УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАСХОДА ВОДЫ-ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ПЕРВОМ КОНТУРЕ КАНАЛЬНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Российский патент 2004 года по МПК G21C17/22 G21C17/32 

Область техники, к которой относится изобретение, - канальные ядерные реакторы, в частности реакторы серии РБМК.

Известно техническое решение, в котором первый контур теплоносителя канальных ядерных реакторов РБМК оснащается системой контроля расхода воды в технологических каналах (ТК) на основе шариковых расходомеров, каждый из которых имеет подвижный элемент (шарик), встроенный в технологический канал и омываемый теплоносителем [1]. Надежность шариковых расходомеров недостаточна из-за потери в процессе эксплуатации свободы перемещения шариков внутри ТК. Замена шарика в расходомере канального ядерного реактора связана с необходимостью нарушать и вновь восстанавливать герметичность ТК - операцией, крайне ответственной и затрудненной радиоактивностью осадков, накапливающихся в ТК.

Известно изобретение [2] "Устройство для контроля за расходом теплоносителя в ядерном реакторе", в котором предложена система радиационного контроля теплоносителя, содержащая позиционно-управляемые гамма-датчики. Недостатком этого устройства является отсутствие решения о избирательности гамма-датчиков к гамма-излучению, исходящему из ТК и связанному с величиной расхода теплоносителя.

Известно изобретение [3] "Измеритель скорости течения теплоносителя в первом контуре реактора", на основе которого возможно создание устройства для контроля за расходом теплоносителя; в изобретении предлагается использовать блок детектирования гамма-излучения теплоносителя в виде ионизационной камеры, расположенной вдоль ТК. Изобретение [3] является аналогом, наиболее близким к предлагаемому изобретению, и выбрано в качестве прототипа. Недостатком прототипа [3] является неконтролируемая зависимость показаний измерителя от величины фонового гамма-излучения, неизбежно присутствующего в помещении, где расположены ТК с теплоносителем ядерного реактора; этот недостаток является следствием применения в прототипе в качестве детектора гамма-излучения ионизационной камеры, сигнал которой пропорционален суммарной мощности дозы гамма-излучения в месте ее расположения, то есть сигнал ионизационной камеры невозможно разделить на информативную и фоновую части.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого технического решения, заключается в повышении надежности контроля расхода воды-теплоносителя в первом контуре теплоносителя канального ядерного реактора и улучшении условий безопасной эксплуатации за счет исключения необходимости разгерметизации технологического канала с радиоактивным теплоносителем в случае ремонта или смены датчика сигналов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для контроля расхода воды-теплоносителя в первом контуре канального ядерного реактора содержит два одинаковых детектора гамма-излучения изотопа ¹⁶N, размещенных вблизи технологического канала постоянного сечения S, по которому протекает вода-теплоноситель, активированная в ядерном реакторе изотопом ¹⁶N, с расстоянием L друг от друга, соответствующим времени прохождения воды между ними по каналу не менее 1 с, и электронный блок, связанный с детекторами электрическими линиями, выделяющий и регистрирующий сигналы К детекторов, пропорциональные активности ¹⁶N в теплоносителе, и способный рассчитать расход воды Q по формуле
Q=0,693 SL(τlnК₁/К₂)^-1,
где Q - расход воды;
S - сечение технологического канала;
L - расстояние между детекторами;
τ=7,1 с - период полураспада изотопа ¹⁶N;
K₁ - сигнал детектора более близкого к активной зоне реактора;
К₂ - сигнал детектора более удаленного от активной зоны реактора;
причем каждый из двух одинаковых детекторов гамма-излучения изотопа ¹⁶N образован парой (или несколькими парами) счетчиков электронов, между которыми расположен поглотитель электронов толщиной d, в состав которого входят элементы с малым порядковым номером по таблице Менделеева (например, бериллий, углерод, алюминий), причем
R₁<d<R₂,
где d - толщина поглотителя электронов;
R₁ - пробег в поглотителе электронов с энергией Е₁, большей энергии квантов гамма-излучения по крайней мере большинства радиоактивных примесей в теплоносителе и радиоактивных осадков на поверхности технологического канала (например, E₁=5 МэВ);
R₂ - пробег в поглотителе электронов с энергией Е₂, близкой, но меньшей энергии квантов гамма-излучения изотопа ¹⁶N (например, Е₂=5,5 МэВ);
а электронный блок, связанный с детекторами электрическими линиями, выделяет и регистрирует совпадения сигналов счетчиков каждого детектора и числа этих совпадений в единицу времени принимаются за сигналы К₁ и К₂ детекторов, пропорциональные активности ¹⁶N в теплоносителе.

