ДВУХФАЗНЫЙ ПЕРЕХОДНЫЙ ЯДЕРНЫЙ КАЛОРИМЕТР, ВНЕШНИЙ ПО ОТНОШЕНИЮ К РЕАКТОРУ Российский патент 2013 года по МПК G01K17/00 G01T1/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области измерения остаточной мощности зарядов, в частности ядерных.

В частности, изобретение позволяет измерять с коротким временем реагирования рассеянную в ядерном заряде мощность, чтобы следовать кинетике понижения, и при необходимости с выделением измерения мощности γ-излучения.

Изобретение может быть использовано для всех видов облученного топлива или для любого другого ядерного или неядерного заряда.

Уровень техники

В настоящее время размеры систем отвода тепла и защиты от ионизирующего облучения, в частности для облученного топлива, выбирают с большим запасом из-за недостаточного знания остаточной мощности, в частности из-за недостаточной точности определения кинетики облучения.

Современные методы оценки основаны на использовании специальных цифровых инструментов прогнозирования с большой погрешностью, что приводит к применению громоздких устройств, требующих больших затрат, в частности, при транспортировке.

Облучение ядерного топлива приводит к превращению исходного материала в различные неустойчивые ядра, радиоактивные изотопы, которые разряжаются после облучения с испусканием излучений, рассеивая мощность, зависящую от типа топлива и от степени его облучения и называемую остаточной мощностью, которую необходимо знать с достаточной точностью порядка одного процента для определения размеров системы отвода мощности и при необходимости защиты от излучения.

В зависимости от качества отслеживания облучения современные цифровые инструменты достигают точности порядка десяти процентов, которая сильно снижается в зависимости от погрешности определения кинетики облучения. Это понижение точности резко отрицательно сказывается, в частности, на защите от ионизирующих излучений.

Кроме того, получаемые при помощи используемых цифровых инструментов результаты необходимо рассматривать с учетом снижения качества измерения.

Таким образом, возникает необходимость создания устройства и способа, которые позволяют осуществлять необходимые измерения с более высокой точностью по сравнению с цифровым вычислением.

Другой проблемой является продолжительность осуществления измерений.

Действительно, необходимо иметь результаты измерения на одном и том же заряде как по истечении нескольких минут, то есть времени, которое необходимо для подготовки измерения и в конце которого остаточная мощность может быть еще высокой, например порядка нескольких сот ватт, при этом ее кинетика понижения тоже остается высокой, так и после нескольких месяцев, когда остаточная мощность становится намного меньшей, например порядка нескольких ватт.

Таким образом, при достаточно больших промежутках времени диапазон измерения является очень большим, порядка стократного, что предполагает применение измерений с высокой динамикой и с достаточной точностью или нескольких систем каскадного измерения, или при необходимости нескольких режимов работы измерительного устройства. При этом комплекс измерения должен оставаться надежным в течение больших периодов времени (один год), а необходимая точность должна составлять порядка одного процента от мгновенной остаточной мощности.

Предпочтительно такое устройство измерения должно иметь короткое время реагирования порядка нескольких секунд и, следовательно, иметь низкую термическую инерцию.

Кроме того, ставится задача создания устройства измерения остаточной мощности топлива в зависимости от его природы и от типа облучения, чтобы минимизировать степень сложности и стоимость его защитных систем.

Известны различные категории калориметров.

В «адиабатическом калориметре», предназначенном для закрытых систем, температуру термостата автоматически регулируют по температуре пробы с исключением теплообмена.

В «диатермических теплопроводящих калориметрах» с раздельным монтажом, подходящим для открытых систем, температура пробы следует температуре термостата за счет низкого термического сопротивления (для этой категории подходят калориметры с фазовым переходом).

В «диатермическом калориметре с компенсацией мощности» температура пробы автоматически регулируется по температуре термостата в основном за счет электрической компенсации и с исключением теплообмена.

В «изопериболическом калориметре» (с изотермической оболочкой) отсутствует фиксированная связь между температурой пробы и температурой термостата, которая чаще всего является постоянной.

В каждом из документов FR 2170195 и FR 2603987 описано устройство, применяющее метод измерения потока излучения, то есть измерение теплового потока по отклонению температуры, возникающему при прохождении через термометрический резистор. Этот метод очень чувствителен к термическим свойствам используемого материала, причем эти свойства должны быть постоянными во времени и в пространстве. Этот метод очень чувствителен к различным применяемым контактным резисторам, которыми очень трудно управлять.

Раскрытие изобретения

Первым объектом изобретения является устройство для измерения остаточной мощности заряда, содержащее средства, ограничивающие первую камеру, предназначенную для вмещения и хранения измеряемого заряда, средства, ограничивающие вторую камеру вокруг первой камеры, средства образования слоя жидкости или влажного слоя, например, толщиной менее 1 мм или 2 мм, вокруг первой камеры, средства поддержания постоянных значений температуры и/или давления пара снаружи первой камеры или во второй камере.

