ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЕЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01T3/00 H01J47/12 

Изобретение - ионизационная камера деления (обозначаемая далее ИКД) относится к технике измерения ионизирующих излучений, в частности к оборудованию системы управления и защиты ядерного реактора, и используется в качестве внутриреакторного детектора нейтронного потока.

К основным требованиям, предъявляемым к ИКД, относятся высокая чувствительность и надежность при минимальных поперечных габаритных размерах. Среди ионизационных камер деления так называемые малогабаритные ИКД являются единственным внутриреакторным детектором, способным контролировать плотность нейтронного потока внутри активной зоны в различных режимах работы реактора: в режиме источника, при переходном режиме и при выводе реактора на номинальную мощность. Таким образом, для внутризонных измерений ограничение по диаметру ИКД является одним из критических параметров.

Известна ионизационная камера деления, включающая трубчатый корпус с аксиально-концентрическими внутренними электродами с нанесенными на них покрытиями из делящегося материала и содержащая изоляторы (Ф. Пешке. Камера деления для измерения нейтронов. А.с. СССР 161085. МПК³ G 01 Т 3/00, Н 01 J 47/12. Заявл. 28.05.1962. Опубл. 09.03.1964, бюл. 6).

Данная конструкция позволяет расширить диапазон измерения нейтронов за счет использования нескольких коммутируемых катодов и анодов, покрытых различными радиоактивными материалами, обладающими различной способностью к расщеплению, или материалами с одинаковой способностью к расщеплению, но различной толщины или площади. Основным недостатком известной многоэлектродной ИКД являются ее габаритные размеры, которые не позволяют использовать данную конструкцию для внутризонных измерений.

Известна ионизационная камера деления, включающая трубчатый корпус, в котором коаксиально расположен внутренний электрод, разделенный с корпусом дистанционирующими изоляторами, металлокерамический узел и штенгель (В.И. Алексеев, И.Я. Емельянов, В.М. Иванов и др. Ионизационная камера. А.с. СССР 482704. МПК³ G 01 Т 3/00. Заявл. 03.08.1973. Опубл. 05.08.1976, бюл. 29). Кроме того, в корпусе по длине камеры установлены наружный собирающий и промежуточный охранный коаксиальные электроды. Промежуточный охранный электрод отделен наружными дистанционирующими изоляторами от корпуса и внутренними изоляторами от внутреннего электрода, с которым соединен изолированными токопроводящими перемычками наружный собирающий электрод, разделенный по длине на расположенные с зазором между наружными дистанционирующими изоляторами секции, которые отделены изоляторами от промежуточного охранного электрода, а от трубчатого корпуса камеры - газонаполненным промежутком, причем покрытие из делящегося материала нанесено на внешнюю поверхность собирающего электрода.

Рассмотренная конструкция ионизационной камеры нашла широкое применение при контроле нейтронного потока внутри корпуса ядерного реактора вне его активной зоны. Ионизационная камера конструктивно объединяется с линией связи и внешним корпусом в единое устройство, называемое подвеской ионизационной камеры.

Недостатком данной конструкции является необходимость использования многочисленных дополнительных элементов: наружный собирающий и промежуточный охранный коаксиальные электроды, наружные дистанционирующие изоляторы, внутренние изоляторы, изолированные токопроводящие перемычки. Кроме того, наружный собирающий электрод выполнен в виде секций с зазорами между ними. Указанные дополнительные элементы обеспечивают требования к сопротивлению изоляционных материалов при эксплуатации ИКД в условиях длительного воздействия интенсивных полей излучения и высоких температур. Однако наличие в конструкции камеры такого большого числа дополнительных элементов приводит на практике к невысокой надежности рассмотренной ИКД.

Таким образом, данная многоэлектродная конструкция ИКД не позволяет минимизировать диаметр камеры, величина которого составляет обычно не менее 6÷7 мм, что принципиально ограничивает использование такой конструкции в качестве внутризонного детектора нейтронного потока, так как внутренний диаметр каналов реактора, в которые устанавливаются ИКД, не превышает, как правило, 5 мм. Это в свою очередь исключает применение такой камеры при эксплуатации ядерного реактора в режиме источника, при переходном режиме и вплоть до вывода реактора на минимально контролируемый уровень мощности, при котором чувствительность камер, расположенных вне активной зоны реактора, становится достаточной для контроля нейтронного потока.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является ионизационная камера деления, включающая трубчатый корпус с коаксиально расположенными в нем внутренним электродом, на который нанесено покрытие из делящегося материала, и дистанционирующими изоляторами, металлокерамический узел и штенгель (Малышев Е.К., Стабровский С.А. Малогабаритные ионизационные камеры и их применение на ядерных реакторах. - Атомная техника за рубежом, 1983, 12, с. 10÷17).