Указанная совокупность признаков необходима и достаточна для обеспечения технических результатов, получаемых при реализации устройства.

Устройство в статике показано на чертеже. Оно включает в себя два детектора гамма-излучения 1, каждый из которых состоит из пары (или нескольких пар) счетчиков электронов 2, разделенных поглотителем электронов 3, и электронный блок 4, связанный с детекторами электрическими линиями 5.

Детекторы 1 располагаются рядом с ТК на расстоянии друг от друга, соответствующем времени прохождения воды между ними по каналу не менее 1 с (технологический канал 6 в состав устройства не входит). Электронный блок 4 связан магистралью цифровых сигналов 7 с рабочей станцией 8 оператора устройства (магистраль 7 и станция 8 в состав устройства не входят).

Работа устройства происходит следующим образом.

В воде, расход которой контролирует устройство, во время прохождения активной зоны реактора образуются радиоактивные гамма-излучающие примеси. В частности, при взаимодействии с нейтронами по реакциям ¹⁵N(nγ)¹⁶N и ¹⁶O(np)¹⁶N в воде образуется изотоп ¹⁶N с периодом полураспада τ=7,1 с и с энергией квантов ε₁=7,12 МэВ (7,0% числа распадов) и ε₂=6,13 МэВ (75% числа распадов). Этот изотоп всегда присутствует в ТК при работе ядерного реактора в энергетическом диапазоне мощности.

За время движении воды по ТК между разнесенными детекторами активность этого изотопа изменяется по закону радиоактивного распада, что позволяет рассчитать скорость движения воды и ее объемный расход в технологическом канале с постоянным сечением между детекторами.

Устройство контролирует активности ¹⁶N по линиям гамма-излучения с энергией квантов 7,12 МэВ и 6,13 МэВ, которые выделяются из фонового излучения детекторами, основанными на регистрации совпадений импульсов пары счетчиков электронов, разделенных поглотителем электронов с энергией около 6 МэВ.

Каждый из двух одинаковых детекторов гамма-излучения изотопа ¹⁶N образован парой (или несколькими парами) счетчиков электронов, между которыми расположен поглотитель электронов толщиной d, причем
R₁<d<R₂,
где d - толщина поглотителя электронов;
R₁ - пробег в поглотителе электронов с энергией Е₁, большей энергии квантов гамма-излучения по крайней мере большинства радиоактивных примесей в теплоносителе и радиоактивных осадков на поверхности технологического канала (например, Е₁=5 МэВ);
R₂ - пробег в поглотителе электронов с энергией Е₂, близкой, но меньшей энергии квантов гамма-излучения изотопа ¹⁶N (например, Е₂=5,5 МэВ).

Для уменьшения фоновой нагрузки счетчиков электронов поглотитель электронов между счетчиками изготовляется из элементов с малым порядковым номером по таблице Менделеева (например, бериллия, углерода, алюминия).

Электронный блок, связанный с детекторами электрическими линиями, выделяет и регистрирует совпадения сигналов каждой пары счетчиков каждого детектора; числа этих совпадений в единицу времени принимаются за сигналы K₁ и K₂ детекторов, пропорциональные активности ¹⁶N в теплоносителе в местах расположения детекторов.

Расчет объемного расход воды электронный блок проводит по формуле
Q=0,693SL(τlnK₁/K₂)^-1,
где Q - объемный расход воды;
S - сечение технологического канала;
L - расстояние между детекторами;
τ=7,1 с - период полураспада изотопа ¹⁶N;
K₁ - сигнал детектора более близкого к активной зоне реактора;
K₂ - сигнал детектора более удаленного от активной зоны реактора.

Электронный блок формирует выходные цифровые сигналы и по магистрали цифровых сигналов передает их рабочей станции оператора (магистраль цифровых сигналов и рабочая станция в состав устройства не входят).

Максимальное значение контролируемого объемного расхода Q_max (при движения воды по ТК между разнесенными детекторами за время 1 с) принимается соответствующим значению К₁/К₂= 0,1; минимальное значение контролируемого объемного расхода Q_min принимается соответствующим значению К₁/К₂=10. Отношение этих величин Q_max/Q_min=ln10/ln1,1≅24.

Для осуществления предлагаемого изобретения необходимо наличие или возможность изготовления составных частей устройства, удовлетворяющих условиям эксплуатации в помещениях канального ядерного реактора и обеспечивающих возможность контроля расхода воды в широком диапазоне.