Конструкция устройства согласно изобретению позволяет обеспечить, в частности, радиальную теплопроводность от стенок первой камеры, то есть от жидкого или влажного слоя, в пространство, отделяющее ее от второй камеры.

В одном из вариантов осуществления изобретения устройство является изотермическим теплопроводящим устройством. В другом варианте осуществления изобретения оно является диатермическим устройством с компенсацией мощности.

Такое устройство может дополнительно содержать средства измерения температуры и/или давления на средствах, ограничивающих первую камеру, и/или во второй камере.

Согласно частному варианту осуществления изобретения это устройство дополнительно содержит средства обеспечения циркуляции теплоносителя в контуре конденсации во второй камере и средства регулирования расхода теплоносителя для изменения этого расхода в указанном контуре в зависимости от измерения температуры и/или давления на средствах, ограничивающую первую камеру, и/или во второй камере.

Кроме того, в контуре конденсации могут быть расположены средства поддержания постоянного значения входной температуры теплоносителя.

Такое устройство может дополнительно содержать средства измерения на входе и на выходе контура конденсации входной и выходной температуры теплоносителя.

Согласно другому варианту осуществления изобретения устройство содержит сопло. В этом случае оно может дополнительно содержать электрический резистор, предназначенный для погружения в жидкость.

Устройство также может содержать средства измерения изменения мощности, подаваемой на электрический резистор.

Предпочтительно такое устройство может дополнительно содержать средства превращения в жидкую фазу пара, выходящего через сопло.

Предпочтительно средства образования влажного слоя содержат слой из волокнистого или пористого материала.

В устройстве согласно изобретению может находиться слой или объем текучей среды, предназначенной для питания средств образования жидкого слоя или влажного слоя вокруг первой камеры. Предпочтительно объем текучей среды в сумме меньше 20% и даже меньше 10% от общего объема второй камеры.

Образование жидкого слоя или влажного слоя вокруг первой камеры позволяет также поддерживать ее стенку при температуре, близкой к окружающей, которую можно считать близкой или равной 20°C.

Наконец, ограниченный второй камерой объем предварительно подвергают прокачке, чтобы удалить максимум загрязнений в устройстве.

Объектом изобретения является также устройство для измерения остаточной мощности заряда, содержащее средства, ограничивающие первую камеру, предназначенную для вмещения и хранения измеряемого заряда, средства, ограничивающие вторую камеру вокруг первой камеры, первые средства, образующие теплообменник, расположенный на предназначенном для измерения заряде или около него, и вторые средства, образующие теплообменник, расположенный на средствах, ограничивающих первую камеру.

Такое устройство может дополнительно содержать трубу или кожух для введения в них предназначенного для измерения заряда, при этом образующие теплообменник первые средства установлены на этой трубе или кожухе или помещены в эту трубу или кожух.

Каждое из первого и второго средств, образующих теплообменник, могут содержать, насос, расходомер, средства, задающие входную температуру теплоносителя в средствах, образующих теплообменник, и средства измерения входной и выходной температуры теплоносителя.

Объектом изобретения является также способ измерения остаточной мощности заряда, в котором применяют устройство согласно изобретению, описанное в том или ином из представленных выше вариантов или более подробно описанное ниже.

В частности, объектом изобретения является способ измерения остаточной мощности заряда, включающий следующие этапы:

- введение предназначенного для измерения заряда в первую камеру, расположенную во второй камере,

- образование слоя жидкости или влажного слоя, например, толщиной менее 1 или 2 мм вокруг первой камеры,

- поддержание постоянных значений температуры и/или давления пара снаружи первой камеры или во второй камере.

Наличие слоя жидкости или влажного слоя вокруг первой камеры позволяет, в частности, обеспечить радиальную теплопроводность от стенок первой камеры, то есть от жидкого слоя или влажного слоя в пространство, отделяющее ее от второй камеры.

Такой способ может дополнительно содержать этап измерения температуры и/или давления на первой камере или около нее и/или во второй камере.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, такой способ включает следующие этапы:

- циркуляцию теплоносителя в контуре конденсации во второй камере,

- изменение расхода теплоносителя в контуре конденсации в зависимости от измерения температуры и/или давления на первой камере или около нее и/или во второй камере.

В контуре конденсации можно поддерживать постоянную входную температуру теплоносителя.

Предпочтительно на входе и на выходе контура конденсации измеряют входную и выходную температуру теплоносителя.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, через звуковое сопло отводят создаваемое зарядом тепло при постоянном расходе.

Электрический резистор может получать питание от источника мощности, находясь в жидкости; в этом случае измеряют изменение мощности, подаваемой на электрический резистор.

