ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2003 года по МПК H01J47/02 G01T1/185 

Область техники, к которой относится изобретение, - регистрация ядерных излучений, преимущественно регистрация нейтронов в системах управления и защиты ядерных реакторов (СУЗ).

Известны ионизационные камеры (ИК) для контроля потоков нейтронов, являющиеся датчиками сигналов в системах управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов. Как правило, ИК входят в состав так называемых подвесок ионизационных камер (ПИК), защищающих ИК и электрическую линию связи (кабели, провода) от агрессивного воздействия окружающей среды в канале ядерного реактора, предназначенного для размещения ПИК и расположенного вдоль активной зоны (AЗ) реактора (см. Научные и технические основы ядерной энергетики / Под ред. К. Гудмена. - М.: Иностранная литература, 1948, с.231.

Известны ИК, длина которых позволяет обходиться размещением одной ИК в каждой ПИК при контроле реакторов с AЗ протяженностью около 1 м (см. А.Б. Дмитриев, Е.К. Малышев, В.Г. Белозеров, О.И. Щетинин. Эксплуатационные характеристики ионизационных камер деления для СУЗ реакторов. - Атомная энергия, т. 32, вып.3 (март 1972 г), с. 230).

Применение таких ИК в СУЗ ядерных реакторов, с длиной AЗ достигающей нескольких метров, затруднено необходимостью разместить в ПИК гирлянду независимо работающих ИК для контроля высотного распределение плотности потока нейтронов вдоль AЗ, при этом электрические линии связи от ниже установленных ИК приходиться пропускать по поверхности корпусов ИК установленных выше, что требует нежелательного увеличения диаметра ПИК (см. И.Я. Емельянов, П.А. Гаврилов, Б. Н. Селиверстов. Управление и безопасность ядерных энергетических реакторов. - М.: Атомиздат, 1975, с.79, 124).

Известна ИК с электродной системой в виде набора труб, коаксиальных труб корпуса, установленных на изоляторах, вделанных во фланцы корпуса, причем одна из труб высоковольтного электрода "видит" трубу корпуса и зазор между ними должен быть достаточно большим для обеспечения электрической прочности камеры, которая является наиболее близкой к предлагаемому техническому решению по совпадающим признакам (см. А.Б. Дмитриев, М.Г. Воробьев Камера с трехфтористым бором, скомпенсированная к гамма-фону // Приборы и техника эксперимента, 1961, 1, с.55). Указанная ИК является аналогом, наиболее близким к предлагаемому изобретению, и выбрана в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:
- трудность встраивания гирлянды из таких ИК в подвеску ионизационных камер с внутренним диаметром, близким к диаметру самой ИК;
- трудность монтажа протяженной (более 500 мм) электродной системы, опирающейся на изоляторы, установленные во фланцах корпуса ИК, с обеспечением вибропрочности- и ударной прочности ИК;
- необходимость иметь относительно большой зазор между корпусом и электродной системой, в которой высоковольтный электрод "видит" корпус.

Технические результаты, получаемые при реализации предлагаемого технического решения, заключаются:
- в повышении надежности системы управления и защиты ядерного реактора за счет обеспечения контроля распределения нейтронных потоков по высоте активной зоны гирляндой независимо работающих ИК, встроенных в подвеску ионизационных камер с внутренним диаметром, который совпадает или ненамного превышает диаметр корпуса ИК;
- в создании прочной электродной системы практически произвольной длины;
- в уменьшении габаритных размеров (диаметра) корпуса ИК за счет уменьшения зазора между корпусом и электродной системой, высоковольтный электрод которой "не видит" корпус камеры.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что ионизационная камера содержит:
- корпус, образованный двумя или более коаксиальными трубами, соединенными по торцам кольцевыми фланцами, в которые вделаны откачные трубки и электрические вводы, а электродные системы, размещены в пространстве между трубами корпуса, причем канал центральной трубы корпуса позволяет пропускать через него электрические линии связи других ИК;
- по крайней мере одну электродную систему, установленную на изоляторах между кольцевыми платами, укрепленными на наружной поверхности одной из внутренних труб корпуса;
- электродную систему, образованную набором парных коаксиальных цилиндров, причем все наружные цилиндры набора электрически и механически соединены друг с другом и образуют электрод, установленный на изоляторах кольцевых плат, находящийся под потенциалом близким к потенциалу корпуса ИК, а внутренние цилиндры каждой пары установлены на изоляторах кольцевых плат независимо как друг от друга так и от внешних цилиндров, причем внутренние цилиндры могут быть электрически соединены в один или несколько высоковольтных электродов.

Указанная совокупность признаков необходима и достаточна для обеспечения технических результатов, получаемых при реализации предложенной ионизационной камеры.

Вариант ионизационной камеры в статике с корпусом, образованным тремя коаксиальными трубами, показан на чертеже.

ИК содержит герметичный корпус, образованный коаксиальными трубами 1, 2 и 3, кольцевыми фланцами 4, 5, 6 и 7, откачными трубками 8 для откачки и наполнения объемов корпуса газами и электрическими выводами 9 от каждого электрода электродных систем 10 и 11, расположенных в межтрубных пространствах 12 и 13. Торцы трубы 1 открыты для пропуска линий связи других ИК.

