ВЕРТИКАЛЬНАЯ ЗАЩИТНАЯ КАМЕРА Российский патент 2002 года по МПК G21F7/00 

Предлагаемое техническое решение относится к области ядерной техники, в частности касается защитных камер, и может быть использовано на АЭС с канальными реакторами для выполнения в защитных камерах дополнительно к штатным операциям, например с топливными сборками, экспериментальных облучений различных мишеней с целью модификации их свойств.

В настоящее время ситуация на мировом рынке облучательных установок, занимающихся радиационной гамма-обработкой различных мишеней (продуктов питания и промышленных изделий), указывает на существенное увеличение спроса на источники ионизирующего излучения на основе кобальта-60 [9], что обусловлено как стремительным ростом числа облучательных установок, так и расширением диапазона применения радиационных технологий [7, 11, 12, 15, 17]. В этой связи, по заключениям ведущих специалистов, мировая наука столкнулась с проблемой быстрой и экономичной проверки на практике новых идей в области радиационных технологий. В течение последних лет типы облучательных установок, пригодных для отработки радиационных технологий, полностью изменились [11] . Небольшие лабораторные облучатели были заменены электронными ускорителями высокой мощности и радиоизотопными источниками высокой активности, например, использующимися для стерилизации медицинских инструментов. Мобильные транспортабельные облучатели, установленные на грузовиках или на кораблях, исчезли вследствие их низкой производительности, малой мощности дозы излучения и устаревших конвейерных систем. Таким образом, в общей массе облучательных гамма-установок доля установок, технически и экономически "удобных" для проведения экспериментальных облучений, существенно сократилась. Используемые в настоящее время для этих целей промышленные облучательные гамма-установки в силу своей специфики не всегда могут выполнить весь комплекс требований заказчика (технических, экономических, экологических, сервисных и др.). Проблема в том, что указанные промышленные облучательные установки [11, 12], занимающиеся радиационной обработкой промышленных изделий или продуктов питания, обладают, как правило, большой суммарной мощностью своих облучателей (более 1 млн. Кюри), что в большинстве случаев не требуется при разработке новой радиационной технологии. К тому же коэффициент использования этих установок близок к единице [3], т.е. они рассчитаны на круглосуточную работу в период, в течение которого обеспечиваются требуемые условия проведения техпроцесса. При естественном снижении уровня мощности своего облучателя ниже заданной производится замена облучателя свежими источниками, и работа установки возобновляется в прежнем режиме. При такой загруженности облучательной установки использование ее для экспериментальных облучений единичных изделий, исследований, поиска и отработки новых радиационных техпроцессов технически и экономически нецелесообразно. Поскольку экспериментальным облучениям подвергаются, как правило, единичные образцы, то создание оптимальных условий для подобных облучений технически и экономически целесообразно осуществлять в небольших по объему и мощности облучателя гамма-установках или защитных камерах. К этому надо добавить, что качество выполняемых новых проектов и прогнозных расчетов радиационно-опасных объектов в значительной степени зависит от полноты данных, полученных в результате исследовательской деятельности, которую ведут на действующих АЭС и, конкретно, в защитных камерах АЭС по экспериментальным облучениям различных образцов конструкционных материалов и покрытий, элементов и узлов оборудования АЭС с целью выяснения их поведения в нормальных и аварийных условиях ионизирующих полей. Разумеется, что быстро, качественно и полной мере выполнить подобные исследования в условиях постоянной занятости камер АЭС выполнением основных штатных операций затруднительно и зачастую невозможно, а транспортировать исследуемые образцы на подходящую для этих целей гамма-облучательную установку весьма проблематично (технически, экономически, юридически и т.д.).

Известны защитные камеры [1, 2, 5] в основном металловедческого направления, расположенные горизонтально, которые используются для исследований физических, механических и др. свойств небольших по размерам и активности радиоактивных образцов конструкционных материалов реакторов. Недостатками конструкций данных камер являются невозможность выполнения в них операций с длинномерными (более 7 м) высокоактивными конструкциями канальных реакторов большой мощности (например, с топливными сборками РБМК), а также сложность организации и проведения в них процесса экспериментального облучения мишеней. Это связано с тем, что в указанных камерах, которые представляют собой по сути те же радиационно-защищенные боксы, что и облучательные гамма-установки, отсутствуют конструкционные узлы, обеспечивающие безопасное и эффективное проведение этого процесса, - специализированное хранилище для облучателя и транспортно-перегрузочная система для облучаемых мишеней.