Указанная конструкция ИКД характеризуется малым диаметром, является малогабаритной и может быть использована для контроля нейтронного потока внутри активной зоны реактора. Однако существенным недостатком известной ИКД является ее невысокая чувствительность вследствие малой площади покрытия из делящегося материала.

Перед авторами изобретения стояла задача повысить чувствительность ИКД к нейтронному потоку без увеличения ее поперечных габаритных размеров при сохранении ее надежностных характеристик с целью использования ИКД в качестве внутризонного детектора нейтронного потока.

Поставленная задача достигается тем, что в ионизационной камере деления, включающей трубчатый корпус с коаксиально расположенными в нем внутренним электродом, покрытием из делящегося материала и дистанционирующими изоляторами, металлокерамический узел и штенгель, трубчатый корпус выполнен в виде неразъемной многосекционной сборки, при этом в каждой секции с внутренней стороны трубчатого корпуса сформированы торцевые выборки, в которых установлены дистанционирующие изоляторы с перекрытием объема выборок соседних секций, причем металлокерамический узел и штенгель зафиксированы изоляторами торцевых выборок оконечных секций и охватывающими спаями, а покрытие из делящегося материала нанесено на внутреннюю поверхность корпуса между изоляторами.

Выполнение трубчатого корпуса в виде неразъемной многосекционной сборки позволяет при сохранении надежностных характеристик, присущих ИКД, принятой за прототип, набором секций увеличить длину чувствительного элемента и тем самым увеличить площадь покрытия из делящегося материала.

Секционность корпуса позволяет формировать однородное покрытие одинаковой толщины из делящегося материала на внутренней поверхности каждой отдельной секции корпуса.

Неразъемная многосекционная сборка допускает надежное конструктивное объединение ионизационной камеры с линией связи в единое устройство - подвеску ионизационной камеры, допускающее при достигнутых минимальных поперечных размерах ее размещение внутри канала активной зоны реактора. Устойчивость неразъемной многосекционной сборки к механическим воздействиям при монтаже подвески в реактор и ее эксплуатации обеспечивается установкой дистанционирующих изоляторов в объем торцевых выборок соседних секций, сформированных с внутренней стороны трубчатого корпуса. Дистанционирующие изоляторы обеспечивают постоянный зазор между корпусом камеры и внутренним электродом и электрическую изоляцию корпуса и электрода. При этом перекрытие дистанционирующими изоляторами объема выборок соседних секций повышает жесткость конструкции неразъемной многосекционной сборки после ее соединения сваркой по внешней стороне корпуса.

Наличие торцевых выборок в каждой секции с внутренней стороны трубчатого корпуса позволяет сохранить сплошность и адгезию покрытия из делящегося материала при сборке ИКД в неразъемную конструкцию. При этом исключаются задиры покрытия и образование нитевидных отслоений, что может в условиях эксплуатации приводить к уменьшению сопротивления изоляции между корпусом и внутренним электродом.

Выполнение трубчатого корпуса в виде неразъемной многосекционной сборки сохраняет возможность размещения малогабаритной ИКД внутри активной зоны реактора, решает проблему увеличения чувствительности ИКД за счет выбора общей длины сборки (числа секций) и позволяет контролировать нейтронные потоки малой плотности.

Дистанционирующие изоляторы, установленные в торцевых выборках оконечных секций корпуса, позволяют надежно фиксировать относительное расположение металлокерамического узла, элементов неразъемной сборки и штенгеля при образовании с помощью охватывающих спаев единой конструкции ИКД, что исключает при последующей транспортировке, монтаже в активную зону и при эксплуатации замыкания между корпусом и электродом, сохраняя надежностные характеристики, присущие малогабаритным ИКД.

Указанная совокупность отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемой ИКД критерию "новизна".