На наружных поверхностях труб 1 и 2 укреплены кольцевые держатели 14 и 15 с опорными изоляторами 16 и 17, между которыми установлены электродные системы 10 и 11.

Электродные системы 10 и 11 образованы набором парных коаксиальных цилиндров 18 и 19. В межтрубных пространствах 12 и 13, вдоль оси корпуса могут быть расположены по несколько наборов (этажей) коаксиальных цилиндров 18 и 19, электрически соединенных в электродные системы.

Все наружные цилиндры 19 каждого "этажа" каждой электродной системы электрически и механически соединены друг с другом и с держателями 20, установленными на изоляторах 16 кольцевых плат. Наружные цилиндры 19 образуют электрод, находящийся под потенциалом, близким к потенциалу корпуса ИК. Каждый внутренний цилиндр 18 установлен на изоляторах 17 кольцевых плат независимо, как от других внутренних цилиндров, так и от внешних цилиндров, причем внутренние цилиндры электрически соединены контактными пластинами 21 в один или несколько электродов, которые могут быть под потенциалом высокого напряжения питания ИК.

Для регистрации нейтронов в ИК вводится радиатор - материал, который при взаимодействии с нейтронами генерирует сильноионизирующие частицы, попадающие в межэлектродное пространство. Газообразными радиаторами могут служить изотоп гелия - ³Не, генерирующий при взаимодействии с нейтронами сильноионизирующие изотопы водорода ¹Н и ³Н, и соединение бора - ВF₃, в котором изотоп ¹⁰В генерирует при взаимодействии с нейтронами сильноионизирующие частицы ⁴Hе и ⁷Li. Радиатор может быть введен в ИК и в виде твердого покрытия поверхности электродов, обращенных к межэлектродному зазору. В этом случае радиаторами могут служить покрытия из бора или урана, изотоп которого ²³⁵U генерирует при взаимодействии с нейтронами сильноионизирующие осколки деления. В отсутствие радиаторов ИК (секция ИК) будет регистрировать гамма-излучение. Конструкция ИК позволяет электрически соединять ее электродные системы в систему камеры скомпенсированной к гамма-фону.

Работа ионизационной камеры происходит следующим образом. Вывод одного из электродов каждой независимой электродной системы соединяется с источником постоянного напряжения (обычно в диапазоне + 200...+ 500 В). Вывод другого электрода через входное сопротивление вторичной аппаратуры электрически соединяется с заземленным корпусом ИК и "-" выводом источника постоянного напряжения. При воздействии на ИК нейтронного потока и (или) гамма-излучения, газ в межэлектродном промежутке ионизуется и возникает электрический ток, величина которого является мерой плотности нейтронного потока и (или) мощности дозы гамма-излучения.

Возможность изготовления ионизационной камеры, удовлетворяющей условиям эксплуатации в СУЗ ядерного реактора, не вызывает сомнения, так как подобные устройства известны из приведенных выше источников.

Изобретение предназначено для контроля потоков нейтронов в составе системы управления и защиты ядерного реактора при необходимости измерения высотного распределения плотности потока нейтронов вдоль активной зоны реактора. Конструкция предлагаемой ионизационной камеры (ИК) позволяет разместить гирлянду таких камер в канале реактора в составе подвески ионизационных камер с пропуском линий связи (кабелей или проводов) от нижерасположенных камер через трубу, являющуюся частью корпуса камеры. При этом электродная система камеры в виде набора парных коаксиальных электродов крепится на внутренней поверхности одной или нескольких труб, образующих вместе с кольцевыми фланцами корпус камеры. Технический результат - уменьшение габаритных размеров корпуса ИК, повышение надежности системы управления и защиты ядерного реактора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ионизационная камера (ИК), преимущественно для системы управления и защиты ядерного реактора, с электродными системами в корпусе, имеющем один или несколько герметичных объемов с откачными трубками и электрическими выводами от каждого электрода электродных систем, отличающаяся тем, что корпус ионизационной камеры образован коаксиальными трубами, соединенными по торцам кольцевыми фланцами, в которые установлены откачные трубки и электрические вводы, а электродные системы размещены в пространстве между трубами корпуса. 2. Ионизационная камера по п. 1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна электродная система установлена на изоляторах между кольцевыми платами, укрепленными на наружной поверхности одной из внутренних труб корпуса. 3. Ионизационная камера по п. 2, отличающаяся тем, что электродная система образована набором парных коаксиальных цилиндров, при этом все наружные цилиндры набора электрически и механически соединены друг с другом и образуют электрод, установленный на изоляторах кольцевых плат, находящийся под потенциалом, близким к потенциалу корпуса ИК, а внутренний цилиндр каждой пары установлен на изоляторах кольцевых плат независимо как от других внутренних цилиндров, так и от внешних цилиндров, причем внутренние цилиндры могут быть электрически соединены в один или несколько электродов, находящихся под потенциалом высокого напряжения.