Ближайшим аналогом является защитная камера АЭС [4], включающая изолированные друг от друга радиационно-защищенные боксы, размещенные в вертикальной шахте. Бокс разделки высокоактивных длинномерных конструкций расположен в нижней части рабочей зоны камеры. Описанная камера предназначена для выполнения технологических операций с высокоактивными длинномерными конструкциями канальных реакторов большой мощности (РБМК) и промышленного производства закрытых источников ионизирующих излучений общетехнического и медицинского назначения. Выбор указанного ближайшего аналога обусловлен совпадением по наибольшему числу общих признаков с предлагаемой конструкцией камеры. В конструкцию этой камеры входит перегрузочный пенал, расположенный в нижней, нерабочей зоне камеры, который используется при выполнении операций с длинномерными конструкциями реактора, а также, так называемая, инструментальная проходка, предназначенная для передачи в камеру или из нее специального инструмента.

Недостатками, принятой за ближайший аналог камеры, являются:
- невозможность совмещения выполнения в камере штатных операций и операций, связанных с проведением экспериментальных облучений мишеней, т.к. облучение осуществляется в рабочей зоне камеры, т.е. там же, где проводятся и другие штатные операции. К тому же использование, к примеру, входящего в комплект штатного оборудования, перегрузочного пенала в качестве хранилища облучателя неминуемо приведет к полной невозможности выполнения технологических операций с длинномерными конструкциями реактора (осмотра, контроля геометрических параметров и др);
- низкий уровень радиационной безопасности выполнения процесса экспериментального облучения мишеней, т.к. использование штатной инструментальной проходки в режиме экспериментального облучения в качестве перегрузочного узла для загрузки мишеней в камеру и обратно небезопасно, потому что она не обеспечивает биологическую защиту персонала в момент ее использования. При полностью открытой проходке (открывается вручную) в момент передачи в камеру или из нее мишени неизбежно будет существовать прострел гамма-излучения от находящихся в камере высокоактивных конструкций или установленного в камере облучателя;
- низкая производительность техпроцесса экспериментального гамма-облучения мишеней, который эпизодически выполняется в камере, что обусловлено, во первых, необходимостью применения штатного оборудования камеры, которое по проекту предназначено для других целей, и, во вторых, "приспосабливание" оборудования, в том числе инструментальной проходки, однозначно определяет ход техпроцесса облучения мишеней. Действительно в таком техпроцессе вначале мишень помещают вручную в камеру через проходку, далее с помощью копирующих манипуляторов мишень устанавливают в исходное положение в зоне облучения. Разумеется, что облучатель при этом размещен в безопасном для обслуживающего персонала месте. Затем облучатель устанавливается в рабочее положение, а после выполнения облучения снова убирается из рабочей зоны. И только после этого мишень с помощью проходки извлекается из камеры. Затем цикл перечисленных операций повторяется при облучении следующей мишени;
- низкие показатели качества гамма-обработки мишеней, т.к. в таком техпроцессе неизбежна большая погрешность величины поглощенной дозы мишенями, обусловленная тем, что манипуляции с облучателем (подъем, опускание в пенал, установка в рабочее положение) осуществляются при уже находящихся в камере мишенях и плюс большая неравномерность облучения мишеней, поскольку они в процессе облучения неподвижны. Повороты мишени вокруг своей оси с помощью манипуляторов невозможны, т.к. выполнению этой операции мешают установленные в центре камеры перед смотровым окном облучатель и дополнительная зашита стекла смотрового окна (см. ниже);
- сложность процесса гамма-облучения мишеней в целом. В частности, невозможность выполнения быстрого, аварийного извлечения мишеней из камеры при отказе внутрикамерного грузоподъемного оборудования, обеспечивающего перемещение облучателя и, как следствие, связанное с этим вынужденное переоблучение мишеней. А также необходимость на время проведения облучения в установке перед смотровым окном камеры дополнительной защиты из свинца, т.к. продолжительное воздействие мощного гамма-излучения облучателя на стекло смотрового окна приводит к его интенсивному потемнению и потере прозрачности, а процесс восстановления прозрачности стекла ("отжига") является достаточно продолжительным (десятки часов). Разумеется, использовать камеру во время "отжига" стекла для каких-либо работ также не представляется возможным.