Положительный эффект заявляемой конструкции, выраженный в повышении чувствительности ИКД к нейтронному потоку без увеличения ее поперечных габаритных размеров при сохранении ее надежностных характеристик, не вытекает явным образом из указанной совокупности существенных признаков, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

В заявляемом устройстве решаются все основные технологические проблемы создания ионизационных камер деления для внутризонного применения: минимальные поперечные размеры, высокая чувствительность, технологичность и относительная простота изготовления при сохранении высокой надежности, присущей малогабаритным одноэлектродным ИКД. Заявленное устройство позволяет решить проблему контроля плотности нейтронного потока внутри активной зоны при различных режимах работы реактора, включая контроль нейтронных потоков минимальной плотности и их распределение внутри активной зоны.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображена заявляемая ионизационная камера деления.

Ионизационная камера деления состоит из трубчатого корпуса 1, в котором коаксиально расположены внутренний электрод 2 и дистанционирующие изоляторы 3, металлокерамического узла 4 и штенгеля 5. Трубчатый корпус 1 выполнен в виде неразъемной многосекционной сборки. В каждой секции с внутренней стороны трубчатого корпуса сформированы торцевые выборки 6, в которых установлены дистанционирующие изоляторы 3. Изоляторы 3 перекрывают объемы выборок 6 соседних секций. На внутреннюю поверхность корпуса 1 между изоляторами 3 нанесено покрытие 7 из делящегося материала. Металлокерамический узел 4 и штенгель 5 зафиксированы изоляторами торцевых выборок оконечных секций корпуса 3 и охватывающими спаями 8.

Трубчатый корпус 1 представляет собой многосекционную сборку. Количество секций определяется типом реактора и связанными с ним требуемой чувствительностью ИКД и ее общей длиной.

Для надежного и достоверного контроля нейтронных потоков при работе реактора, например, РБМК-1000 в режиме источника чувствительность ИКД должна быть не менее 5•10^-3 импульс•см²/нейтрон. Стандартная ИКД типа КНТ-5 не позволяла осуществлять контроль нейтронного потока реактора РБМК-1000 в режиме пуска, так как ее чувствительность в 40 раз меньше требуемой и имеет значение порядка 1,3•10^-4 импульс•см²/нейтрон. При этом существуют ограничения и на общую длину ИКД: например, для реактора РБМК-1000 длина ИКД не должна превышать 500 мм, для того чтобы определение плотности нейтронного потока могло считаться точечным с точки зрения математической обработки результатов измерений.

Трубчатый корпус 1 ИКД изготовлен из трубок диаметром 3 мм с толщиной стенки 0,5 мм и длиной 70 мм. Таким образом, количество секций ИКД для данного типа реактора составляет 7. Основными материалами конструкции ИКД служат нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и высокоглиноземная керамика. Внутренний электрод 2 выполнен из проволоки диаметром 0,8 мм. В каждой секции сформированы торцевые выборки 6 диаметром 2,5 мм на глубину 3 мм для дистанционирующих изоляторов 3, выполненных в виде цилиндра диаметром 2,5 мм, длиной 6 мм с отверстием диаметром 0,9 мм. Содержание Аl₂О₃ в дистанционирующих изоляторах составляет ~99%.

В качестве делящегося материала покрытия использованы окислы урана с обогащением по изотопу ²³⁵U до 95%. Поверхностная плотность покрытия составляет ~ 1 мг/см², подобрана экспериментально и согласуется с рекомендуемыми значениями, представленными в специальной литературе. Нанесение покрытия 7 осуществляют методом термического разложения металлоорганических комплексов урана на основе альфа-разветвленных карбоновых кислот ряда С₇-С₉.

Сборка ионизационной камеры деления в неразъемную многосекционную конструкцию заключается в стыковке секций корпуса в специальном приспособлении и лазерной сварке (сварка на чертеже обозначена символом сварки в соответствии с ЕСКД). При этом дистанционирующие изоляторы 3 перекрывают объем выборок соседних секций. В процессе сборки ИКД производится промежуточный пооперационный контроль электрического пробоя межэлектродного зазора и сопротивления изоляции. Для фиксации внутреннего электрода 2 внутри трубчатого корпуса 1 на концы электрода лазерной сваркой навариваются ограничительные втулки (на чертеже не показаны) в виде полосок фольги толщиной 0,1 мм из нержавеющей стали высотой до 2 мм.

