Разработка и реализация методологии проверки фактического наличия ядерного материала в учетных единицах методами неразрушающего анализа

С начала создания и развития атомной промышленности Советского Союза в 40-х годах сформировались определенные условия обеспечения сохранности ядерных материалов, включая их учет, контроль и физическую защиту. Основными принципами, заложенными в основу обеспечения учета и контроля ядерных материалов, являлись:

— режим секретности при обращении с ядерными материалами и учетными документами на всех этапах технологического цикла;

— установление норм безвозвратных потерь ядерных материалов на каждую технологическую операцию;

— персональная ответственность исполнителей за обеспечение сохранности ядерного материала.

В последние шесть лет в рамках программы по созданию Системы государственного учета и контроля ядерных материалов (СГУиК ЯМ) принят ряд нормативных документов в области обращения с ядерными материалами [1−5], в которых отражен принципиально новый для российских условий подход, заключающийся в осуществлении учета и контроля ядерных материалов по зонам баланса на основе результатов непосредственных измерений их количественных характеристик. Последний из них — «Основные правила учета и контроля ядерных материалов. НП-030−01» — введен в действие 1 января 2002 г. и устанавливает на федеральном уровне единую систему требований и норм к учету и контролю ядерных материалов, включая их измерения.

В соответствии с «Правилами организации СГУиК .» [2], утвержденными постановлением Правительства РФ в 1998 г., Федеральный надзор России по ядерной и радиационной безопасности (Госатомнадзор России) обеспечивает «организацию и осуществление надзора за СГУиК.». Задачами надзора за системой государственного учета и контроля ядерных материалов являются: 6.

— оценка состояния учета и контроля ядерных материалов;

— проверка выполнения требований к учету и контролю ядерных материалов федеральными органами исполнительной власти и организациями;

— выявление нарушений в функционировании системы государственного учета и контроля ядерных материалов и принятие мер по их устранению, а также установление и предупреждение причин и условий, приведших к этим нарушениям;

— выявление и предупреждение условий для хищений и несанкционированного использования ядерных материалов;

— оценка состояния системы государственного учета и контроля ядерных материалов и принятие необходимых мер в случае выявления недостатков.

Для выполнения своих задач Госатомнадзор России осуществляет:

— получение и анализ информации по вопросам функционирования системы государственного учета и контроля ядерных материалов и ее составных частей;

— контроль полноты и качества выполнения организационных и технических мероприятий, направленных на недопущение потерь, хищений и несанкционированного использования ядерных материалов;

— организацию и проведение инспекций соблюдения нормативных правовых актов в области обращения с ядерными материалами, федеральных норм и правил в области учета и контроля ядерных материалов органами управления системой государственного учета и контроля ядерных материалов на федеральном и ведомственном уровне;

— анализ учетных данных и отчетных документов, сопоставление с результатами инспекций, выявление расхождений и аномалий- 7.

— организацию и проведение инспекций учета и контроля ядерных материалов и анализ их результатов;

— проведение инспекций наличия ядерных материалов в местах их нахождения путем проведения измерений характеристик ядерных материалов с использованием приборов, устройств контроля доступа и иных технических средств;

— оценку достоверности, полноты и правильности ведения учетных и отчетных данных, соответствия учетных данных и отчетных документов фактическому наличию ядерных материалов [6].

По определению инспекция — это форма государственного надзора, включающая изучение, проверку деятельности объектов использования атомной энергии, а также проверки, наблюдения, испытания, измерения систем, оборудования, изделий, документации и квалификации работников (персонала) объектов использования атомной энергии, проводимые представителями Госатомнадзора России и его территориальных органов для оценки соответствия их установленным требованиям к обеспечению безопасности при использовании атомной энергии [7].

При инспекциях наличия ядерных материалов инспектора Госатомнадзора России проводят проверку представленных инспектируемой организацией сведений о местонахождении и количестве ядерного материала [8,9]. При этом проводятся подсчет и идентификация учетных единиц, а также их выборочные измерения для подтверждения данных о виде, изотопном составе (обогащении) ядерного материала и обнаружения дефектных учетных единиц, под которыми в данном случае понимаются учетные единицы с характеристиками, которые не соответствуют заявленным организацией (учетным) данным. Для этого необходимы средства измерений, обеспечивающие надежный и оперативный контроль ядерных материалов. Оптимальным решением обозначенной выше проблемы является использование в инспекционной практике средств измерения нераз8 рушающего анализа, которые позволяют оперативно обнаружить и идентифицировать ядерные материалы, а также быстро и точно определить их изотопный состав или обогащение. Неразрушающие методы анализа не изменяют ни физическое, ни химическое состояние ядерного материала в отличие от разрушающих методов, устраняют необходимость пробоотбора и выполняются намного быстрее, чем разрушающий химический анализ, сохраняя при этом приемлемую точность результатов измерений.