Объектом изобретения является также способ измерения остаточной мощности заряда, включающий следующие этапы:

- введение предназначенного для измерения заряда в первую камеру, расположенную во второй камере,

- осуществление первой циркуляции теплоносителя на предназначенном для измерения заряде или около него,

- осуществление второй циркуляции теплоносителя на средствах, ограничивающих первую камеру.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, осуществляют следующие этапы:

- ядерный заряд помещают в герметичный поглощающий экран,

- весь комплекс помещают в камеру вода/пар при температуре насыщения или при заданном давлении,

- наружную поверхность экрана омывают жидкой водой из запаса на дне камеры через капиллярную систему,

- тепло от экрана отводят за счет испарения, а из камеры - через звуковое сопло или за счет вторичного потока во внутреннем конденсаторе, регулируя расход для поддержания постоянного значения температуры поверхности экрана.

Энтальпический баланс вторичного потока является характеристикой мгновенной остаточной мощности.

Технология измерения, применяемая в устройстве или в способе согласно изобретению, является технологией калориметрического типа.

Изобретение позволяет осуществлять точные измерения в большом диапазоне мощности с коротким временем реагирования, чтобы следовать возможным кинетическим профилям понижения; его можно адаптировать для любого типа ядерного заряда (геометрия, мощность, кинетика и т.д.).

Краткое описание чертежей

На фиг.1А и 1В показан первый вариант осуществления изобретения;

на фиг.2 - второй вариант осуществления изобретения;

на фиг.3 - третий вариант осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

В описанных выше трех вариантах осуществления изобретения заряд 2, например ядерный заряд, вводят в устройство 1 измерения. Такой заряд часто имеет вид удлиненного цилиндрического «стержня», который может иметь длину, например, до 500 мм при диаметре около 10 мм. Также можно применять заряды и других размеров, однако в этом случае размеры устройства, соответственно, должным быть другими.

Заряд 2, предназначенный для измерения кинетики понижения его остаточной мощности, укладывают в металлическую камеру 4, называемую также экраном, известной геометрии. Предпочтительно эта камера расположена вдоль оси симметрии XX' и может иметь цилиндрическую форму.

Сама камера 4 находится в первичной камере 11, ограниченной первой стенкой 12, которая, в свою очередь, находится в вакуумной камере 13, защищенной слоем 14 изолятора и отражателем 16 теплового излучения (для защиты от внешнего относительно устройства 1 излучения). Стенка 12 может также иметь в качестве оси симметрии ось XX' и может иметь по существу цилиндрическую форму.

Камера 4 имеет, например, длину 500 мм при диаметре примерно 55 мм. Она может быть выполнена из вольфрамового сплава, который можно обрабатывать механически, а также из другого поглощающего цельного или многослойного материала, такого как свинец, чтобы снизить стоимость. В применении к ядерному топливу более предпочтительным является вольфрам, так как он обладает высокой способностью линейного поглощения, что позволяет ограничить толщину экрана. Кроме того, его высокая теплопроводность способствует изотермии устройства, что позволяет ограничить инерционное накопление энергии.

Далее со ссылками на фиг.1А (вид сбоку) и на фиг.1В (вид в разрезе по плоскости АА' на фиг.1А) описан первый вариант осуществления изобретения, т.е. диатермический теплопроводящий калориметр.

Прежде всего, устройство по первому варианту осуществления изобретения имеет конструкцию, идентичную описанной выше.

Под экраном 4 на некотором расстоянии (несколько сантиметров) от него расположен слой текучей среды 10 (предпочтительно воды, однако может быть использована и другая текучая среда, например фреон). В конструкции, показанной на фиг.1А и 1В, слой воды введен в устройство при его изготовлении (по существу в камеру 11) до начала работы. Кроме того, в камере 11 предварительно создают вакуум, чтобы максимально удалить загрязнения, которые могут помешать измерению. Внутреннее пространство устройства герметизируют, чтобы исключить любую возможность испарения воды из устройства наружу.

Как правило, в устройство вводят такое количество текучей среды, которое позволяет смачивать средства 6 (которые будут описаны ниже), но без смачивания экрана 4. Экран в воду не погружают, но на его поверхности при помощи средств 6 создают пленку воды или текучей среды. Предпочтительно это количество текучей среды по объему меньше 20% от общего объема первичной камеры 11, ограниченной камерой 12, а еще предпочтительнее - превышает 1%. В принципе, достаточным может быть количество текучей среды порядка нескольких процентов от объема камеры 11, но при этом следует учитывать некоторые недостатки системы и, в частности, отклонение от горизонтали. По этой причине предпочтительно вводить текучую среду в количестве, превышающем 1% или несколько процентов, чтобы обеспечивать смачивание средств 6.