Анализ конструкции указанной камеры показывает, что присущие ей недостатки обусловлены отсутствием в ней специализированных устройств: транспортно-перегрузочного узла для перемещения мишеней, хранилища для хранения облучателя, а также радиационно-защищенного бокса для размещения в нем перечисленных устройств. Таким образом, конструкции существующих в настоящее время различных защитных камер, в том числе камер АЭС, не позволяют безопасно и эффективно проводить в них экспериментальные облучения мишеней, причем без ущемления штатных функций защитной камеры АЭС.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является расширение функциональных возможностей защитной камеры АЭС, обеспечение безопасности и повышение производительности процесса экспериментального облучения мишеней, выполняемого в защитной камере АЭС при сохранении ее штатных функций.

Сущность изобретения состоит в том, что вертикальную защитную камеру, включающую изолированные друг от друга радиационно-защищенные технологические боксы, размещенные в вертикальной шахте, предложено снабдить размещенным в нижней части шахты под технологическими боксами дополнительным облучательным боксом с пеналом - хранилищем облучателя внутри него, с загрузочным окном, расположенным в вышележащем боксе, и транспортно-перегрузочным узлом мишеней. Кроме того, транспортно-перегрузочный узел мишеней включает в себя транспортер, проходящий через облучательный бокс, и перегрузочную шахту, размещенную сбоку облучательного бокса.

Предлагаемая вертикальная защитная камера АЭС с канальными реакторами в таком варианте выполнения конструкции с точки зрения решения указанной проблемы приобретает новое дополнительное качество - полноценную функцию облучательной гамма-установки, что позволяет:
- расширить функциональные возможности защитных камер АЭС за счет совместимости и одновременности выполнения технологий, важных для эксплуатации АЭС (осмотра и контрольных измерений параметров топливных сборок и др. радиоактивных конструкций, изготовления образцов конструкционных материалов реактора для металловедческих исследований, изготовления закрытых источников ионизирующих излучений и др.), и технологий, связанных с облучением сырья или изделий;
- обеспечить радиационную безопасность проведения процесса облучения мишеней, что достигается за счет введенного в предлагаемую конструкцию перегрузочного пенала, который полностью исключает возможность облучения персонала при выполнении им операций, связанных с перегрузкой мишеней, и тем самым переводит эти операции в разряд обычных такелажных работ;
- повысить производительность выполняемого в камере АЭС процесса облучения мишеней, что достигается за счет введенного в предлагаемую конструкцию транспортно-перегрузочного узла ввода кольцевого транспортера мишеней, позволяющего в значительной степени автоматизировать процесс облучения и повысить его качественные показатели (равномерность облучения мишеней, уменьшение погрешности величины поглощенной дозы и др.);
- повысить номенклатуру единичных источников ионизирующего излучения, которыми оснащается облучатель. Использовать при экспериментальных облучениях в качестве облучателя не только стандартные, изготавливаемые в этой камере закрытые источники ионизирующего излучения, но и нестандартизованные источники: радиоактивное сырье с изотопом Со-60, предназначенное для производства источников, бракованные и некондиционные источники (временно хранящиеся в камере), отработанные топливные сборки;
- повысить эффективность использования энергии ионизирующего излучения источников уже изготовленных, но еще не отгруженных заказчику, а временно (вынужденно) хранящихся в защитной камере (см. ниже);
- снизить себестоимость экспериментальных облучений и сократить сроки выполнения новых разработок в области радиационных технологий, т.к. затраты на содержание защитной камеры входят в стоимость вырабатываемой станцией электроэнергии и тепла (тариф) независимо от того, осуществляется в данное время в камере какое-либо облучение или нет;
- решить проблему для сторонних организаций поиска подходящей (технически, территориально, экологически, экономически и пр.) облучательной гамма-установки и организации на ее базе экспериментальных облучений мишеней (образцов твердых, сыпучих или жидких материалов, деталей, узлов) с целью проверки или модификации их свойств, а также разработки новых наукоемких радиационных технологий;
- уменьшить площадь застройки объекта в 8-10 раз.

Техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид конструкции вертикальной защитной камеры АЭС (вертикальный разрез), на фиг.2 - вид Б-Б на фиг.1.

Камера имеет изолированные друг от друга радиационно-защитные технологические боксы 1, 2, расположенные в верхней рабочей зоне 3, и технологическое оборудование 4 (короба, пеналы, фильтры и др.), находящееся в нижней, нерабочей зоне 5, которые обеспечивают выполнение штатных функций камеры (операции с конструкциями реактора 6 при помощи штатного грузоподъемного механизма 7 и операции по изготовлению источников). Дополнительный облучательный бокс 8 размещен в нижней части шахты, под полом 9 нижнего технологического бокса 2, и представляет собой радиационно-защищенный бокс с биологической защитой из "тяжелого" бетона. Пенал-хранилище 10 с загрузочным окном 11 облучателя 12 для обеспечения температурного режима облучателя при его длительном хранении, частично до зоны облучения (ЗО) заполненный водой 13, представляет собой технологический пенал, имеющий отдельный привод 14, с помощью которого облучатель 12 поднимается из воды 13, устанавливается в зоне облучения (на фиг.1 показано рабочее положение облучателя 12) и опускается обратно в воду 13 на хранение (нерабочее положение). В необходимых случаях привод 14 с помощью манипуляторов 15 переводится в режим аварийного срабатывания, при котором облучатель 12 под действием собственного веса свободно падает в воду 13 (принцип аварийной защиты реактора). Контроль режима работы привода 14 и положений облучателя 12 в пенале 10 осуществляется визуально через смотровое окно 16 камеры и с помощью штатной системы дозиметрического и видеоконтроля (не показана). При необходимости для дополнительного обеспечения биологической защиты персонала и безопасного посещения верхних боксов 1 при производстве мелких ремонтов оборудования пенал-хранилище 10 облучателя 12 может быть полностью заполнен водой. Специализированный транспортно-перегрузочный узел, выполненный, например, в виде кольцевого транспортера 17 с приводом 18, проходящий через облучательный бокс 8, обеспечивает перемещение мишеней 19, расположенных в гнездах 20, из зоны перегрузки (ЗП) (обозначение условно на фиг.1) в зону облучения (ЗО) (обозначение условно на фиг.1) и обратно. Загрузка кольцевого транспортера 17 мишенями 19 производится с помощью перегрузочного пенала 21, расположенного в одном из вспомогательных помещений камеры (операторском, ремонтном или др.), с применением находящегося там же привода 22, который имеет специальный захватный механизм 23. Такое размещение дополнительного оборудования на работу камеры в режиме основной эксплуатации и выполнения штатных функций никакого влияния не оказывает и работы по облучению мишеней могут проводиться одновременно с выполнением других операций.

Работа камеры в режиме экспериментального облучения мишеней заключается в выполнении операций, входящих в следующий полный цикл облучения:
- Формирование облучателя;
- Извлечение облучателя с места хранения и установка его в рабочее положение;
- Измерение мощности экспозиционной дозы облучателя и аттестация поля;
- Подготовка мишени к облучению;
- Транспортировка мишени в зону облучения;
- Выполнение собственно облучения мишени;
- Транспортировка мишени после облучения за пределы камеры;
- Установка облучателя на штатное место хранения.

Формирование облучателя заключается в выборе его типа (стандартизованные, нестандартизованные источники ионизирующего излучения или топливная сборка), конфигурации и числа единичных источников с известной активностью для его оснащения.

Учитывая особенности конструкции защитной камеры, условий ее эксплуатации и требования к облучению мишеней, наиболее целесообразным представляется использование конструкции облучателя в виде кластерной конструкции по типу конструкции топливной сборки. Такая конструкция позволяет сформировать легко перестраиваемую и удобную в работе конструкцию облучателя, используя большую номенклатуру как закрытых источников гамма-излучения [9, 10], имеющих наиболее широкое применение в облучательных установках в России и за рубежом, так и радиоактивного сырья, содержащего радионуклид кобальт-60, из которого изготавливаются источники в этой камере. Облучатель может состоять от одного или нескольких единичных источников, расположенных по окружности на одном или нескольких уровнях, сплошным столбом по высоте, в шахматном порядке.