В настоящее время отделы инспекций Госатомнадзора России и многие объекты использования атомной энергии оснащены такими техническими средствами неразрушающего анализа ядерных материалов, как гамма-спектрометры и счетчики нейтронных совпадений. Однако, для успешного выполнения задач измерений ядерных материалов необходимо решение проблем методического, технического и организационного характера. Так, например, при малых количествах проверяемых учетных единиц с ядерным материалом измерениям подвергаются, как правило, все учетные единицы партии ядерного материала. Когда же количество заявленных единиц превышает десятки, сотни и тысячи штук, проверка заявленных параметров всех единиц с ядерным материалом затруднена по соображениям временного и экономического характера. Поэтому, при проведении мероцриятий такого рода необходимы методы, которые позволяют быстро и эффективно проводить выборочные измерения ядерных материалов. Применение выборочного метода измерений с последующей статистической обработкой результатов измерений взамен полной проверки и является тем методом, который дает возможность эффективнее организовать наблюдение, обеспечивает быстроту его проведения, приводит к экономии средств, времени и затрат труда на получение и обработку информации. При правильной организации измерений результаты выборочного обследования по точности мало уступают данным измерений по всей совокупности.

В мировой практике существуют различные схемы выборочных обследований ядерных материалов, однако, применять данный опыт можно только с 9 учетом специфики объектов использования атомной энергии (ОИАЭ) в России и целями их проверки.

Эффективность полученных результатов при проверке наличия ядерного материала во многом зависит от применения таких научно обоснованных решений и мероприятий, которые бы определяли баланс между эффективностью проверки и затратами на ее проведение, в частности, включающих в себя:

— эксплуатацию технических средств различной точности измерений;

— заправку средств измерения азотом (одной заправки гамма-спектрометра U-Pu Inspector хватает на 36 часов);

— непосредственное измерение учетных единиц (на одно измерение учетной единицы с ядерным материалом гамма-спектрометрами уходит от 300 до 1000с (в зависимости от обогащения урана));

— пребывание инспектора в помещениях с повышенным фоном;

— затраты труда работников организации, задействованных при проверке.

Очевидно, что для успешного осуществления надзорной деятельности по контролю ядерных материалов, необходимо в первую очередь наличие соответствующей методической базы, регламентирующей процедуры применения технических средств для измерений ядерных материалов и использования статистических методов для планирования измерений и обработке результатов.

Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена возрастающими в настоящее время требованиями к разработке и применению таких методических и технических решений, которые бы позволили организовать эффективный надзор за формирующейся системой учета и контроля ядерных материалов в России с учетом требований новых нормативных документов.

Целью настоящей работы является разработка методических рекомендаций по организации надзора за учетом и контролем ядерных материалов с использованием технических средств измерений и реализация на этой основе методических решений по проверке фактического наличия ядерного материала,.

10 способствующих снижению угрозы его несанкционированного использования или хищения.

Для достижения цели в работе рассмотрены следующие задачи:

— сравнительный анализ методов выборочной проверки наличия ядерных материалов, имеющихся в практике российского и мирового опыта (главы 1,2);

— определение влияния характеристик средств измерения, используемых инспектором и оператором, на результат проверки наличия ядерных материалов (глава 3);

— расчетное определение метрологических характеристик методик измерения содержания U-235 в уране при однократных измерениях учетных единиц (глава 3);

— разработка метода экспрессного расчета размера выборки в зависимости от выбранной вероятности обнаружения и массы U-235 в учетной единице (глава 3);

— экспериментальное определение погрешности измерения учетных единиц с ядерным материалом гамма-спектрометрами Inspector различной модификации и исследование возможностей гамма-спектрометров Scout, mMCA-430 (глава 4);

— разработка методологии проведения инспекций, позволяющей с наименьшими затратами провести выборочную проверку ядерного материала, используя технические средства измерения, и по результатам проверки сделать вывод о сохранности ядерного материала в зоне баланса материалов организации (главы 3,5).

Научная новизна.