Во время работы устройство располагают таким образом, чтобы стенка экрана 4, предпочтительно его ось симметрии и поверхность слоя воды, были по существу параллельными между собой, например, на расстоянии d друг от друга, составляющем от 5 см до 10 см или 20 см. Иными словами, устройство или экран 4 располагают по существу горизонтально на опоре 33 или любом другом средстве, образующем опору или поддерживающее устройство.

Средства 6 должны позволять подавать часть воды или текучей среды на наружную поверхность экрана 4. Выделяемое экраном тепло, производимое содержащимся в нем зарядом 2, позволяет, по меньшей мере частично, испарять воду, подаваемую на наружную поверхность экрана.

Средства 6 образуют, например, капиллярную систему или капиллярное покрытие вокруг экрана 4. Капиллярная система позволяет питать водой наружную поверхность экрана с расходом, достаточным для максимальной извлекаемой мощности (например, для 300 Вт максимальной мощности, что соответствует примерно 0,12 г/с воды, которую закачивают и распределяют по поверхности вокруг экрана 4). Средства 6 содержат, например, слой из волокнистого, пористого или шероховатого материала, который расположен таким образом, чтобы, с одной стороны, он входил в контакт с запасом воды 10, находящимся внизу резервуара (этот материал погружен в воду, как показано на фиг.1В), а с другой стороны, чтобы он охватывал боковые стенки камеры 4 (или, по меньшей мере, стенки этой камеры, параллельные оси симметрии XX'). Можно также использовать жидкостный контур, питаемый насосом, но его наличие в устройстве будет добавлять энергию в само устройство и создаст помехи для производимых измерений, которые должны быть очень точными.

Таким образом, вокруг экрана 4 создают слой воды или влаги миллиметровой или меньшей толщины. Толщина этого слоя, например, меньше 1 или 2 мм.

В результате обеспечивается радиальная теплопроводность от экрана 4 в пространство, отделяющее его от стенки 12.

Образованная вокруг первой камеры жидкая пленка позволяет за счет испарения создавать на поверхности экрана 4 температуру, малочувствительную к локальному тепловому потоку, в отличие от массы воды вокруг экрана 4, которая даже при регулируемой температуре не может отводить сильный тепловой поток без большого перепада температуры. В устройстве согласно изобретению однородная температура на поверхности экрана 4 позволяет добиться короткого времени реагирования и незначительного накопления энергии в экране, несмотря на его большую термическую инерцию, исключительно за счет радиальной теплопроводности, то есть на небольшой длине.

Предпочтительно температуру поверхности экрана доводят до значения, очень близкого к температуре окружающей среды, то есть до температуры от 18°C до 20°C (и даже за пределами этого интервала), что позволяет значительно ограничить тепловые потери. Что же касается температуры в объеме 11, то она может меняться по отношению к температуре окружающей среды. Чтобы учитывать эти условия, можно корректировать тепловой баланс.

Таким образом, реализуют некоторое подобие второй изотермической камеры, которая также позволяет ограничить тепловые потери за счет корректировки ее температуры, в частности доведения ее температуры до значения температуры окружающей среды.

Давление в объеме 11 устанавливают за счет степени заполнения жидкости в этом объеме и за счет температуры.

Обеспечение испарения жидкой пленки вокруг экрана 4 является большим преимуществом, в частности, перед техническим решением, согласно которому экран 4 погружали в жидкость, поскольку низкое рабочее давление может приводить к очень большому объему смеси жидкости и пара (уровень накачки).

Над экраном 4 находятся средства 8, образующие конденсатор, в котором может циркулировать теплоноситель. Эти средства конденсации, например контур циркуляции теплоносителя, позволяют конденсировать воду, которая присутствует в виде пара в камере и которая испарилась, как указано выше.

В этих средствах конденсации теплоноситель циркулирует, например, с расходом от нескольких долей грамма в секунду до примерно 10 г/с.

Поверхность конденсатора 8 и максимальный расход теплоносителя обеспечивают извлечение максимальной мощности при входной температуре теплоносителя, задаваемой криостатом.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения увеличение размеров поверхности конденсатора 8 позволяет поддерживать выходную температуру теплоносителя в значении, близком к температуре насыщения в камере 11.

Предпочтительно отклонение между температурой теплоносителя, когда он входит в средства 8 конденсации, и его температурой, когда он выходит из этих средств конденсации, уменьшается до минимума, совместимого с точностью ее измерения. Как правило, при работе разность между входной температурой текучей среды, входящей в средства или контур 8, и ее выходной температурой составляет примерно 10°C.

Таким образом, тепловая мощность извлекается из камеры 11 вторичным жидким потоком в конденсаторе, расход тепловой энергии которого является характеристикой мгновенной остаточной мощности.

