Способ определения теплоты сгорания твердого топлива с помощью нейтронов

(51) 01 23/22 (2010.01) 01 5/00 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ интенсивность гамма-излучения в области полупарного пика неупругого рассеяния углерода(3,92 МэВ), меняют ширину энергетического интервала Е в области полупарного пика и находят оптимальную ширину опт., при которой измеренная интенсивность равняется интенсивности гамма-излучения в области 4,43 МэВ, а теплоту сгорания определяют по величине отношения сумм интенсивностей гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом с энергией 4,43 МэВ и радиационного захвата тепловых нейтронов водородом с энергией 2,23 МэВ к интенсивности гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов элементами минеральной части с энергией выше 5 МэВ совместно с найденной оптимальной шириной Еопт. Технический результат заявляемого изобретения состоит в расширении сферы применения способа за счет дополнительного измерения интенсивности гамма-излучения в области полу парного пика углерода (3,92 МэВ) и нахождении оптимальной ширины энергетического интервала Еопт в области полупарного пика,зависящей от содержания железа.(72) Пак Дмитрий Юрьевич Пак Юрий Николаевич Лепявко Дарья Ивановна(73) Пак Дмитрий Юрьевич Пак Юрий Николаевич(56) Старчик Л.П., Пак Ю.Н., Борушко Н.И.,Способ определения теплотворной способности угля, 1975(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПОМОЩЬЮ НЕЙТРОНОВ(57) Изобретение относится к физическим способам контроля качества и может быть использовано для определения теплоты сгорания топлива в процессе его добычи и переработки. Задачей изобретения является повышение точности определения теплоты сгорания в условиях переменного содержания железа в углях. Способ определения теплоты сгорания твердого топлива с помощью нейтронов, заключающийся в его облучении потоком быстрых нейтронов и регистрации гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом с энергией 4,43 МэВ и радиационного захвата тепловых нейтронов,отличающийся тем, что дополнительно измеряют Изобретение относится к области анализа качества твердого топлива ядерно-физическими методами и может быть применено для определения теплоты сгорания топлива в процессе его добычи и переработки в угледобывающей и топливноэнергетической отраслях промышленности. Известен способ определения теплоты сгорания угля, основанный на его облучении потоком быстрых нейтронов и регистрации гамма-излучения,возникающего при неупругом рассеянии быстрых нейтронов углеродом с энергией 4,43 МэВ. (Пак Ю.Н., Старчик Л.П. Определение теплотворной способности угля нейтронным гамма-методом. Известия вузов. Горный журнал, 1980,2, с. 3-5). Недостатком известного способа является сравнительно низкая чувствительность,обусловленная тем,что теплота сгорания оценивается только по содержанию углерода. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ,заключающийся в облучении угля потоком быстрых нейтронов и регистрации наряду с гаммаизлучением неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом и гамма-излучения,возникающего при радиационном захвате тепловых нейтронов водородом и элементами минеральной части. (Старчик Л.П., Пак Ю.Н., Борушко Н.И. А.с. СССР. Способ определения теплотворной способности угля,495947, 1975). Данный способ характеризуется повышенной чувствительностью, в силу комплексного учета сигналов от углерода,водорода и минеральных компонентов топлива,влияющих на теплоту сгорания. Недостатком известного способа является сравнительно невысокая точность определения теплоты сгорания углей переменного вещественного состава, в частности колебаний содержания железа. Это обусловлено тем, что макроскопическое сечение радиационного захвата тепловых нейтронов у железа в несколько раз выше, чем у остальных элементов, входящих в минеральную часть углей. Поэтому интенсивность гамма-излучения,возникающего при радиационном захвате тепловых нейтронов элементами минеральных компонентов угля (, , , Са и ) с энергией выше 5 МэВ будет зависеть не только от суммы минеральных компонентов(зольности угля),но и от перераспределения концентраций золообразующих элементов, прежде всего железа. Задачей изобретения является повышение точности определения теплоты сгорания в условиях переменного содержания железа в углях. Технический результат изобретения состоит в расширении сферы применения способа. Поставленная задача решается следующим образом. В процессе облучения твердого топлива потоком быстрых нейтронов и регистрации гаммаизлучения, возникающего при неупругом рассеянии быстрых нейтронов углеродом с энергией 4,43 МэВ и радиационном захвате тепловых нейтронов водородом с энергией 2,23 МэВ и элементами минеральной части топлива с энергией 5 МэВ дополнительно измеряют интенсивность гамма 2 излучения в области полупарного пика неупругого рассеяния углерода (3,92 МэВ). Меняют ширину энергетического интервала Е в области полупарного пика и находят оптимальную ширину Еопт, при которой измеренная интенсивность равняется интенсивности гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом с энергией 4,43 МэВ, а теплоту сгорания определяют по величине отношениясумм интенсивностей гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом с энергией 4,43 МэВ и радиационного захвата тепловых нейтронов водородом с энергией 2,23 МэВ к интенсивности гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов элементами минеральной части с энергией выше 5 МэВ совместно с найденной оптимальной шириной Еопт. В силу сложности аппаратурной