По результатам анализа методов проверки фактического наличия ядерного материала установлено, что при использовании погрешности средства измерения в качестве основного критерия в расчетах размера выборки получившийся размер выборки может быть занижен и недостаточен для обнаружения де.

II фектов, отличных от больших. Наилучшим вариантом в этом случае является расчет размера выборки в зависимости от предполагаемых реальных дефектов.

Впервые экспериментально определены и систематизированы в объеме задач проверочных измерений погрешности гамма-спектрометров U-Pu и IMCA Inspector на различной матрице урана (оксиды урана, гексафторид урана).

Впервые разработан алгоритм инспекции ядерных материалов с учетом современных требований в зависимости от характеристик ядерного материала.

Практическая ценность работы.

Основную практическую ценность и значимость диссертации составляют:

— сформулированные автором методические решения проверки наличия ядерного материала, позволяющие обеспечить оперативный контроль наличия ядерного материала заявленного типа и обогащения по U-235 непосредственно в контейнерах при его хранении, отправке и получении и уменьшить затраты на организацию измерений (личный вклад автора, акт об использовании материалов диссертационной работы Кривошеиной О. В. на СХК № 60−01/4604 от 10.09.2001 г. (приложение)), что в ценах 2001 г. составляет ожидаемый эффект на одном из заводов Сибирского химического комбината экономию в 80 тысяч рублей в год. Данные решения могут быть использованы как инспекторами Госатомнадзора России при инспекциях ядерного материала, так и операторами объектов использования атомной энергии при проведении физической инвентаризации и при передачах материала;

— результаты исследований влияния характеристик средств измерения, используемых инспектором и оператором, на результат проверки ядерных материалов;

— результаты расчетных и экспериментальных исследований различной матрицы урана в учетных единицах гамма-спектрометрами, проведенные автором диссертации совместно с коллегами из различных регионов России.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были обсуждены на семинарах Госатомнадзора России в УМЦУК (г.Обнинск), МИФИ (г.Москва) и изложены в девяти публикациях, шесть из которых были представлены на.

— семинарах Госатомнадзора России «Инспекции учета и контроля ядерных материалов на предприятиях, имеющих ядерные материалы в форме учетных единиц"в 1999;2001г.г. и в учебном пособии по этому курсу[10];

— семинарах Госатомнадзора России «Использование статистических методов при надзоре за учетом и контролем ядерных материалов» в 2001;2002г.г. и в учебном пособии по этому курсу [11];

— научно-технической конференции в г. Северске в 1999 г. [12];

— Ш международной конференции по учету, контролю и физической защите ядерных материалов в г. Екатеринбурге в 1999 г. [13];

— международной юбилейной научно-практической конференции в г. Томске в 2000 г. [14];

— трехстороннем семинаре «Измерения, проверка наличных количеств и оценка баланса ядерных материалов» в г. Обнинске в 2001 г. [15] и три статьи опубликованы в журналах «Известия вузов. Ядерная энергетика» и «Известия вузов. Физика» [16−18].

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования методологии М. Франклина (JRC, Испра) по проверке фактического наличия ядерных материалов. Решение задачи обнаружения дефектов разного размера при проверке ядерных материалов с учетом совместного использования технических средств измерения неразрушающего анализа разных типов позволило существенно сократить затраты на выполнение измерений, включая трудозатраты на непосредственное проведение измерений, время пребывания персонала в помещениях с повышенным фоном и потребное количество расходных материалов.

2. Решение задачи экспрессного расчета размера выборки для проведения проверочных измерений, которое состоит в определении коэффициента выборки из таблиц, составленных автором работы, в зависимости от массы U-235 и вероятности обнаружения недостачи (излишка) порогового количества ядерного материала.

3. Результаты теоретически и экспериментально определенных суммарных погрешностей массовой доли U-235 (обогащения) в уране при однократном измерении учетной единицы гамма-спектрометрами InSpector различной модификации.

4. Результаты исследований характеристик гамма-спектрометров Scout, mMCA-430, подтверждающие возможность их использования при контроле фактического наличия ядерного материала как в комплексе с другими средствами измерений (количественного определения материала), так и для обнаружения и идентификации ядерных материалов.

5. Алгоритм инспекции ядерных материалов, позволяющий организовать репрезентативную выборочную проверку ядерных материалов с различными характеристиками в любой ЗБМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения, рисунков и таблиц.