После конденсации вода за счет силы тяжести опускается на дно резервуара, что позволяет сохранять по существу постоянный ее уровень. Внутреннее пространство камеры образовано таким образом, чтобы вода падала не на экран, а на дно с жидкостью 10.

При помощи датчика температуры и/или датчика давления, установленного в первичной камере 11, можно произвести по меньшей мере одно измерение температуры и/или давления в этой первичной камере.

Вместе с тем, для обеспечения более высокой точности предпочтительно измерять температуру непосредственно на стенках экрана 4. В этом случае на этих стенках устанавливают температурный зонд 17. Предпочтительно этот зонд является платиновым с точностью измерения до 0,01°C.

Информация о температуре и/или давлении, например данные температуры, выдаваемые зондом 17, направляются на средства 19 управления насосом 18, например, объемным насосом переменной скорости, находящимся снаружи устройства 1. Согласно примеру, насос приводится в действие шаговым высокочастотным двигателем.

Насос 18 позволяет регулировать расход теплоносителя, который циркулирует в средствах 8 конденсации, чтобы поддерживать постоянными измеряемую температуру и/или давление. Контур циркуляции теплоносителя дополнительно содержит расходомер, криостат, задающий входную температуру теплоносителя в средствах 8 конденсации, и средства 32 и 34 измерения температуры на входе и на выходе конденсатора. Предпочтительно расходомер является расходомером «кориолисового» типа.

При использовании зонда 17 он в сочетании со средствами регулирования расхода позволяет поддерживать постоянную температуру стенок камеры 4. Измерение температуры или давления в объеме 11 позволяет поддерживать эти параметры постоянными во время измерения заряда.

Значение температуры и/или давления, измеренное внутри камеры 11 или на стенках камеры 4, является таким, при котором атмосфера, окружающая экран 4, поддерживается под низким давлением, порядка нескольких десятков миллибар, например 26 мбар, чтобы вода 10 могла закипать при низкой температуре или при температуре окружающей среды, например, по существу, при 22°C или ниже 30°C.

Кроме того, регулирование температурных условий камеры 11 по значению, близкому к температуре окружающей среды, позволяет свести к минимуму тепловые потери.

Инерционное накопление сводится к минимуму за счет постоянства температуры поверхности экрана 4, использования теплопроводящего материала для изготовления стенок этого экрана и регулирования или контроля температуры поверхности экрана 4, или температуры и/или давления в камере 11. При этом регулирование или контроль осуществляют при помощи расхода теплоносителя во вторичном потоке конденсатора 8.

Устройство позволяет гарантировать для цилиндрического ядерного заряда диаметром 10 мм и длиной 500 мм, при максимальной мощности 260 Вт и минимальной мощности 4 Вт минимальное время 30 с для понижения мощности на 1% и оценку мгновенной остаточной мощности с точностью 1% во всем диапазоне измерения в течение шести месяцев. Кроме того, время реагирования такого устройства является очень небольшим, менее 20 или менее 10 с. Это время реагирования соответствует времени, необходимому для измерения определенного изменения мощности, которое происходит почти мгновенно (ступенчатая функция) внутри устройства.

В этом примере осуществления изобретения минимальное количество воды, вводимое в объем 11, составляет примерно 1% от объема 11. Этот объем составляет примерно 4 л, поэтому минимальный объем текучей среды равен примерно 40 см³, что позволяет смачивать капиллярную систему 6, не смачивая при этом экран 4. Чтобы компенсировать возможное отклонение от горизонтальности, количество текучей среды выбирают большим 1%, то есть примерно 300 см³ в данном примере. Окружающая температура составляет около 20°C, а температуру стенки 4 поддерживают максимально близкой к температуре окружающей среды, в результате чего получают абсолютное давление в объеме, ограниченном камерой 11, примерно 20 мбар. Для расчета теплового баланса тепловые потери в этом примере принимают равными примерно 85 мВт/К.

В целом при помощи устройства согласно изобретению можно определять тепловой баланс системы в зависимости от расхода теплоносителя. Действительно, измеряемая мощность напрямую связана с расходом теплоносителя, с его температурой на входе в средства 8 конденсации и с его температурой на выходе из этих средств 8. Поскольку эти две температуры поддерживаются примерно постоянными и измеряются, то остается лишь измерить расход, чтобы получить остаточную мощность заряда 2.

Ниже приведен пример обработки данных, которую можно применять при помощи средств вычисления (условно не показаны):

- преобразование измеренных электрических величин (температура, расход) в типичные физические величины с учетом передаточной функции датчиков,

- при необходимости контроль критериев когерентности, таких как избыточность,

- оценка мгновенной остаточной мощности при помощи теплового баланса вторичного потока конденсатора, включая оценку тепловых потерь и инерционного накопления с учетом соответствующей погрешности.

