СПОСОБ КАЛИБРОВКИ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОГО ДЕТЕКТОРА РЕАКТОРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01T1/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к калориметрии реакторных излучений и к способам калибровки калориметрических детекторов реакторных излучений.

Калориметрические детекторы реакторных излучений, как правило, состоят из чувствительного элемента, в котором при поглощении реакторных излучений выделяется тепло, одной или нескольких окружающих чувствительный элемент оболочек и снабжены контактными датчиками, например термопарами, для измерения температур чувствительного элемента и оболочки детектора и определения по этим температурам мощности поглощенной дозы реакторных излучений (радиационное энерговыделение) одним из известных методов реакторной калориметрии ([1] - Коляда В. М., Карасев В.С. Калориметрия излучений ядерного реактора. - М.: Атомиздат, 1974. [2] - Мительман М.Г., Дубовский Б.Г., Любченко В. Ф., Розенблюм Н.Д. Детекторы для внутриреакторных измерений энерговыделения. - М.: Атомиздат, 1977, с.71).

Для исключения систематической составляющей погрешности определения радиационного энерговыделения применяют калибровку детектора. Известны следующие способы калибровки:
1. Калибровка с помощью гамма-установки ([1] - с. 110). В этом способе детектор устанавливают в поле гамма-излучения известной интенсивности Q и по показаниям детектора U, пропорциональным разнице температур между сердечником и оболочкой детектора, определяют калибровочный коэффициент k=Q/U. Недостатки этого способа заключаются в том, что калибровку проводят вне реакторных условий и поэтому по ней нельзя определить стабильность работы детектора и оценить неизменность калибровочного коэффициента, а также в том, что на гамма-установке невозможна имитация спектра и составляющих реакторных излучений, поглощаемых в чувствительном элементе и приводящих к его нагреву, вследствие чего в определенном этим способом калибровочном коэффициенте содержится систематическая составляющая погрешности. И, наконец, для теплопроводящих калориметров калибровочный коэффициент должен быть определен в диапазоне рабочих температур, что также невозможно воспроизвести на гамма-установке. Как правило, в качестве источника излучения в подобных установках применяют радионуклид ⁶⁰Со.

2. Калибровка при плавлении (затвердевании) твердого тела с известной скрытой теплотой фазового перехода ([1] - с.111). В этом способе чувствительный элемент детектора выполняют из материала с известной скрытой теплотой фазового перехода. При достижении в калориметре температуры, равной температуре плавления (затвердевания) материала, фиксируют длительность изотермической ступеньки при неизменных показаниях детектора U, пропорциональных разнице температур между сердечником и оболочкой детектора, а по суммарному выделенному или поглощенному теплу, равному произведению массы материала на удельную теплоту фазового перехода, и по времени плавления (затвердевания) определяют радиационное энерговыделение Р. Калибровочный коэффициент определяют как отношение P/U. Недостаток этого способа заключаются в том, что он может быть использован лишь в изотермических калориметрах и в очень узком диапазоне энерговыделений, поскольку при малых энерговыделениях рабочее тело не расплавится, а при больших - расплавится слишком быстро. Кроме того, так как изотермические калориметры нетеплоизолированы, требуется точный учет тепловых потерь, что представляет собой особую проблему ([1] - с. 111, 112).

3. Наиболее широкое применение нашел способ калибровки калориметра с помощью встроенного в него электронагревателя ([1] - с. 98, 101, 103, 109, 111, 113). Способ заключается в том, что на электронагреватель калориметрического детектора с чувствительным элементом, помещенным в одну или несколько оболочек, подают напряжение и измеряют его мощность. По мощности электронагревателя W, определяющей энерговыделение в калориметре, и показаниям детектора U, пропорциональным разнице температур между сердечником и оболочкой детектора, определяют калибровочный коэффициент k=W/U. Достоинством этого способа по сравнению с предыдущим является возможность проведения калибровки в рабочих условиях и в рабочем диапазоне значений энерговыделения. Недостатки этого способа обусловлены необходимостью размещения в миниатюрном детекторе еще более миниатюрного электронагревателя с надежной, термо- и радиационностойкой изоляцией, обеспечивающего надежную регистрацию выделенной электрической мощности W. Детектор с электронагревателем сложен в изготовлении и ненадежен в условиях дистанционных измерений и в отсутствие возможности его ремонта, что характерно для реакторных измерений.