В некоторых оправданных случаях в качестве облучателя можно использовать полномасштабную топливную сборку реактора (на фиг.1, поз.6), установив ее в пенале-хранилище в зону облучения мишеней с помощью штатного грузоподъемного механизма.

Извлечение облучателя из воды с места хранения, установка его в рабочее положение и постановка обратно на хранение после выполнения облучения всех мишеней осуществляется с помощью отдельного привода, имеющего нормальный и аварийный режимы работы. При аварийном срабатывании привода (с помощью манипуляторов) облучатель под действием собственного веса свободно падает в воду (принцип аварийной защиты реактора). Эти операции являются для камеры штатными операциями и каких-либо особенностей и затруднений не имеют.

Измерение мощности экспозиционной дозы от сформированного облучателя и аттестация поля осуществляется в соответствии с действующей нормативной документацией и по известным стандартизованным методикам [8]. Для типовой защитной камеры данная операция каких-либо затруднений и особенностей не имеет.

Процесс подготовки мишени к облучению осуществляется в "чистом" помещении, вблизи перегрузочного пенала или в другом подходящем для этого помещении и заключается в размещении ее (или их) в специальном металлическом контейнере (с закрывающейся крышкой), который исключает возможное случайное поверхностное радиоактивное загрязнение мишени на любом этапе проведения облучения, а также оснащении ее дозиметром. По сложившейся практике для контроля поглощенной дозы на мишени или непосредственно рядом с ней перед ее облучением закрепляется дозиметр (обычно, цветовой индикатор-метка или ТЛД и др. ), по которому после облучения и извлечения мишени за пределы камеры контролируется величина поглощенной дозы.

Транспортировка мишеней в зону облучения (ЗО) начинается из зоны перегрузки (ЗП), расположенной в одном из вспомогательных помещений, примыкающих к камере. С помощью привода контейнеры с мишенями через перегрузочный пенал устанавливаются в имеющиеся на кольцевом транспортере гнезда, исключающие падение контейнеров в процессе их перемещения вокруг облучателя. Кольцевой транспортер, связывающий через перегрузочный пенал зону перегрузки с зоной облучения, имеет свой привод с шаговым перемещением, чем обеспечивается возможность его загрузки контейнерами и последующей после облучения разгрузки. При каждом провороте кольцевого транспортера на определенный шаг гнезда с контейнерами также поворачиваются вокруг своей оси, таким образом, за полный поворот кольцевого транспортера вокруг облучателя контейнеры несколько раз поворачиваются вокруг своей оси. Этим достигается равномерность облучения мишеней.

Процесс облучения мишеней заключается в выдерживании их в зоне облучения определенное время, необходимое для получения мишенями требуемой величины поглащенной дозы, что обеспечивается изменением мощности экспозиционной дозы облучателя и временем нахождения мишеней в зоне облучения, т.е. скоростью вращения и числом оборотов кольцевого транспортера. Управление работой кольцевого транспортера и оперативный контроль за его положением, а также положением мишеней на кольцевом транспортере осуществляется дистанционно с любого из стационарных штатных пультов управления, находящихся в операторском и ремонтном помещениях, и видеокамер (на фиг.1 не показаны).

Работа вертикальной защитной камеры в режиме экспериментального облучения сводится к выполнению ряда простых операций.

Сформированный облучатель 12 извлекают из своего хранилища 10 с помощью привода 14 и устанавливают в рабочее положение (ЗО). Подготовленные к облучению мишени 19 последовательно одна за другой загружают в кольцевой транспортер 17, который доставляет их в зону облучения (ЗО) и обратно. После полного поворота кольцевого транспортера 17 и выполнения необходимого облучения первой мишени 19 она с помощью перегрузочного пенала 21 выгружается из кольцевого транспортера 17 в зону перегрузки (ЗП) мишеней 19, а на ее место устанавливается новая мишень 19, затем после поворота кольцевого транспортера 17 на один шаг заменяют следующей мишенью 19 и т.д. После проведения облучения всей партии мишеней 18 облучатель 12 устанавливают в хранилище 10. Весь цикл перечисленных операций осуществляется независимо от технологических процессов, выполняемых в этот момент в верхней, рабочей зоне камеры (осмотра конструкций и сборок, вырезки образцов, изготовления в верхних боксах закрытых источников ионизирующих излучений и др.).

