Магистерская диссертация на соискание академической степени магистра Название диссертации Перспективы внедрения метода кнд- м как количественного определения

36 
Мгновенные нейтроны деления (МНД) – нейтроны, возникающие в 
результате ядерных реакций деления, протекающих непосредственно на 
радионуклидах 
232
Th, 
235
U и 
238
U. При облучении нейтронами природных 
образований (рудовмещающих пород) происходит захват первичных нейтронов 
ядрами этих нуклидов, который приводит к расщеплению ядер на осколки 
(реакция деления ядер), при этом каждый акт деления сопровождается 
выделением двух-трех «мгновенных» нейтронов деления (МНД) с непрерывным 
спектром и средними энергиями около 2 МэВ, а также с испусканием 8-10 
«мгновенных» гамма-квантов деления. После этого возбуждение осколков 
снимается в каскаде 

-распадов с периодами полураспада от долей до десятков 
секунд и образованием «запаздывающих» нейтронов деления с такими же 
задержками и примерно на 2 порядка меньшей множественностью. Энергия, 
выделяемая в (n,f)-реакции деления, огромна и, например, для 
235
U составляет 
~200 МэВ, но зондирующим руду при КНД- М мгновенным нейтронам деления 
достается всего в сумме ~6 МэВ. Природные актиноиды 
232
Th и 
238
U имеют 
эффективный порог деления ~1,4 МэВ. Их «мгновенные» нейтроны деления 
также испускаются в течении ~10
-8
с, имеют близкую среднюю энергию ~2 МэВ и 
похожие непрерывные энергетические спектры деления. Поэтому их 
замедление и термализация происходит одновременно с быстрыми 
нейтронами, инжектированными генератором. Термализованные нейтроны 
распространяются в веществе по законам диффузии, пока не будут захвачены 
ядрами вещества в системе «прибор-скважина- пласт». Время термализации t
th 
очень сильно зависит от замедляющих и рассеивающих свойств рудовмещающих 
пород, прежде всего от их влажности, возрастая от первых единиц до ~100- 200 
мкс с уменьшением влажности до нулевых значений; для горных пород и руд 
силикатного состава измеренная на моделях достаточно малой влажности 
максимальная величина t
th 
= 150 ± 5 мкс. Так как урановые руды относятся к 
замедлителям со слабым поглощением нейтронов, то за время полной 
термализации в среде останутся только тепловые нейтроны, вызывающие 
деление ядер урана-235 с испусканием в основном мгновенных и маленькой 
доли запаздывающих нейтронов (разработан также вид «каротажа на уран по 
запаздывающим нейтронам деления» ядер урана-238 на быстрых нейтронах и 
урана-235 на тепловых нейтронах, которые регистрируются в тепловой области 
энергий). 
Физическая суть метода КНД-М состоит в измерении мгновенных 
нейтронов деления (МНД) урана-235, возникающих при взаимодействии его 
ядер с тепловыми нейтронами, образовавшимися в результате замедления и 
термализации нейтронов с энергией 14 МэВ импульсного генератора 
нейтронов. Возникшие мгновенные нейтроны деления имеют энергетический 
спектр деления со средней энергией порядка 2 МэВ, они тоже начинают 
замедляться, термализоваться и становиться тепловыми нейтронами, не 
отличимыми от первичных тепловых нейтронов генератора, поток которых 
гораздо мощнее. 

37 
Рисунок 3.1 – Сечение деления ядер изотопов урана в зависимости от энергии 
нейтронов 
 