В рассматриваемом устройстве остаточную мощность заряда измеряют при помощи массового расхода вторичного потока конденсатора 8. Входную температуру теплоносителя можно поддерживать постоянной при помощи криостата; таким образом, расход теплоносителя можно регулировать для поддержания постоянными температуры и/или давления в камере 11 или на стенках экрана 4.

Этот вариант осуществления изобретения позволяет измерять все составляющие, влияющие на остаточную мощность, будь то α- и β-излучения или γ-излучения.

В другом варианте осуществления изобретения используется диатермический калориметр с компенсацией мощности, показанный на фиг.2.

Одинаковые или аналогичные с фиг.1 элементы обозначены теми же цифровыми позициями.

На фиг.2, кроме камеры или экрана 4, показаны капиллярная система 6, которая позволяет сформировать слой влаги вокруг экрана, и слой воды или текучей среды 10. Приведенные выше замечания можно применить, в частности, для этого слоя влаги (функция, толщина, объем в процентах к объему камеры 11), для капиллярной системы 6 и для слоя текучей среды 10, который здесь также присутствует. Перед заполнением водой в устройстве создают вакуум.

В данном примере при работе устройство расположено таким образом, чтобы стенка экрана 4 и поверхность слоя воды были по существу параллельны между собой и, например, были разделены расстоянием от 5 см до 10 см или 20 см. Иными словами, устройство расположено по существу горизонтально на средствах 33, образующих опору.

В этом варианте осуществления изобретения измерение осуществляют при постоянной общей мощности.

Устройство содержит сопло 20, которое позволяет извлекать тепло с постоянным расходом. По существу, тепло отводят за счет массового расхода пара, проходящего через сопло 20.

Отводимое тепло калибруют при постоянной извлекаемой мощности, немного превышающей максимальную остаточную мощность.

Давление внутри камеры 12 поддерживают постоянным во время понижения остаточной мощности путем дополнительного генерирования пара за счет мощности, рассеиваемой компенсационным электрическим резистором 22, погруженным в текучую среду 10. Мгновенная остаточная мощность заряда 2 равна разности между постоянной энтальпической мощностью сопла и мощностью компенсационного электрического резистора. Как вариант, можно также поддерживать постоянной температуру пара в камере 11 или температуру экрана 4 при помощи зонда, такого как описанный выше зонд 17. Однако удобнее всего работать при постоянном давлении в камере 11.

Изменение мощности выдается на компенсационный резистор 22 средствами 29 регулирования напряжения или тока, управляемыми давлением двухфазной камеры, которое остается постоянным. Давление в камере измеряют при помощи датчика 40, и изменение мощности дает изменение мощности заряда при данном давлении в камере. Критическое сопло 20 выдает массовый расход, известный по калибровке, то есть энтальпическую мощность Ре (произведение массового расхода Dm на скрытую теплоту парообразования Cv), а остаточная мощность равна энтальпической мощности Ре сопла за вычетом электрической мощности Pél компенсационного резистора 22.

Обработку измеренных данных также можно осуществлять при помощи средств вычисления (условно не показаны).

Эти средства позволяют вычислять остаточную мощность Pr при помощи следующих соотношений:

Pr=Ре-Pél

Ре=Dm×Cv.

Для небольших значений общей рассеиваемой энергии, небольших значений остаточной мощности или коротких промежутков времени устройство по этому варианту осуществления изобретения может работать по потере воды при соответствующей первоначальной ее загрузке.

Для больших значений общей энергии удаляемый через сопло 20 пар можно преобразовать в воду и повторно подавать в жидкость 10. Например, пар конденсируют во внешнем криостате и повторно подают в запас воды 10 камеры за счет силы тяжести в нижнюю часть устройства. Иными словами, в этом варианте осуществления изобретения пар извлекают из устройства, но его можно конденсировать снаружи устройства (стрелка 21 на фиг.2) и повторно нагнетать в устройство.

Параметры, в частности время реагирования и точность, остаются такими же, как и в предыдущем варианте осуществления изобретения.

Еще один вариант осуществления изобретения показан на фиг.3. Цифровые позиции, совпадающие с позициями на предыдущих фигурах, обозначают идентичные или аналогичные элементы.

Из соображений защиты от ионизирующих излучений предпочтительно производят оценку участия гамма-излучений в остаточной мощности.

В связи с этим в устройстве измерения могут быть использованы две системы 18, 28 извлечения мощности из первичной камеры: одна для мощности, рассеиваемой в стержне 2 или непосредственно вокруг него, а другая - для мощности, рассеиваемой в экране 4. Здесь также предпочтительно соблюдается симметрия вокруг оси, такой как ось XX', показанная на фиг.1А. В частности, экран 4 предпочтительно имеет цилиндрическую симметрию.

В каждом из этих теплообменников циркулирует теплоноситель.