Источники информации
1. С. Н. Вотинов, В.П.Гольцев и др. Радиационная физика твердого тела и реакторное материаловедение. М.: Атомиздат, 1970, с. 7-16.

2. Реформатский И. А. Горячие и изотопные лаборатории. М.: Атомиздат, 1971.

3. Расчет и проектирование радиационных гамма-установок. Справочник, 1973.

4. Защитная камера. Патент РФ 2112288, МКИ G 21 F 7/00.

5. Горячие лаборатории и их оборудование. Материалы VI американской конференции. Перев. с англ. М.: Атомиздат, 1960.

6. Хранилище источников радиоактивного излучения. МКИ G 21 С 19/32.

7. Определение технических возможностей и экономической эффективности облучения материалов и полуфабрикатов на реакторах типа РБМК. Итоговый отчет. ГМП "Производство. Внедрение. Услуги". 206 л., Москва, 1991.

8. Источники гамма-излучения радионуклидные. Методика выполнения измерения мощности экспозиционной дозы гамма-источника. ОСТ 95, 945-82.

9. Источники гамма-излучения радионуклидные, Каталог ВО "Изотоп", 1992.

10. Стандарты ИСО, ANSI, каталоги и др. технические материалы зарубежных фирм-производителей изотопной продукции. Изд. МАГАТЭ, Вена.

11. Изотопы и радиация в сельском хозяйстве. Пер. с англ. в 2 т. /Под ред. Легга Дж. О., Л'Аннунциата М.Ф. - М.: Агропромиздат, 1989, с. 277-307.

12. Leemhorst, J.G. (1982). In "Food Irradiation Now", s. 40-59.

13. Proceeding of the 10-th Conferece jn Hot Laboratories and Equipment. Washington, USA, 1963.

14. Proceeding of the 11-th Conferece jn Hot Laboratories and Equipment. New Work, USA, 1963.

15. Leemhorst, J.G. (1982). In "Food Irradiation Now", c. 40-59.

16. Williams, J. L. and Dunn, T.S. Radiat. Phys. Chem. 1979, с. 14, 185-201.

17. Umeda, К. (1975). In "Requirements for the Irradiation of Food on a Commercial Scale", с. 113-131, IAEA, Vienna.

Использование: в области ядерной техники, в частности на АЭС с канальными реакторами для выполнения в защитных камерах дополнительно к штатным операциям, например с топливными сборками, экспериментальных облучений различных мишеней с целью модификации их свойств. Сущность изобретения: вертикальная защитная камера включает изолированные друг от друга радиационно-защищенные технологические боксы, размещенные в вертикальной шахте. В нижней части шахты под технологическими боксами дополнительно расположен облучательный бокс с пеналом - хранилищем облучателя внутри него, с загрузочным окном, расположенным в вышележащем блоке, и транспортно-перегрузочным узлом мишеней. Транспортно-перегрузочный узел мишеней включает в себя транспортер, проходящий через облучательный бокс, и перегрузочную шахту, размещенную сбоку облучательного бокса. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей защитной камеры, обеспечении безопасности и повышении производительности процесса экспериментального облучения мишеней. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вертикальная защитная камера, включающая изолированные друг от друга радиационно-защищенные технологические боксы, размещенные в вертикальной шахте, отличающаяся тем, что она содержит размещенные в нижней части шахты под технологическими боксами дополнительный облучательный бокс с пеналом - хранилищем облучателя внутри него, загрузочное окно которого расположено в вышележащем боксе, и транспортно-перегрузочным узлом мишеней. 2. Вертикальная защитная камера по п. 1, отличающаяся тем, что транспортно-перегрузочный узел мишеней включает в себя кольцевой транспортер, проходящий через облучательный бокс, и перегрузочную шахту, размещенную сбоку облучательного бокса.