СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОННОГО ПОТОКА Российский патент 2005 года по МПК G01T3/06 G21C17/10 

Область техники.

Изобретение относится к детектированию нейтронных излучений и может быть использовано в ядерной физике, атомной энергетике, в частности, в системах контроля и обеспечения безопасности ядерных реакторов.

Уровень техники.

В предлагаемом изобретении доказывается возможность создания способа регистрации нейтронного потока в диапазоне 10⁶-10¹⁸ см^-2·^{с-1, характерном для исследовательских и энергетических ядерных реакторов. Зона размещения детекторов имеет агрессивную среду с температурой 200-600 град.С. Ядерные реакторы насыщены электромеханическими исполнительными механизмами. При использовании детекторов, построенных на принципах газового разряда, эти факторы приводят к генерации ложных выходных сигналов. Трудности вывода информации о состоянии реактора преодолеваются сложными конструкциями кабельных коммуникаций, проведением калибровочных тестов аппаратуры в процессе эксплуатации реактора и т.п. И, несмотря на все эти процедуры, информация о плотности потока нейтронов внутри активной зоны (A3) реактора зачастую остается недопустимо искаженной.}

Известен способ регистрации нейтронного потока, основанный на делении нейтронами атомов радиатора, ионизации рабочего газа продуктами (осколками) деления, сборе заряда ионизации на электродах камеры, к которым приложено электрическое напряжение, и передаче заряда ионизации во внешнюю электрическую цепь. Этот способ реализован в ионизационных камерах деления [1], основным преимуществом которых является способность контроля плотности потока тепловых нейтронов в широком диапазоне, который определяется минимально контролируемым уровнем мощности реактора и максимальным уровнем при работе реактора на номинальной мощности. С помощью этих камер решаются задачи контроля нейтронного потока в диапазоне 10⁴-10¹⁴ см^-2·^{с-1 в энергетических ядерных реакторах как в режиме пуска реактора для контроля локальных искажений реактивности, так и в системах контроля распределения нейтронов по высоте и радиусу активной зоны при выходе на полную мощность.}

Недостатком данного способа регистрации нейтронного потока является искажение передаваемого сигнала и затягивание времени срабатывания устройств автоматики в связи с изменением характеристик устройств, входящих в состав аппаратуры каналов измерения нейтронов, в условиях мощного облучения ядерными частицами компонентов реакторного излучения, повышенной температуры в зоне эксплуатации (до 1000° С) и агрессивной среды. Большая протяженность (десятки метров) линий связи между камерами деления и регистрирующей аппаратурой приводит к необходимости разрабатывать сложные кабельные линии и системы тестирования регистрирующей аппаратуры для учета изменений, происходящих под воздействием высоких температур и нейтронных потоков.

Известен способ регистрации нейтронного потока, основанный на преобразовании энергии ядерных реакций в люминесцентное излучение, регистрируемое с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Этот способ реализуется в газовых сцинтилляционных счетчиках, выполненных в виде камер, заполненных газовой средой с навеской делящегося материала [2], и имеет ряд преимуществ, таких как наиболее короткий импульс высвечивания по сравнению с электроразрядными счетчиками, автономность детектора, высокий КПД, узкая ширина линии по спектру, что позволяет исключить фоновое излучение, большая выделяемая энергия при регистрации нейтронов (170 МэВ), что позволяет дискриминировать сигналы от других частиц.

Данное техническое решение, как наиболее близкое по физической и технической сущности, выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является невозможность регистрировать нейтронные потоки с плотностью выше уровня 10⁶ см^-2·^{с-1 в связи с высокой чувствительностью ФЭУ к нейтронному и гамма-излучению. Поэтому этот способ непригоден для измерения нейтронных потоков в реакторной технике.}

Сущность изобретения

Задачей, решаемой изобретением, является создание способа, способного регистрировать потоки нейтронов 10⁶-10¹⁸ см^-2·^{с-1 в условиях, характерных для работающего реактора.}

Техническим результатом является возможность использования данного способа в системах контроля и обеспечения безопасной эксплуатации ядерных реакторов.

