УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ВНУТРЕННЕЙ ОБОЛОЧКИ ТВЭЛА Российский патент 1997 года по МПК G21C17/06 G01T1/20 G01B15/02 

Изобретение относится к контролю ТВЭЛов, а именно, к измерению толщины оболочек ТВЭЛЛов ядерных реакторов, изготовленных в виде трехслойных труб различной конфигурации.

Известно устройство для измерения толщины внутренней оболочки ТВЭЛов ядерных реакторов, содержащее измерительный датчик, состоящий из малогабаритного источника бета-излучения и полупроводникового детектора, регистрирующую аппаратуру, механизм перемещения ТВЭЛа относительно измерительного датчика. (Радиоизотопная установка для неразрушающего контроля: Паспорт/Разраб. РНИИРП, Рига, Латвия, 1981).

Недостатком данного устройства является низкая радиационная стойкость полупроводникового детектора, а также конструкция механизма перемещения ТВЭЛа, которая не позволяет контролировать ТВЭЛы различной конфигурации.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату - прототип, является устройство контроля толщины внутренней оболочки ТВЭЛа, содержащее измерительный датчик, состоящий из источника излучения и детектора, соединенного с регистрирующей аппаратурой (Патент N 2179142 Великобритания, 1987).

Однако измерение средней толщины внутренней оболочки в кольцевом сечении ТВЭЛа не позволяет контролировать толщину в его отдельных точках. Отсутствие привода перемещения ТВЭЛа в устройстве не позволяет измерять толщину оболочки в любой точке внутренней поверхности ТВЭЛа.

Для контроля толщины внутренней оболочки ТВЭЛа в любой точке измерительный датчик должен состоять из малогабаритного источника бета-излучения и радиационностойкого сцинтилляционного детектора, сцинтилляционный кристалл которого связан световодом с фотоэлектронным умножителем.

Реализация данного устройства на используемых в широкой практике сцинтилляционном кристалле стильбена, волоконно-оптическом световоде и ФЭУ-60 (Румянцев С.А. Парнасов В.С. Применение бета-толщиномеров покрытий в промышленности. М. Атомиздат, 1980) оказалась неудачной в связи с тем, что ТВЭЛы ряда реакторов имеют низкую урановую загрузку, следовательно, топливный слой имеет низкий эффективный атомный номер и плотность, и, как следствие, низкий уровень полезного сигнала. При этом уровень неинформативных шумов, связанных со свечением стеклянного световода от собственного гамма-излучения ТВЭЛа и от наведенного внутри ТВЭЛа рентгеновского излучения, достаточно высок. В этом случае соотношение сигнал/шум измерительного тракта устройства становится меньше двух, что является недостаточным для проведения надежного контроля.

Целью изобретения является измерение толщины внутренней оболочки ТВЭЛа в любой точке внутренней поверхности и увеличении точности измерения.

Для этого устройство содержит привод перемещения ТВЭЛа относительно измерительного датчика, в качестве источника излучения использован малогабаритный источник бета-излучения, детектор выполнен в виде монокристалла эвлитина с оптическим фильтром на выходе, монокристалл эвлитина сформирован в виде усеченного конуса со сферическим торцем покрытым слоем алюминия толщиной не более .

На фиг. 1 показаны спектры излучения стильбена, эвлитина (Вi₄Gе₃0₁₂), световода под воздействием внешнего ионизирующего излучения. Очевидно, что спектры стильбена и световода практически совпадают и разделить их невозможно. Максимум спектра излучения эвлитина (λ_max=510 нм), почти на 100 нм отличается от λ_max световода. Одновременно эвлитин имеет более высокую эффективность регистрации бета-излучения, амплитуда сигнала почти в 6 раз выше, чем у стильбена.

При использовании эвлитина в качестве детектора фильтрация фонового сигнала от полезного возможна с помощью фильтра ЖС-17 (ЖС-18), имеющего на полтора порядка разную оптическую плотность для длин волн λ=470 нм и λ=510 нм, т. е. практически полностью срезающего фоновый сигнал от световода. Фильтр установлен на выходном конце световода перед фотокатодом ФЭУ.

ФЭУ-60 был заменен на ФЭУ-130, имеющий более высокую анодную чувствительность и малый уровень собственных шумов.

Для увеличения уровня полезного сигнала форма кристалла эвлитина выбрана в виде усеченного конуса, оканчивающегося сферической поверхностью радиусом R ≅ 1000 мм, а наружная поверхность кристалла с помощью термического распыления покрывалась алюминиевой пленкой толщиной , отражающей кванты света, выходящие наружу.