Основные результаты и выводы диссертационной работы можно свести к следующему:

1. Впервые проведены исследования методологии М. Франклина для проверки фактического наличия ядерных материалов, по результатам которых оптимизирован процесс проверки совокупностей учетных единиц с ядерным материалом с учетом возможностей применения средства измерения качественного и количественного определения материала.

Получено решение аналитической задачи по обнаружению возможных дефектов на российских ядерных установках, которые могут быть определены инспектором федерального надзора с учетом характеристик средств измерения, имеющихся у инспектора:

— большой дефект — отсутствие ядерного материала в учетной единице или замена на неядерный материал ,.

— частичный дефект — частичное изъятие урана или замена высокообога-щенного урана на уран другого обогащения.

Для определения больших дефектов оптимальным вариантом является использование средств измерения качественного определения наличия или отсутствия ядерного материала в учетной единице (в этом случае, число возможных дефектных единиц d = (G/A)).

Для определения частичных дефектов d=(G/yA) величина у рассчитывается с учетом оценки числа и величины возможных дефектов перед проведением инспекции, исходя из реальных условий на конкретном объекте использования атомной энергии. При наличии в ЗБМ ядерных материалов близкого обогащения, перед проверкой необходимо оценить возможность обнаружения аномалии.

117 имеющимися средствами измерения с погрешностью измерений, иначе переключение материала может быть не обнаружено.

Оптимальным решением при проверке фактического наличия ядерных материалов для обнаружения всех дефектов является совместное использование средств измерения — качественного и количественного характера, которое позволяет существенно сократить время измерения, что соответственно снижает трудозатраты на выполнение измерений, время пребывания персонала в помещениях с повышенным фоном, потребное количество расходных материалов (например, азота).

2. Расчетом определены значения суммарной относительной погрешности измерений содержания U-235 при однократных измерениях учетных единиц средствами измерения U-Pu InSpector, IMCA InSpector, что позволяет сократить время на проведение измерений и привести необходимое количество измерений к реальной практике. Результаты расчета подтвердились экспериментальными данными: при измерениях различной матрицы урана (гексафторида урана, оксидов урана, металлического урана) в контейнерах с толщиной стенки из стали до 8 мм для U-Pu InSpector и толщиной стенки до 15 мм для IMCA InSpector могут быть приняты погрешности, рассчитанные теоретически.

Ограничением при измерении учетных единиц с ядерным материалом для определения аномалии для гамма-спектрометров InSpector будет являться значение суммарной относительной погрешности (табл. 3.7 — 3.11 раздела 3.4).

Рассмотренные характеристики средств измерения (гамма-спектрометров качественного определения материала mMCA-430, Scout и количественного определения материала U-Pu InSpector и IMCA InSpector) позволяют совместно использовать их для проверки фактического наличия ядерного материала с целью обнаружения его несанкционированного использования ((определение как больших, так и частичных дефектов).

3. Предложен метод расчета размера выборки, позволяющий решать вопросы экспрессного определения размера выборки в зависимости от категории и массы ядерного материала в учетной единице. Получены таблицы коэффициента выборки для вероятностей обнаружения 95%, 50%, 25%, 12,5% для G= 8 кг и 95%, 30%, 9%, 2,7% для G=70 кг.

Инспектор может использовать приведенные таблицы для оперативного расчета размера выборки при проведении инспекций, а оператор — для определения объема выборки подтверждающих измерений при проведении физических инвентаризаций или процедурах передачи ядерного материала.

4. Разработан алгоритм выборочной проверки ядерных материалов применительно к требованиям современных нормативных документов, позволяющий проводить инспекции в ЗБМ, имеющие ядерный материал.

— различной массы U-235 и распределения массы U-235 в учетных единицах,.

— различной матрицы и категории.

В алгоритме учитываются наличие средств контроля доступа, применяемых к ядерному материалу, ресурсы проверяющего — средства измерения, методики выполнения измерений, расходные материалы.

Все рекомендованные методы проверки учетных единиц с различной матрицей урана могут буть применимы и для проверки учетных единиц с плутонием.

Таким образом, разработанные в данной диссертационной работе методические решения и рекомендации позволяют организовать надзор за учетом и контролем ядерных материалов с использованием технических средств измерений в соответствии с требованиями Концепции системы государственного учета и контроля ядерных материалов, повышают надежность контроля и, в це.

119 лом, способствуют снижению угрозы несанкционированного использования или хищения ядерных материалов.

Предложенный подход определяет технические характеристики средств измерения ядерных материалов, требования к планированию и проведению инспекции, минимизирует материальные и временные затраты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.