Технический результат в заявляемом способе достигается тем, что в способе регистрации нейтронного потока, основанном на преобразовании энергии ядерных реакций деления в люминесцентное излучение, по интенсивности которого судят о величине нейтронного потока, новым является то, что перед измерением интенсивности люминесцентного излучения его выводят по волоконно-оптическому световоду, который выбирают из условий его устойчивости к радиационному воздействию и совпадения спектрального диапазона пропускания со спектром свечения выбранной люминесцирующей под действием облучения нейтронами газовой среды. В качестве оптического волокна выбран световод на основе кварца, в котором присутствует ион-протектор. В качестве состава газовой среды выбраны благородные газы и благородные газы с добавками молекулярных газов, например Ne-Kr, в которой роль буферного газа играет Ne, а люминесцирующей добавкой служит Кг. Рабочей линией люминесценции могут служить спектральные линии, принадлежащие переходам HeI, NeI, ArI, ArII, KrI, KrII, XeI, XeII, а также линии, принадлежащие переходам атомов О, N, С и молекул N2, N₂ ⁺.

Вывод люминесцентного излучения перед измерением его интенсивности за биологическую защиту реактора в предлагаемом способе позволяет измерять потоки нейтронов, характерные для работающего реактора, и тем самым решить поставленную в изобретении задачу. Для реализации необходимо выбрать радиационно-стойкий материал для световода, спектральный диапазон пропускания которого совпадает со спектром свечения под действием нейтронного облучения люминесцирующей газовой среды. Этому выбору предшествовали экспериментальные исследования, проведенные на предприятии. Исследования показали, что наиболее подходящим материалом для световодов является плавленый кварц высокой частоты, первое окно прозрачности (0.7-0.9 мкм) которого является оптимальным для эффективного вывода люминесцентного излучения. Стойкость промышленного световода не достаточна для использования в условиях реакторного излучения, поэтому были проведены экспериментальные исследования по влиянию концентрации различных добавок для повышения радиационной стойкости световодов [3]. Этим условиям и удовлетворяет выбранный световод на основе кварца, в котором присутствует ион-протектор. Концентрация иона-протектора выбирается из условий компенсации красящих примесей, концентрация которых зависит от применяемой технологии изготовления оптического волокна. Механизм защиты объясняется процессом конкурентного захвата носителя заряда на ион-протектор с его дальнейшей рекомбинацией.

Информация о возможности использования активной среды, спектр свечения которой совпадает со спектральным диапазоном пропускания материала световода, была получена на основании анализа результатов спектрально-люминесцентных исследований плазмы, возбуждаемой продуктами деления ядерных реакций. Такие исследования позволили выделить наиболее интенсивные линии, измерить спектроскопические характеристики радиационных переходов. На основании этих исследований в качестве люминесцирующей среды были выбраны чистые благородные газы и благородные газы с добавками молекулярных газов, например Ne-Kr, He-N₂.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ, где 1 - корпус датчика; 2 - газовая среда; 3 - источник осколков деления; 4 - световод; 5 - фильтр; 6 - фотоприемник; 7 - широкодиапазонная система измерения нейтронного потока, 8 - заправочный штуцер для откачки корпуса датчика и наполнения его газовой смесью.

Устройство для реализации этого способа выполнено в виде корпуса 1, заполненного люминесцирующей газовой средой 2, слоя делящегося материала 3, нанесенного на его внутреннюю боковую поверхность. В одном из торцов корпуса размещен световод на основе кварца 4 с лигатурой иона-протектора, соединенный с регистрирующей системой 7 посредством фотоприемника 6 с фильтром 5, а на другом из торцов установлен заправочный штуцер для откачки корпуса датчика и заполнения его газовой смесью. В качестве люминесцирующей газовой среды используются чистые благородные газы и благородные газы с добавками молекулярных газов.