Это позволяет все возникающие в кристалле эвлитина световое излучение направить на вход световода. Выбранная форма кристалла эвлитина исключает многократное переотражение свечения в сцинтилляторе и обеспечивает оптимальное (перпендикулярное) вхождение передаваемого излучения в световой канал. Радиус сферы (фокусирующей) не является жестким для данного технического устройства и может быть от десятков до сотен миллиметров. В работе испытан сцинтиллятор с R≈1000 мм.

Таким образом, реализация изобретения дает новый технический результат, заключающийся в устранении неинформативных шумов, связанных со свечением световода от собственного гамма-излучения ТВЭЛа. Данный технический результат достигается, в частности, при контроле толщины внутренней оболочки ТВЭЛов ядерных реакторов, изготовленных в виде трехслойных труб.

На фиг. 2 изображено устройство для контроля толщины внутренней оболочки ТВЭЛа.

Устройство содержит привод 1 перемещения ТВЭЛа, измерительный датчик, состоящий из сцинтилляционного монокристалла эвлитина 2, стеклянного световода 3 и источника и бета-излучения в коллиматоре, заключенных в корпусе 5, оптический фильтр 6.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемый ТВЭЛ 7 устанавливают в привод 1 перемещения, обеспечивающий контакт корпуса 5 датчика с любой точкой поверхности внутренней оболочки ТВЭЛа.

Сколлимированный пучок бета-излучения источника 4, испытывая обратное рассеивание от внутреннего слоя 9 ТВЭЛа 7, попадает на сцинтилляционный монокристалл эвлитина 2. Поглощенная монокристаллом эвлитина энергия потока обратно рассеянных электронов преобразуется в энергию люминисценции световых вспышек с λ=510 нм, которые направляются на вход стеклянного световода 3. Часть светового излучения, выходящего наружу, за счет отражающего покрытия 8, которое нанесено на наружную поверхность монокристалла эвлитина, возвращается обратно и поступает на вход световода 3. Количество люминисцирующих световых сигналов пропорционально потоку обратно рассеянных электронов, однозначно связанных с толщиной оболочки.

За счет многократного рассеяния в световоде 3 световой сигнал поступает через фильтр 6 на фотокатод 10 ФЭУ, преобразуясь в пропорциональный электрический сигнал, который поступает на вход регистрирующей аппаратуры.

Собственное гамма-излучение топливного слоя, а также рентгеновское излучение, вызываемое взаимодействием потока электронов от источника бета-излучения с материалом трубы, попадая в световод, вызывает люминисценцию с λ=430 нм. Однако пройдя по световоду 3, это излучение будет срезаться фильтром 6 ЖС-17 (ЖС-18) и практически не попадет на фотокатод ФЭУ-130.

Таким образом, использование изобретения позволяет увеличить точность измерения а счет повышения соотношения сигнал/шум не менее, чем в пять раз.

Использование: в области неразрушающего контроля ТВЭЛов ядерных реакторов радиометрическим методом, а именно, измерении толщины внутренней герметизирующей оболочки ТВЭЛов, изготовленных в виде трехслойных труб различной конфигурации. Для измерения толщины оболочки используется метод обратного рассеянного бета-излучения. устройство содержит направляющие с кареткой, зажим для фиксации ТВЭЛа, привод перемещения ТВЭЛа и измерительный датчик. Датчик состоит из малогабаритного источника бета-излучения и сцинтилляционного детектора, соединенного с регистрирующей аппаратурой. Детектор выполнен в виде монокристалла эвлитина с оптическим фильтром на его выходе. Монокристалл эвлитина сформирован в виде усеченного конуса со сферическим торцем, покрытым слоем алюминия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство контроля толщины внутренней оболочки твэла, содержащее измерительный датчик, состоящий из источника излучения и детектора, соединенного с регистрирующей аппаратурой, отличающееся тем, что содержит привод перемещения твэла относительно измерительного датчика, причем в качестве источника излучения использован малогабаритный источник бета-излучения, а в качестве детектора использован сцинтилляционный детектор из монокристалла эвлитина, выполненного в виде усеченного конуса со сферическим торцом, имеющим покрытие, при этом на выходе детектора установлен оптический фильтр. 2. Устройство по п. 1, отличающееся, тем, что покрытие выполнено слоем алюминия толщиной не более 1000 .