mohou být použity spolu s aktivačními detektory pro zpřesnění výsledků nebo úplně samostatně. Při interakci neutronů s jádry detektoru dochází k tvorbě stabilních nuklidů. Míru záření neutronů pak udává koncentrace stabilních nuklidů vzniklých transmutací při ozařování, která je měřena analytickými metodami, například hmotnostním spektrometrem.
Tyto detektory neutronů jsou založeny na počítání stop vzniklých v plastických materiálech po ozáření a následném leptání (spolupráce s ÚJF). Používají se standardně v osobní dozimetrii, v případě monitorování pole záření v okolí jaderných reaktorů je to spíše doplňková metoda používaná ve slabších polích záření, tj. ve větších vzdálenostech od aktivní zóny reaktoru.
Jedná se o detektory k měření dávky záření gama (spolupráce s ÚJV). Citlivý materiál je zde alanin (kyselina L-amino propionová). Během ozáření se mění struktura materiálu alaninu. Tato změna se následně vyhodnocuje pomocí spektrometru ESR (Electron Spin Resonance) a z toho pak příslušná dávka záření gama.
Při tvorbě knihoven jaderných dat se používají výsledky z diferenciálních experimentů. Jedná se o vysoce precizní experimenty zaměřené na stanovení účinného průřezu (excitační funkce) v jednom bodě. Avšak tyto experimenty bývají s ohledem na svou složitost zatíženy vysokými nejistotami, v některých případech se mohou vyskytnout i systematické chyby, které by následně vedly k chybám v účinných průřezech, díky čemuž by s nimi prováděné výpočty mohly být problematické. Právě pro odhalení případných chyb se v hodnocení knihoven účinných průřezů používají i integrální účinné průřezy změřené v referenčním neutronovém spektru. V CV k měření těchto integrálních účinných průřezů využíváme jednak referenční neutronové pole v reaktoru LR-0 jednak referenční neutronové pole z 252Cf izotopického zdroje neutronů.
Námi změřené účinné průřezy našly využití zejména při sestavení nové knihovny účinných průřezů IRDFF-II, díky čemuž bude možno provádět přesnější neutronově dozimetrické výpočty.
Většina radioaktivních jader vyzařuje při radioaktivním rozpadu gama záření. Právě jeho změřením je možné nejen kvalifikovat jeho původ ale stanovit kvantitativně jeho množství. Kvalitativní analýza vedoucí ke stanovení energie gama kvant a následné identifikaci radionuklidu je poměrně snadnou záležitostí. Co se týče kvantitativní analýzy je zásadní charakterizace účinnosti detektoru, tedy stanovení odezvy detektoru při jednotkové aktivitě zářiče. Ve většině případů probíhá charakterizace účinnosti prostřednictvím etalonů radioaktivity. Tento postup má však značnou nevýhodu a to tu, že je třeba ctít geometrii kalibračního zářiče, a tak by bylo obtížné stanovit aktivitu obecného vzorku ať už přírodního nebo jiného původu. Vzhledem k tomu, že na pracovišti LR-0 se většinou měří vzorky nestandartních geometrií sestavili experti v CV matematický model detektoru gama záření. To umožňuje i měření zcela nestandartních vzorků. Jako příklad se dá uvést případ, kdy byla změřena aktivita 74As v řádu stovek becquerel ve vzorku As2O3 ve formě zapouzdřeného válečku průměru 8 cm, 4.81 cm vysokého s vnitřní kavitou. (Measurement of 75As(n,2n) cross section in well-defined spectrum of LR-0 special core, Annals of Nuclear Energy, 100, (2017), pp. 42–49).
Tato metodika je velmi široce využívána jakožto součást prakticky všech řešených projektů.