Способ реализуется следующим образом. Корпус датчика откачивают при помощи заправочного штуцера 8 и заполняют его газовой смесью. Под действием нейтронного излучения, попадающего на слой делящегося материала 3, нанесенного на внутреннюю боковую поверхность корпуса 1 детектора нейтронов, вылетают осколки, которые возбуждают газовую среду 2, заполняющую корпус, и приводят к ее люминесценции. Люминесцентное излучение выводят по волоконному световоду 4 через фильтр 5 к фотодетектору 6 и далее к регистрирующей аппаратуре 7. По величине сигнала регистрирующей аппаратуры судят о величине нейтронного потока. При этом выбирают световод на основе чистого кварца с окнами прозрачности 0.7-0.9 мкм, 1.25-1.35 мкм, 1.5-1.7 мкм с лигатурой иона-протектора, из условий устойчивости световода к радиационному воздействию. В качестве люминесцирующей газовой среды выбрана бинарная смесь благородных газов, спектр излучения которой совпадает с окнами прозрачности радиационно-стойкого волоконно-оптического световода.

Проведенные испытания показали работоспособность заявленного способа, позволили отобрать наиболее эффективно люминесцирующие газовые среды, в которых мощность люминесцентного излучения линейно зависит от нейтронного потока. Это позволяет регистрировать нейтроны в диапазоне плотностей потока нейтронов 10⁶-10¹⁸ см^-2·^{с-1 и формировать сигналы управления реактором во всех режимах работы. Благодаря этому предложенный способ регистрации нейтронов найдет широкое применение в системах контроля и обеспечения безопасности энергетических ядерных реакторов.}

Используемая литература

1. Малышев Е.К., Стабровский С.А. Малогабаритные ионизационные камеры и их применение на ядерных реакторах. Атомная техника за рубежом, №12, 1983, стр.10-17.

2. Балдин С.А., Матвеев В.В. Газовые сцинтилляционные счетчики. ПТЭ, №4, 1963, стр.5-18 - прототип.

3. Воинов А.М., Довбыш Л.Е., Кривоносов В.Н., Мельников С.П., Синянский А.А. Методическое обеспечение исследований по радиационной стойкости оптических элементов лазеров с ядерной накачкой. - Труды 2-й Международной конф. "Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой", Арзамас-16, т.1, с.52-69 (1995).

Использование: в системах контроля и обеспечения безопасности ядерных реакторов. Сущность: способ заключается в преобразовании энергии ядерных реакций деления в люминесцентное излучение в заполненном газовой средой детекторе, по интенсивности которого судят о величине нейтронного потока. Перед измерением интенсивности люминесцентного излучения его выводят за биологическую защиту реактора по устойчивому к радиационному воздействию световоду на основе кварца с добавлением ионов-протекторов с окнами прозрачности 0,7-0,9 мкм, 1,25-1,35 мкм, 1,5-1,7 мкм, а из отобранных люминесцирующих газовых сред в указанных окнах прозрачности световода выбирают те, в которых мощность люминесцентного излучения линейно зависит от величины нейтронного потока. Люминесцирующими газовыми средами служат смеси инертных газов или смеси инертных газов с молекулярными газами. Технический результат - повышение чувствительности регистрации. 1 ил.

Способ регистрации нейтронного потока, включающий преобразование энергии ядерных реакций деления в люминесцентное излучение в заполненном газовой средой детекторе, по интенсивности которого судят о величине нейтронного потока, отличающийся тем, что перед измерением интенсивности люминесцентного излучения его выводят за биологическую защиту реактора по устойчивому к радиационному воздействию световоду на основе кварца с добавлением ионов-протекторов с окнами прозрачности 0,7-0,9 мкм, 1,25-1,35 мкм, 1,5-1,7 мкм, а из отобранных люминесцирующих газовых сред в указанных окнах прозрачности световода выбирают те, в которых мощность люминесцентного излучения линейно зависит от величины нейтронного потока, при этом люминесцирующими газовыми средами служат смеси инертных газов или смеси инертных газов с молекулярными газами.