С целью устранения недостатков известного способа калибровки калориметрического детектора реакторных излучений с чувствительным элементом, помещенным в одну или несколько оболочек, и снабженным контактными датчиками для измерения температур чувствительного элемента и одной из оболочек детектора, заключающегося в определении калибровочного коэффициента как отношения энерговыделения к разнице температур чувствительного элемента и одной из оболочек детектора, авторы предлагают измерять температуру чувствительного элемента и оболочки детектора до, в процессе и после изменения мощности реактора между двумя стационарными уровнями, фиксировать значения нейтронной мощности реактора на начальном стационарном уровне и в процессе ее изменения, определять радиационное энерговыделение по соотношению

где Q(0) - радиационное энерговыделение;
t - время измерения (интегрирования);
Θ - текущее время (переменная);
τ - отрезок времени, для которого производится оценка текущего значения энерговыделения;
Т_с(Θ) - текущее значение температуры сердечника;
Т_об(Θ) - текущее значение температуры оболочки;
ΔT(Θ) = T_c(Θ)-T_об(Θ) - текущее значение разницы температур сердечника и оболочки;
Т_с(0) - температура сердечника в момент времени до изменения мощности реактора (начало отсчета времени измерения);
Т_об(0) - температура оболочки в момент времени до изменения мощности реактора;
ΔТ(0)= Т_с(0)-Т_об(0) - начальное значение разницы температур сердечника и оболочки;
ΔТ(τ)=Т_c(τ)-Т_с(0);
Т_с(τ) - температура сердечника в момент времени τ;
С_р - теплоемкость материала сердечника;
Z(τ)= 1-Аехр(-τ/Б) - функция, описывающая "инерционную" составляющую гамма-мощности;
А и Б - эмпирические коэффициенты;
К - коэффициент, учитывающий вклад механизмов теплопроводности и излучения в перенос тепла в газовом зазоре между чувствительным элементом и оболочкой детектора;
n'(t-τ) - первая производная текущего значения нейтронной мощности реактора;
n(0) - значение нейтронной мощности реактора на начальном стационарном уровне мощности (значения n могут быть выражены в единицах шкалы прибора, регистрирующего изменение нейтронной мощности реактора, например ионизационной камеры), а калибровочный коэффициент k определяют как k=Q(0)/ΔT(0).

Имеющуюся и неизбежную в рабочих условиях неопределенность доли теплопередачи теплопроводностью и излучением в газовом зазоре между чувствительным элементом и оболочкой детектора авторы предлагают учитывать подбором коэффициента К в процессе обработки массива данных таким образом, что текущие значения энерговыделения достигают установившегося и далее не меняются монотонно, а лишь в пределах случайных колебаний нейтронной мощности реактора.

Существенность признаков обусловлена тем, что предлагаемое соотношение для определения радиационного энерговыделения позволяет определить его абсолютное значение без дополнительных допущений, а подбор коэффициента К по установившемуся значению энерговыделения устраняет влияние неопределенности в тепловых свойствах газового зазора на оцениваемое энерговыделение.

Новые существенные признаки данного изобретения для способов калибровки калориметрических детекторов в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, а совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

Реализация предложенного способа была осуществлена в эксперименте, проведенном в реакторе РБТ-6. Детектор радиационного энерговыделения был размещен в ампуле с образцами конструкционных материалов. В эксперименте измеряли температуру чувствительного элемента и оболочки до, в процессе и после изменения мощности реактора между двумя стационарными уровнями, фиксировали значения нейтронной мощности реактора на начальном стационарном уровне и в процессе ее изменения с помощью ионизационной нейтронной камеры. Радиационное энерговыделение определяли по заявленному соотношению. На фиг.1 показано изменение температуры чувствительного элемента, а на фиг.2 - изменение разницы температур чувствительного элемента и внутренней оболочки детектора, измеренные в эксперименте. Кинетика изменения нейтронной мощности реактора, зафиксированная с помощью штатной ионизационной камеры приведена на фиг.3. На фиг. 4 показано изменение текущих значений энерговыделения Q(Θ), среднее значение за время интегрирования и коридор статистической погрешности оцененного значения энерговыделения. Видно, что оценка среднего значения со временем стабилизируется. Такая стабилизация означает, что текущее значение Q(Θ) перестает зависеть от временной точки измерения. Именно так и должно быть, поскольку оценивается значение не меняющейся физической величины, а именно энерговыделения на исходном стационарном уровне мощности реактора. Наличие стабилизации оцениваемого значения Q(0) подчеркивает достоверность получаемой оценки. Там же показаны пределы статистической погрешности определения Q(0), из которых видно, что существует оптимальная с точки зрения минимизации статистической погрешности оценка этой величины. По значениям Q(0) и ΔТ(0) определяют калибровочный коэффициент детектора k=Q(0)/ΔT(0).

