Chương 5 Các ứng dụng
5.2.4 Kiểm tra nhiên liệu hạt nhân
Thiết bị đo phổ gamma là một công cụ quan trọng không thể thiếu trong chu trình nhiên liệu hạt nhân. Công cụ này được sử dụng ở nhiều giai đoạn của chu trình để kiểm tra Uran và Plutôni, như trong điều tra thăm dò Uran, khai thác mỏ, chế tạo nhiên liệu, nghiên cứu cháy và an toàn. Ngoài ra, trong quá trình vận hành một lò phản ứng hạt nhân, đo phổ gamma giữ một vai trò quan trọng trong giám sát sản phẩm phân hạch, đặc biệt là trong các hệ thống nước và khí thải. Hàng nghìn phép đo cũng được thực hiện trong nghiên cứu các môi trường nước, đất, thực phẩm và không khí để kiểm tra xem có các sản phẩm phân hạch hay không. Trong phần tóm tắt này ta sẽ không thảo luận tất cả các khía cạnh của các phương pháp được áp dụng mà chỉ tập trung vào một số đặc điểm trong kiểm tra Uran và Plutôni.
5.2.4.1 Đo Uran
Trong công nghiệp năng lượng hạt nhân, xác định hàm lượng Uran hoặc 235U trong một mẫu là quan trọng. Các phép đo này là khó vì chu kỳ bán rã dài của 235U và 238U (7.037(7).108 và 4.468(5).109 năm) do đó tốc độ đếm rất thấp và do sự có mặt của Uran trong các vật liệu xây dựng cũng đóng góp vào phổ phông.
Như đã chỉ ra trong bảng 6.6, tia gamma chính phát ra từ phân rã của 235U có năng lượng 185.7 keV. Do hàm lượng thấp và chu kỳ bán huỷ dài nên thường phải sử dụng khối lượng mẫu lớn. Vì vậy, để giảm cáchiệu ứng tự che chắn và tăng độ nhạy, cần tách Uran và chế tạo mẫu dưới dạng đĩa. Với một hệ đo chuẩn được chuẩn bằng nguồn điểm, nên giới hạn đường kính mẫu nhỏ hơn 2 cm, hoặc chuẩn hệ thống bằng các nguồn đĩa. Các tia gamma 185.7 keV không trùng phùng mạnh với các phôton khác, nên trùng phùng tổng không phải là vấn đề ngay cả khi khoảng cách nguồn-đầu dò rất nhỏ. Các hiệu hiệu chỉnh đối với tia gamma 185.7 keV, từ Uran trong phông môi trường và với tia gamma 186.2 keV từ226Ra là cần thiết.
Uran thường lẫn trong các thành phần khác, ví dụ trong quặng hay trong nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân. Trong các trường hợp này, rất khó để tính được các hiệu chỉnh suy giảm. Cần phải chế tạo ra các mẫu có độ đồng nhất và hình học giống như mẫu
Để phân tích 238U, có thể đo tốc độ phát của các tia gamma từ một đồng vị con mà có cân bằng với 238U. Trong rất nhiều trường hợp, trạng thái cân bằng là không đạt được, đặc biệt với các hạt nhân con ở gần cuối chuỗi phân rã. Josh (1987) đã trình bày một phương pháp đo dựa vào tia gamma 63.3 keV từ phân rã của hạt nhân234Th. Đây là hạt nhân con đầu tiên trong chuỗi phân rã. Tia gamma này có xác suất phát bằng 3.8% so với tia mạnh nhất phát ra từ phân rã238U có năng lượng 49.55 keV và pγ= 0.070%. Hạt nhân này có chu kỳ bán rã 24 ngày, vì vậy khi phân tích cần phải nhốt mẫu để tạo sự cân bằng. Kết quả của Joshi cho thấy có thể xác định 238U trong các mẫu có hoạt độ khoảng từ 0.03 Bq/g trở lên.
Bên cạnh tia gamma 63.3 keV, có thể sử dụng tia gamma 92.4 keV (pγ= 2.27%) của
234
Th để phân tích. Khi hiệu ứng tự suy giảm là quan trọng, có thể xem xét sử dụng
234
Pam(T1/2= 1.17 phút), nhân con234Th phát các tia gamma tại 766 keV (pγ= 0.21%) và 1001 keV (pγ = 0.59%).