В оконечных секциях трубчатого корпуса 1 металлокерамический узел 4 и штенгель 5 фиксируются изоляторами 3, а затем привариваются к корпусу с образованием охватывающих спаев 8.

Надежная работа ИКД обеспечивается постоянным составом и давлением газовой смеси в межэлектродном зазоре. Межэлектродный зазор составляет 0,6 мм и образуется технологически во время сборки ИКД. Степень герметичности ИКД в соответствии с технологическим процессом определяется масс-спектрометрическим методом на всех этапах изготовления.

После сборки, контроля герметичности и электрических характеристик ИКД она помещается в вакуумный стенд для обезгаживания и заправки газовой смесью через штенгель 5. Обезгаживание проводится для удаления остаточных газов в конструкционных материалах.

При указанных геометрических размерах секций неразъемной многосекционной сборки ИКД не происходит замыкания между корпусом 1 и внутренним электродом 2 при вибрации и нагреве камеры за счет изгиба внутреннего проволочного электрода. Электрический вывод внутреннего электрода 2 осуществляется через металлокерамический узел 4, а обезгаживание ионизационной камеры и заправка ее газовой смесью осуществляется через штенгель 5.

Линия связи ИКД с вторичной измерительной аппаратурой состоит из специального кабеля с минеральной (Аl₂О₃) или стекловолоконной (SiO₂) изоляцией и соединительного кабеля с органической изоляцией, непосредственно связанного с вторичной измерительной аппаратурой.

ИКД работает следующим образом. При облучении камеры потоком нейтронов происходит деление ядер покрытия из делящегося материала. Осколки деления ионизируют рабочую газовую смесь в межэлектродном зазоре, и образующийся объемный электрический заряд создает импульс тока, регистрируемый вторичной электронной аппаратурой. При этом количество импульсов тока пропорционально плотности нейтронного потока. В зависимости от количества импульсов ИКД работает в импульсном, флуктуационном и токовом режимах.

Надежная работа измерительного нейтронного канала, состоящего из ИКД и вторичной регистрирующей электронной аппаратуры, обеспечивается техническими характеристиками ИКД: чувствительность ИКД из 7 секций для РБМК-1000 составляет не менее 7•10^-3 импульс•см²/нейтрон, электронный заряд в импульсе - не менее 1,2•10^-13, длительность импульса - не более 1•10^-7 с, сопротивление изоляции - не менее 1•10¹¹ Ом, напряжение пробоя межэлектродного зазора (не менее двукратного значения разности потенциалов между электродами) - не менее 600 В.

Приведенные характеристики убедительно свидетельствуют о том, что заявляемое устройство позволяет решить проблему контроля плотности нейтронного потока внутри активной зоны в различных режимах работы реактора, включая контроль нейтронных потоков минимальной плотности и их распределение внутри активной зоны.

Использование: в оборудовании системы управления и защиты ядерного реактора. Сущность: в ионизационной камере деления трубчатый корпус выполнен в виде неразъемной многосекционной сборки с коаксиально расположенным в нем внутренним электродом. В каждой секции с внутренней стороны трубчатого корпуса сформированы торцевые выборки, в которых установлены дистанционирующие изоляторы с перекрытием объема выборок соседних секций. Металлокерамический узел и штенгель зафиксированы изоляторами торцевых выборок оконечных секций и охватывающими спаями, а на внутреннюю поверхность корпуса между изоляторами нанесено покрытие из делящего материала. Технический результат: уменьшение габаритных размеров, повышение чувствительности и надежности. 1 ил.

Ионизационная камера деления, включающая трубчатый корпус с коаксиально расположенными в нем внутренним электродом, покрытием из делящегося материала и дистанционирующими изоляторами, металлокерамический узел и штенгель, отличающаяся тем, что трубчатый корпус выполнен в виде неразъемной многосекционной сборки, при этом в каждой секции с внутренней стороны трубчатого корпуса сформированы торцевые выборки, в которых установлены дистанционирующие изоляторы с перекрытием объема выборок соседних секций, причем металлокерамический узел и штенгель зафиксированы изоляторами торцевых выборок оконечных секций и охватывающими спаями, а покрытие из делящегося материала нанесено на внутреннюю поверхность корпуса между изоляторами.