Согласно этому варианту осуществления изобретения для каждого теплообменника входную температуру и выходную температуру теплоносителя измеряют и поддерживают постоянными, и регулируют расход каждой текучей среды. Иными словами, контур циркуляции текучей среды каждого теплообменника содержит насос, который регулирует расход текучей среды, расходомер, криостат, который задает входную температуру текучей среды в устройстве измерения, и средства измерения температуры между входом и выходом теплообменника.

На основании изменений массового расхода теплоносителя первого теплообменника 18 получают изменение остаточной мощности заряда 2.

На основании изменений массового расхода теплоносителя второго теплообменника 28 получают изменение части остаточной мощности заряда 2, связанной с γ-излучением.

Таким образом, можно предусмотреть средства измерения массового расхода для каждого теплообменника.

В некоторых случаях из соображений удобства и безопасности, в частности, когда заряд является ядерным, теплообменник 18 применяют не непосредственно на заряде, а на трубе, в трубе или в кожухе, в который вводят заряд. Стенка или стенки этой трубы или кожуха находятся максимально близко от заряда.

Теплообменник 18 позволяет измерять остаточную мощность по альфа или бета излучениям, а теплообменник 28 - по гамма излучению. Эти две мощности равны произведениям массовых расходов соответствующих теплоносителей на разность энтальпии воды между входом и выходом.

Обработку измеренных данных также можно осуществлять при помощи средств вычисления (условно не показаны).

Такие средства позволяют вычислять остаточную мощность, с одной стороны, по альфа- и бета-излучениям, а с другой стороны, по гамма-излучению в соответствии с вышеуказанными соотношениями.

Были произведены измерения тепловых потерь и установлено, что устройство согласно изобретению может иметь минимальные тепловые потери за счет своей работы в условиях, близких к температуре окружающей среды, и за счет применения эффективной тепловой защиты, вакуумной камеры с многослойным экраном радиационной защиты, полиуретановой изоляции и экрана, отражающего окружающий свет. Однако поскольку измеряемая мощность может быть относительно небольшой, то для обеспечения точной оценки мощности необходимо учитывать тепловые потери.

Используя электрический имитатор ядерного заряда, устройство, показанное на фиг.1А и 1В, выводят на устойчивый режим работы при температуре регулирования от +5°C до -5°C относительно температуры окружающей среды, при этом мощность отключают, температуру экрана измеряют в течение нескольких часов, чтобы отслеживать ее изменение в сторону температуры окружающей среды, что позволяет определить характерное время установления его равновесия и, следовательно, его тепловые потери.

Измерения показывают, что изменение температуры экрана (Т) можно представить в виде:

(Т-Т_∞)/(Т₀-Т_∞)=е^-α*t,

где α является отношением эквивалентной теплопроводности к известной инерции устройства (7 кДж/К), что дает общую тепловую потерю в 80 мВт/К, соответствующую прогнозам.

Поскольку устройство выполнено с возможностью измерения остаточной мощности от 260 до 4.5 Вт, были произведены испытания с устройством, показанным на фиг.1А и 1В, при помощи электрического имитатора ядерного заряда при стабилизированной мощности, изменяющейся на всем диапазоне, при этом энтальпическую мощность вторичного потока конденсатора сравнили с электрической мощностью имитатора. Результаты показали, что после учета тепловых потерь результаты оказались совместимыми с ожидаемой точностью (±1%).

Время реагирования устройства согласно изобретению является коротким и составляет примерно 10 с или меньше. Кроме того, обеспечивается высокая точность, не превышающая 1%. Наконец, устройство согласно изобретению может работать с большой динамикой измерения при кратности 100 между максимальной и минимальной мощностями.

Кроме того, с учетом своих слабых тепловых потерь устройство согласно изобретению можно использовать для измерения минимальной мощности порядка 4 Вт.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения остаточной мощности зарядов. Объектом изобретения является устройство измерения остаточной мощности заряда (2), содержащее средства (4), ограничивающие первую камеру (4), предназначенную для вмещения и хранения измеряемого заряда, средства (12), ограничивающие вторую камеру (11) вокруг первой камеры, средства (6, 10) образования слоя жидкости или влажного слоя вокруг первой камеры (4) и средства (8, 18, 20, 22) поддержания постоянных значений температуры и/или давления снаружи первой камеры (4) или во второй камере (11). Технический результат: повышение точности получаемых данных. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения остаточной мощности заряда (2), содержащее средства (4), ограничивающие первую камеру (4), предназначенную для вмещения и хранения измеряемого заряда, средства (12), ограничивающие вторую камеру (11) вокруг первой камеры, средства (6, 10) образования слоя жидкости или влажного слоя вокруг первой камеры (4) и средства (8, 18, 20, 22) поддержания постоянных значений температуры снаружи первой камеры (4) и температуры и/или давления пара во второй камере (11).

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее средства (17) измерения температуры и/или давления на средствах (4), ограничивающих первую камеру (4), и/или во второй камере (11).

3. Устройство по п.2, содержащее средства (8, 18) обеспечения циркуляции теплоносителя в контуре (8) конденсации во второй камере (11) и средства (19) регулирования расхода теплоносителя для изменения этого расхода в указанном контуре в зависимости от измерения температуры и/или давления на средствах (4), ограничивающих первую камеру (4), и/или во второй камере (11).

4. Устройство по п.3, дополнительно содержащее средства поддержания постоянного значения входной температуры теплоносителя в контуре (8) конденсации.

5. Устройство по любому из пп.3 или 4, содержащее средства (32, 34) измерения на входе и на выходе контура конденсации входной и выходной температуры теплоносителя.

6. Устройство по п.1, содержащее сопло (20).

7. Устройство по п.6, дополнительно содержащее электрический резистор (22), предназначенный для погружения в жидкость (10).

8. Устройство по п.7, дополнительно содержащее средства измерения изменения мощности, подаваемой на электрический резистор (22).

9. Устройство по любому из пп.7 или 8, дополнительно содержащее средства (21) превращения в жидкую фазу пара, выходящего из сопла (20).

10. Устройство по любому из пп.1-4, 6-8, в котором средства образования влажного слоя содержат слой из волокнистого, пористого иди шероховатого материала.

11. Устройство по любому из пп.1-4, 6-8, в котором вторая камера содержит текучую среду (10), объем которой меньше 20% от объема второй камеры.

12. Устройство по любому из пп.1-4, 6-8, в котором первые средства, ограничивающие первую камеру (4), выполнены из вольфрама или свинца.

13. Устройство по любому из пп.1-4, 6-8, дополнительно содержащее слой (14) теплоизоляции и отражатель (16) теплового излучения.

14. Устройство измерения остаточной мощности заряда (2), содержащее средства (4), ограничивающие первую камеру (4), предназначенную для вмещения и хранения измеряемого заряда, средства (12), ограничивающие вторую камеру (11) вокруг первой камеры, первые средства (18), образующие теплообменник, расположенный на предназначенном для измерения заряде или около него, и вторые средства (28), образующие теплообменник, расположенный на средствах, ограничивающих первую камеру (4).

15. Устройство по п.14, дополнительно содержащее трубу или кожух (3) для введения в них предназначенного для измерения заряда (2), при этом первые средства, образующие теплообменник, установлены на трубе или кожухе или помещены в трубу или кожух.

16. Устройство по любому из пп.14 или 15, в котором каждое из первого и второго средств, образующих теплообменник, содержит насос, расходомер, средства, задающие входную температуру в средствах, образующих теплообменник, и средства измерения входной и выходной температуры теплоносителя.

17. Устройство по любому из пп.14 или 15, в котором первые средства, ограничивающие первую камеру (4), выполнены из вольфрама или свинца.

18. Устройство по любому из пп.14 или 15, дополнительно содержащее слой (14) теплоизоляции и отражатель (16) теплового излучения.

19. Способ измерения остаточной мощности заряда (2), включающий этапы, на которых:
вводят предназначенный для измерения заряд (2) в первую камеру (4), расположенную во второй камере (11),
образуют слой жидкости или влажный слой вокруг первой камеры (4),
поддерживают постоянной температуру и/или давление пара снаружи первой камеры (4) или во второй камере (11).

20. Способ по п.19, дополнительно включающий этап, на котором измеряют температуру и/или давление на первой камере (4) или около нее и/или во второй камере (11).

21. Способ по п.20, включающий этапы, на которых:
обеспечивают циркуляцию теплоносителя в контуре (8) конденсации во второй камере (11),
изменяют расход теплоносителя в контуре конденсации в зависимости от измерения температуры и/или давления на первой камере (4) или около нее и/или во второй камере (11).

22. Способ по п.20, в котором в контуре (8) конденсации поддерживают постоянную входную температуру теплоносителя.

23. Способ по любому из пп.21 или 22, в котором на входе и на выходе контура конденсации измеряют входную и выходную температуру теплоносителя.

24. Способ по п.19, в котором через сопло (20) выводят производимое зарядом тепло при постоянном расходе.

25. Способ по п.24, в котором питаемый от источника мощности электрический резистор (22) погружают в жидкость (10) и измеряют изменение подаваемой на него мощности.

26. Способ измерения остаточной мощности заряда (2), включающий этапы, на которых:
вводят предназначенный для измерения заряд (2) в первую камеру (4), расположенную во второй камере (11),
осуществляют первую циркуляцию теплоносителя на предназначенном для измерения заряде (2) или около него,
осуществляют вторую циркуляцию теплоносителя на средствах, ограничивающих первую камеру (4).