Температура в помещении, в котором расположены ТК реактора РБМК, может достигать 300^oС; мощность экспозиционной дозы фонового гамма-излучения в этом помещении может быть порядка 10 Р/ч. Счетчики электронов, работоспособные в этих условиях, изготовляются [4] (например, типов СБМ 13, СБМ 14, СИ 28БГ). То же можно сказать и о электрических проводах и кабелях (например, типов 2РК50-2-41 ТУ 16. К76-167-2000 или 2РК50-2-71 ТУ 16-К76.149-98), которые можно использовать в качестве линий связи между детекторами и электронным блоком предлагаемого устройства. Возможность изготовления электронного блока, выделяющего и регистрирующего совпадения сигналов счетчиков каждого детектора и число этих совпадений в единицу времени, не вызывает сомнений, так как подобные устройства известны [5].

Источники информации
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. М.: Машиностроение, 1987.

2. Русинов В.Ф., Борисов В.Ф. "Устройство для контроля за расходом теплоносителя в ядерном реакторе". Патент 2100855, заявл. 03.11.95.

3. Остапенко В. В. "Измеритель скорости течения теплоносителя в первом контуре ядерного реактора". Авторское свидетельство 1222044, заявл. 03.07.84.

4. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2, 2000 г..

5. Аглинцев К.К. Дозиметрия ионизирующих излучений. М.: Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1957.

Изобретение относится к канальным ядерным реакторам, в частности к устройствам для контроля расхода воды-теплоносителя в первом контуре канального ядерного реактора серии РБМК. В устройстве контроль расхода воды-теплоносителя в первом контуре канального ядерного реактора, не требующем контакта с теплоносителем, основан на регистрации разнесенными вдоль технологического канала (ТК) детекторами изменения гамма-активности изотопа ¹⁶N в воде-теплоносителе в результате радиоактивного распада этого изотопа за время движении воды по ТК между разнесенными детекторами. Контроль активности ¹⁶N будет вестись по линиям гамма-излучения с энергией квантов 7,12 МэВ и 6,13 МэВ, которые будут выделяться из фонового излучения детектором, основанным на регистрации совпадений импульсов двух счетчиков электронов, разделенных поглотителем электронов с энергией около 6 МэВ. В состав устройства включен электронный блок, связанный с детекторами электрическими линиями, выделяющий и регистрирующий сигналы детекторов, пропорциональные активности ¹⁶N в теплоносителе, и способный рассчитать расход воды в ТК. Технический результат заключается в повышении надежности контроля расхода воды-теплоносителя в первом контуре теплоносителя канального ядерного реактора и улучшении условий безопасной эксплуатации. 1 ил.

Устройство для контроля расхода воды-теплоносителя в первом контуре канального ядерного реактора, отличающееся тем, что оно содержит два одинаковых детектора гамма-излучения изотопа ¹⁶N, размещенных вблизи технологического канала постоянного сечения S, по которому протекает вода-теплоноситель, активированная в ядерном реакторе изотопом ¹⁶N, с расстоянием L друг от друга, соответствующим времени прохождения воды между ними по каналу не менее 1 с, и электронный блок, связанный с детекторами электрическими линиями, выделяющий и регистрирующий сигналы К детекторов, пропорциональные активности ¹⁶N в теплоносителе, и способный рассчитать расход воды Q по формуле

Q=0,693SL(τlnK₁/К₂)^-1,

где Q - расход воды;

S - сечение технологического канала;

L - расстояние между детекторами;

τ=7,1 с - период полураспада изотопа ¹⁶N;

K₁ - сигнал детектора более близкого к активной зоне реактора;

К₂ - сигнал детектора более удаленного от активной зоны реактора,

причем каждый из двух одинаковых детекторов гамма-излучения изотопа ¹⁶N образован парой (или несколькими парами) счетчиков электронов, между которыми расположен поглотитель электронов толщиной d, в состав которого входят элементы с малым порядковым номером по таблице Менделеева (например, бериллий, углерод, алюминий), причем

R₁ < d < R₂,

где d - толщина поглотителя электронов;

R₁ - пробег в поглотителе электронов с энергией Е₁, большей энергии квантов гамма-излучения по крайней мере большинства радиоактивных примесей в теплоносителе и радиоактивных осадков на поверхности технологического канала (например, Е₁=5 МэВ);

R₂ - пробег в поглотителе электронов с энергией Е_2, близкой, но меньшей энергии квантов гамма-излучения изотопа ¹⁶N (например, Е₂=5,5 МэВ),

а электронный блок, связанный с детекторами электрическими линиями, выделяет и регистрирует совпадения сигналов счетчиков каждого детектора и числа этих совпадений в единицу времени принимаются за сигналы K₁ и К₂ детекторов, пропорциональные активности ¹⁶N в теплоносителе.