функции сцинтилляционного гамма-спектрометра пик неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом располагается во вторичном нейтронномгамма спектре на фоне непрерывного комптоновского распределения более жесткого(высокоэнергетического) захватного гаммаизлучения А 1 (7,73 МэВ),(4,96 МэВ),(5,44 МэВ), Са (6,44 МэВ) и(7,64 МэВ). Иными словами, в области 4,43 МэВ помимо гамма-квантов, возникающих при неупругом рассеянии на углероде, будут присутствовать гаммакванты, обусловленные комптоновским рассеянием более высокоэнергетического гамма-излучения. Этот комптоновский вклад зависит от суммарной интенсивности захватного гамма-излучения с энергией выше 5 МэВ, которая в свою очередь зависит не только от суммы минеральных компонентов (зольности), но и от колебаний элементного состава, прежде всего железа. В области полупарного пика углерода с энергией 3,92 МэВ помимо квантов, обусловленных углеродом, определенный вклад вносит рассеянные гамма-кванты высокоэнергетического захватного гамма-излучения. Причем, чем ниже энергия, тем больше этот вклад. С целью получения информации о вкладе захватного гамма-излучения предложено измерять интенсивность гамма-излучения в области полупарного пика (3,92 МэВ) и изменяя ширину энергетического интервала Е в области полупарного пика находят оптимальную ширину опт., при которой измеренная интенсивность совпадает с интенсивностью гамма-излучения в фиксированной области пика углерода, например,4,23-4,63 МэВ. При равенстве измеренных интенсивностей ширина энергетического интервала опт., будет однозначной функцией вклада захватного гамма-излучения. Экспериментально установлено, что ширина энергетического интервала опт., выбранная с точки зрения равенства соответствующих интенсивностей, тесно связана с содержанием железа в минеральной массе топлива, что обусловлено аномально высоким макросечением захвата тепловых нейтронов железом (2,810-2 см 2/г). Для сравнения у кремния, являющегося основным по массе компонентом минеральной части,макросечение составляет всего 0,3410-2 см 2/г. Для повышения точности определения теплоты сгорания предложено дополнительно измерять интенсивность в области полупарного пика углерода и находить оптимальную ширину энергетического интервала опт., которая служит корректирующим параметром в условиях переменного содержания железа. Существенным отличием изобретения от прототипа является то, что дополнительно находят оптимальную ширину энергетического интервала Еопт. в области полупарного пика (3,92 МэВ) неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом, при которой измеренная интенсивность равняется интенсивности гамма-излучения неупругого рассеяния в области 4,43 МэВ, а теплоту сгорания определяют по величине отношенияинтенсивностей совместно с найденной оптимальной шириной Еопт. Пример осуществления способа. Между Ро-Ве источником нейтронов и сцинтилляционным детекторомразмером 4040 мм размещался защитный экран в виде конуса, практически полностью ослабляющий прямое гамма-излучение источника. Детектор окружен кожухом,содержащим бор. Уголь размещался в цилиндрической кювете с кольцевым зазором. Спектральное распределение измерялось многоканальным анализатором АИ-1024. Изучая спектральное распределение вторичного излучения проб углей с различной теплотой сгорания и различными содержаниями железа в минеральной массе, находят оптимальные значения ширины энергетического интервала опт., в области полупарного пика углерода. По зависимостям величины отношенияинтенсивностей от теплоты сгорания топлива, шифром которых служит найденные оптимальные значения опт.,определяют теплоту сгорания топлива. Таким образом,предлагаемый способ определения теплоты сгорания, заключающийся в измерении величины отношения интенсивностейи дополнительном измерении интенсивности гаммаизлучения в области полупарного пика углерода с нахождением для каждого угля оптимальной ширины энергетического интервала опт.,позволяет исключить влияние непостоянства железа. Апробации подвергались Карагандинские угли широкого гранулометрического состава. Масса пробы около 100 кг. Влажность 2-11, содержание железа в золе колебалось в интервале 0,6-13. В таблице приведены сопоставительные метрологические характеристики(прототип) и предлагаемого способов определения теплоты сгорания. Предлагаемый способ в сравнении с прототипом выгодно отличается повышенной точностью в условиях переменного содержания железа, что существенно расширяет сферу его применения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ определения теплоты сгорания твердого топлива с помощью нейтронов, заключающийся в его облучении потоком быстрых нейтронов и регистрации гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом с энергией 4,43 МэВ и радиационного захвата тепловых нейтронов,отличающийся тем, что дополнительно измеряют интенсивность гамма-излучения в области полу парного пика неупругого рассеяния углерода (3,92 МэВ), меняют ширину энергетического интервала Е в области полупарного пика и находят оптимальную ширину опт., при которой измеренная интенсивность равняется интенсивности гамма-излучения в области 4,43 МэВ, а теплоту сгорания определяют по величине отношения сумм интенсивностей гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов углеродом с энергией 4,43 МэВ и радиационного захвата тепловых нейтронов водородом с энергией 2,23 МэВ к интенсивности гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов элементами минеральной части с энергией выше 5 МэВ совместно с найденной оптимальной шириной Еопт.