Таким образом, из приведенных результатов следует, что предлагаемый способ позволяет проводить калибровку калориметрического детектора реакторных излучений в рабочих условиях, при рабочей температуре и без ограничений по величине радиационного энерговыделения, то есть обеспечивает достижение цели изобретения.

Использование: в калориметрии реакторных излучений. Сущность: в способе радиационное энерговыделение определяют кинетическим методом, фиксируя текущее значение разницы температур чувствительного элемента и оболочки детектора до, в процессе и после изменения мощности реактора между двумя стационарными уровнями по соотношению, в котором доли теплопередачи теплопроводностью и излучением в газовом зазоре между чувствительным элементом и оболочкой детектора учитывают подбором постоянного коэффициента в процессе обработки массива данных таким образом, что текущие значения энерговыделения достигают установившегося и далее не меняются монотонно, а лишь в пределах случайных колебаний нейтронной мощности реактора. Калибровочный коэффициент определяют как отношение энерговыделения к разнице температур чувствительного элемента и одной из оболочек. Технический результат: проведение калибровки калориметрического детектора в рабочих условиях и при рабочих температурах в любом диапазоне значений радиационного энерговыделения. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ калибровки калориметрического детектора реакторных излучений с чувствительным элементом, помещенным в одну или несколько оболочек, заключающийся в определении калибровочного коэффициента как отношения энерговыделения к разнице температур чувствительного элемента и одной из оболочек, отличающийся тем, что измеряют температуру чувствительного элемента и оболочки до, в процессе и после изменения мощности реактора между двумя стационарными уровнями, фиксируют значения нейтронной мощности реактора на начальном стационарном уровне и в процессе ее изменения определяют радиационное энерговыделение по соотношению

где Q(0) - радиационное энерговыделение;
t - время измерения (интегрирования);
Θ - текущее время (переменная);
τ - отрезок времени, для которого производится оценка текущего значения энерговыделения;
Т_с(Θ) - текущее значение температуры сердечника;
Т_об(Θ) - текущее значение температуры оболочки;
ΔT(Θ) = T_c(Θ)-T_об(Θ) - текущее значение разницы температур сердечника и оболочки;
Т_с(0) - температура сердечника в момент времени до изменения мощности реактора (начало отсчета времени измерения);
Т_об(0) - температура оболочки в момент времени до изменения мощности реактора;
ΔТ(0)= Т_с(0)-Т_об(0) - начальное значение разницы температур сердечника и оболочки;
ΔT(τ) = T_c(τ)-T_c(0);
Т_с(τ) - температура сердечника в момент времени τ;
С_р - теплоемкость материала сердечника;
Z(τ)= 1-Аехр(-τ/Б) - функция, описывающая "инерционную" составляющую гамма-мощности;
А и Б - эмпирические коэффициенты;
К - коэффициент, учитывающий вклад механизмов теплопроводности и излучения в перенос тепла в газовом зазоре между чувствительным элементом и оболочкой детектора;
n'(t-τ) - первая производная текущего значения нейтронной мощности реактора;
n(0) - значение нейтронной мощности реактора на начальном стационарном уровне мощности (значения n могут быть выражены в единицах шкалы прибора, регистрирующего изменение нейтронной мощности реактора, например, ионизационной камеры), а калибровочный коэффициент k определяют как k=Q(0)/ΔT(0). 2. Способ калибровки калориметрического детектора реакторных излучений по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты А, Б и К подбирают экспериментально в процессе обработки массива данных таким образом, что текущие значения энерговыделения достигают установившегося Q(0) и далее не меняются монотонно, а лишь в пределах случайных колебаний нейтронной мощности реактора.