С ростом энергии нейтронов Е сечение деления 

nf
(Е) на уране-238 
после порога ~1.4 МэВ увеличивается примерно до постоянного значения 
~0,5·10
-28
м
2
. В области Е ≥ 6 МэВ сечение вновь возрастает, поскольку 
добавляется канал реакции (n,n`,f) — неупругое рассеяние нейтронов (n,n`), 
после которого ядра 
238
U остаются со столь большой энергией возбуждения, 
что способны разделиться на осколки. В целом сечение деления 
238
U на 
быстрых нейтронах не превышает 1,5·10
-28
м
2
вплоть до максимальных 
энергий ~10 МэВ. 
Для редкого изотопа 
235
U сечение деления 

nf
(Е) по мере снижения 
энергии нейтронов от верхней границы надтепловой области Ент~1 эВ сечение 

nf
(Е) резко возрастает тоже по «закону 1/v» и для тепловых нейтронов с Е ~ 
0,025 эВ оно достигает значений ~10
-25
м
2
, превышающих сечение деления 
изотопа 
238
U на 3 порядка. 
Следовательно, несмотря на малую распространенность изотопа 
235
U в 
природном уране (~ 0,72 %), основной вклад в реакцию деления, вызываемую 
тепловыми нейтронами, будут вносить ядра 
235
U. 
Для выделения довольно слабого сигнала МНД на фоне первичных 
нейтронов источника применяются одновременно две физические отсечки – по 
времени задержки и по энергии нейтронов. 
Блокировка измерений на время отсечки после импульса, превышающее 
максимальное время термализации нейтронов t
th 
~160 мкс в типовых для 
гидрогенных месторождений породах, позволяет отсечь все быстрые, 
промежуточные и надтепловые нейтроны генератора, оставив только 
первичные тепловые нейтроны генератора. Важно, что в силу очень резкого 
убывания времени термализации от влажности, t
th
(W), с одной стороны, и 

38 
повышенной величины нижней границы влажностей W
min 
≈ 10% на 
гидрогенных месторождениях урана, с другой, максимальное время 
термализации t
th
(W
min
) ≈ t
th
(10%) 
может быть всего 50-60 мкс. Это означает, 
что допустимое время отсечки для блокировки измерений после импульса 
ИНГ (импульсного нейтронного генератора) может быть тоже снижено до 
значений t
th
(W
min
) ≈ 50-60 мкс, т.е. примерно на 100 мкс, что позволяет 
увеличить самую критичную величину – скорость счета МНД в 1.5-2 раза или 
повысить скорость каротажа. 
Отсечка по энергии измеряемых нейтронов достигается путем 
окружения счетчика медленных нейтронов фольгой из кадмия, который имеет 
аномально большое (2450 барн) сечение поглощения нейтронов в тепловой 
области, но достаточно хорошо пропускает нейтроны с надтепловыми (выше 
0,7 эВ) энергиями. Для повышения эффективности регистрации между 
кадмиевой фольгой и счетчиком медленных нейтронов размещают в 
замедлитель из оргстекла толщиной 5 мм. 
В результате надтепловая и более высокоэнергетическая часть спектра 
образовавшихся нейтронов МНД проходит в детектор и дает сигнал о наличии 
в рудном теле урана, в то время как интенсивный поток первичных тепловых 
нейтронов генератора полностью поглощается слоем кадмия толщиной от 0,5 
до 1,0 мм. В итоге детектор КНД-М регистрирует практически чистый сигнал 
от урана-235, который в силу постоянства изотопного состава природного 
урана точно характеризует и общее массовое содержание урана. 
Деление урана-238 быстрыми нейтронами происходит только в течение 
нескольких десятков наносекунд после окончания нейтронного импульса, 
поэтому за время блокировки регистрации импульсов, составляющего 
несколько десятков микросекунд, мгновенные нейтроны деления урана-238 
практически одновременно с нейтронами источника достигнут тепловых 
скоростей и не будут регистрироваться детектором. По той же причине и 
наличие тория не создает заметного эффекта. 
Следовательно, измеряемая при проведении КНД-М скорость счета 
потока нейтронов не содержит в себе информацию о содержании в рудах радия, 
тория, радиоизотопа калия. Результаты интерпретации по определению 
содержаний урана, в отличие от интерпретации данных гамма-каротажа, не 
требуют корректировки на радиоактивное равновесие между ураном, радием 
и дочерними продуктами их распада. Это является определяющим при выборе 
места и роли метода в комплексе геофизических работ, проводимых как при 
разведке пластово-инфильтрационных месторождений урана, так и при их 
отработке способом подземного скважинного выщелачивания (ПСВ). 

жүктеу/скачать 3 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: