УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ "ПОДВЕСКА ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ" Российский патент 2015 года по МПК H01J47/02 G21C17/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам контроля ядерных реакторов (ЯР), в которых осуществляют преобразование плотности потока тепловых нейтронов (ППТН) и потока гамма-квантов в выходные электрические сигналы на всех режимах работы ЯР.

Предложенный вариант устройства для регистрации ядерных излучений относится к ядерной технике и может быть использован при пуске ЯР для контроля мощности по ППТН, при изменении мощности ЯР в системах управления и защиты (СУЗ) ЯР, при перегрузке активной зоны (а.з.), а также для контроля стабильности коэффициента преобразования нейтронного потока (КПНП) первичного преобразователя и целостности цепей ПИК в период, когда ЯР находится в заглушенном состоянии.

Известны подвески ионизационных камер (ПИК), защищающие ионизационные камеры (ИК) и электрическую линию связи (кабели, провода) от агрессивного воздействия окружающей среды в канале ЯР, предназначенном для размещения ПИК и расположенном вдоль а.з. ЯР (см. Научные и технические основы ядерной энергетики / Под ред. К. Гудмена. - М.: Иностранная литература, 1948, с.231).

Известны устройства для измерения ППТН в токовых каналах СУЗ ЯР, в которых двухсекционная ИК содержит заключенные в корпусе две электродные системы, образующие внутри двух герметичных секций два объема, заполненных смесью газов различного давления (см. патенты РФ №2110080, H01J 47/02; №97104837, H01J 47/02).

Известны устройства для измерения ППТН для СУЗ ЯР, в герметичном корпусе которых размещены токовые и импульсные ионизационные камеры (ИК), позволяющие отслеживать мощность ЯР по ППТН на всех режимах работы ЯР (см. патент РФ №2137155, H01J 47/02).

Известны устройства для измерения ППТН для СУЗ ЯР, в которых шесть ИК, расположенных на различных уровнях по высоте а.з., размещены в герметичных корпусах, соединенных гибкими металлическими рукавами с проложенными в их внутренних полостях кабелями линий электрических коммуникаций от каждой ионизационной камеры и кабельные отводы от каждой из ИК, установленных в последовательную цепь, прокладываются через их осевые цилиндрические каналы (см. патент РФ №2227342, H01J 47/02).

В рассмотренных устройствах измерение ППТН и потока гамма-квантов возможно на определенном уровне по высоте а.з., при этом газонаполненные полости ионизационных камер через тонкостенный корпус граничат с окружающей атмосферой, что при потере герметичности приводит к истечению газов из внутренней полости и нарушению работы устройства.

Недостатком рассмотренных устройств является невозможность контролировать стабильность КПНП первичного преобразователя и целостность цепей ПИК в период, когда ЯР находится в заглушенном состоянии. Контроль стабильности КПНП является одним из главных параметров ПИК в виду долголетней (до 30 лет) эксплуатации.

Задачей, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности, эксплуатационных удобств в процессе эксплуатации ЯР, в том числе в период, когда ЯР остановлен.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому первичному преобразователю потока нейтронов в электрические сигналы являются ПИК, в которых применяются ИК по патенту РФ №2215343.

Технический результат заключается в создании устройства для регистрации ядерных излучений - ПИК, обеспечивающей надежный контроль мощности ЯР по ППТН на всех режимах работы ЯР, а также контроль стабильности КПНП первичного преобразователя и целостности цепей ПИК в период, когда ЯР находится в заглушенном состоянии. Предполагается использование изделия в составе СУЗ транспортных энергетических установок.

Технический результат достигается за счет следующей конструкции (фиг.1) предлагаемого изобретения: ПИК состоит из герметичного корпуса (1) и наружной линии связи (НЛС) (2) со вторичной аппаратурой СУЗ. Герметичный корпус представляет собой закрытый с торцов цилиндр, внутри которого с одного из концов расположен первичный преобразователь (3) нейтронного потока - ионизационная камера (ИК), электрически изолированная от герметичного корпуса. ИК расположена в зоне интенсивного потока тепловых нейтронов. Электрическая связь между электродами ИК и НЛС со вторичной аппаратурой СУЗ осуществляется посредством внутренней линии связи (4) (ВЛС), расположенной по длине герметичного корпуса и обладающей высокотемпературной устойчивой к радиации изоляцией. ВЛС электрически соединена с НЛС через герметичные выводы (5) на верхнем торцевом фланце герметичного корпуса. Помимо герметичного корпуса с ИК и ВЛС, изделие включает: радиоизотопный источник (6) быстрых нейтронов (ИБН), например плутоний-бериллиевый или америций-бериллиевый, допускающий перемещение по трубке (7), герметично отделенной от объема корпуса, в котором расположена ВЛС, и соединяющей ИК и защитный контейнер (8) безопасного хранения источника нейтронов, расположенный вне зоны интенсивного нейтронного потока, биологическая защита (9) и механизм перемещения (10) источника нейтронов между ИК и контейнером.

На фиг.1 представлен вариант изобретения с механизмом перемещения, когда применяется ИК без осевого канала. При контроле стабильности коэффициента преобразования ИК ИБН расположен вблизи верхнего торца первичного преобразования. В случае когда первичный преобразователь нейтронного потока в электрические сигналы обладает центральным осевым каналом, ИБН может размещаться на одном уровне с чувствительной частью ИК. Этот факт отражен на фиг.2.

Для предотвращения «выгорания» делящегося материала ИБН при выходе и работе на мощности ЯР его перемещают из зоны интенсивного потока нейтронов в контейнер безопасного хранения (фиг.3). Принципиальной отличительной чертой контейнера безопасного хранения является его съемность: при необходимости конструкция изделия допускает возможность отсоединения хранилища от герметичного корпуса ПИК (фиг.4) с последующей установкой на корпус другого такого же изделия или вне ПИК в специальном хранилище и установкой на его место заглушки (11).

Описание работы устройства

Известно, что нейтроны обладают слабой ионизирующей способностью и, как следствие, регистрируются не непосредственно, а при помощи ядерных реакций, в результате которых возникает гамма-излучение и/или заряженные частицы.

Детекторы нейтронов типа ИК представляют собой ионизационную камеру с системой электродов. Поверхность электродов в ИК покрыта тонким слоем делящегося вещества (²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu, ¹⁰B), в которых под действием потока нейтронов происходит ядерная реакция (n, f) или (n, α) в атомах покрытия, приводящая к образованию электрически заряженных частиц, которые производят ионизацию газа. В ИК, имеющих газовый радиатор (³He, ¹⁰BF₃), происходит реакция (n, p) или (n, α). Генерируемый при этом ионизационный ток прямо пропорционален мощности нейтронного потока.

Реакция деления является наиболее важной с точки зрения регистрации нейтронов, поскольку выход энергии при каждом акте деления гораздо выше, чем при других типах реакций. Значительный выход энергии на акт деления дает возможность регистрировать нейтроны на фоне интенсивного гамма-излучения. На каждый осколок деления приходится энергия порядка 80 МэВ, в то время как при взаимодействии гамма-излучения с веществом электрон имеет энергию порядка сотен кэВ. Следовательно, импульсные ИК наиболее оптимальны для измерения малой плотности потока нейтронов при пуске ЯР и способны регистрировать отдельные акты деления.

Импульс напряжения на сопротивлении R_u для случая малой плотности нейтронного потока, когда 1/L>R_uC>τ.

ΔU=me/C

Средний ток в цепи собирающего электрода при большой ППТН, когда R_uC>1/L:

I=meL

Здесь: ΔU - импульс напряжения, возникающий на сопротивлении R_u после собирания на электродах (за время τ) m ионов, образованных ионизированной частицей в рабочем объеме ИКД; I - ионизационный ток; L - количество ионизирующих частиц, попадающих в рабочий объем ИК за время 1 с; e - заряд электрона; C - электрическая емкость ИК.

Контроль стабильности КПНП и целостности цепей ПИК проводится в период, когда ЯР находится в заглушенном состоянии, и заключается в следующем: ПИК электрически отсоединяется от вторичной аппаратуры СУЗ ЯР, подключается к независимой от СУЗ аппаратуре контроля и проверяется отсутствие сигналов, после чего подается рабочее напряжение на ИК, ИБН перемещается до уровня ИК и измеряется величина сигнала ИК (поток нейтронов). Нормальное значение этого сигнала заносится в ФО каждого изделия при изготовлении от аналогичного ИБН.

По опыту эксплуатации ИК камер деления для контроля стабильности работы ПИК достаточно ИБН с потоками нейтронов до 1·10⁶ нейтр. в телесный угол 4π ср за 1 с, а для ИК с борным радиатором - 1·10⁸ нейтр. в телесный угол 4π ср за 1 с.

Средний срок эксплуатации предлагаемого устройства составляет порядка 15-30 лет.

Описанное устройство для регистрации ядерных излучений благодаря высокой чувствительности к нейтронам и большому ресурсу работоспособности может успешно применяться в составе СУЗ ЯР при пуске ЯР или перегрузке а.з. ЯР. Особым преимуществом предлагаемого устройства является возможность размещения в его составе радиоизотопного источника, что позволяет контролировать целостность цепей СУЗ и стабильность ее работы, что существенно повышает надежность работы СУЗ ЯР.

Изобретение относится к устройству контроля ядерных реакторов, которые осуществляют преобразование плотности потока тепловых нейтронов (ППТН) и потока гамма-квантов в выходные электрические сигналы на всех режимах работы реакторной установки. Заявленное устройство включает источник быстрых нейтронов (ИБН), контейнер безопасного хранения ИБН, канал для перемещения ИБН между контейнером и ионизационной камерой, съемный механизм перемещения ИБН. Контроль коэффициента преобразования осуществляется в период заглушения работы реактора, при этом ИБН установлен около ионизационной камеры, путем сравнения величины сигнала от ИБН с паспортными данными, полученными при изготовлении ПИК от такого же ИБН. В период работы ядерного реактора ИБН находится в контейнере безопасного хранения ПИК. Предусмотрен вариант устройства, в котором для контроля нескольких ПИК используется один ИБН и один механизм его перемещения. Техническим результатом является возможность контролировать стабильность коэффициента преобразования ППТН в электрические сигналы при длительной (более 30 лет) эксплуатации, а также возможность контроля целостности цепей и стабильности работы системы управления и защиты ядерного реактора, что существенно повышает надежность работы реактора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для регистрации ядерных излучений для систем управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов (ЯР), содержащее герметичный корпус и наружную линию связи (НЛС) со вторичной аппаратурой, причем в герметичном корпусе, допускающем размещение в зоне интенсивного нейтронного потока, размещена ионизационная камера (ИК), создающая электрические сигналы, пропорциональные плотности потока тепловых нейтронов (ППТН) в месте ее расположения, и радиационно- и термостойкая электрическая линия связи выводов электродов ИК с НЛС, отличающееся тем, что в состав устройства для регистрации ядерных излучений включены: радиоизотопный источник быстрых нейтронов, например плутоний-бериллиевый или америций-бериллиевый, допускающий перемещение по трубке, соединяющей ИК и защитный контейнер безопасного хранения источника нейтронов, расположенный вне зоны интенсивного нейтронного потока, и механизм перемещения источника нейтронов между ИК и контейнером.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве ИК используется ионизационная камера, частью корпуса которой служит открытый по торцам цилиндр, расположенный по оси ИК, а трубка, по которой перемещается источник нейтронов, позволяет установить этот источник внутри осевого цилиндра корпуса ИК.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнер безопасного хранения источника нейтронов вне зоны интенсивного нейтронного потока и механизм перемещения источника нейтронов между ИК и контейнером допускают их отсоединение от корпуса детектора и установку на корпус другого такого же детектора.