Высокотемпературная ионизационная камера деления для систем управления и защиты ядерных реакторов Российский патент 2017 года по МПК H01J47/02 G01T3/00 

Описание патента на изобретение RU2630260C2

Изобретение относится к устройствам контроля ядерных реакторов (ЯР), которые осуществляют преобразование плотности потока нейтронов (ИНН) от активной зоны ЯР в выходные электрические сигналы на всех режимах работы реакторной установки (РУ).

Изобретение предназначено для контроля относительной мощности РУ по плотности потока нейтронов в составе системы управления и защиты (СУЗ) ядерного реактора преимущественно при температуре в месте размещения ионизационной камеры (ИК) выше 500°С. Такие условия могут иметь место при эксплуатации ионизационных камер деления (ИКД) в составе СУЗ РУ на быстрых нейтронах. Область техники, к которой относится изобретение - регистрация ядерных излучений, преимущественно регистрация нейтронов в СУЗ РУ.

Известны ИКД для контроля потоков нейтронов, являющиеся датчиками сигналов в СУЗ ЯР (см. Е.К. Малышев, Ю.Б. Засадыч, С.А. Стабровский. «Газоразрядные детекторы для контроля ядерных реакторов», Москва, Энергоатомиздат, 1991; см. И.П. Гурьев, Ю.П. Бородулин, М.С. Вольберг, И.А. Горелов, Н.В. Веселовский, А.Б. Дмитриев, H01J 47/02, патент №RU 2384913 «Ионизационная камера для системы управления и защиты ядерного реактора»).

Отличительной особенностью всех ИКД является наличие у них радиатора - слоя, содержащего элементы, ядра которого делятся при взаимодействии с нейтронами, с вылетом части осколков деления в пространство между электродами, что приводит к ионизации газа и, при подаче на электроды разности электрических потенциалов, к появлению тока между электродами, величина которого пропорциональна плотности потока нейтронов. Делящийся материал наносится на поверхность по крайней мере одного из электродов, обращенную к зазору между электродами. Например (и как правило) радиатором служит слой оксида урана, обогащенного изотопом уран-235.

Поверхностная плотность такого радиатора от одного до двух мг/см2.

Схема ИКД показана на фиг. 1, где 1 и 2 - электроды; 3 - зазор между электродами; 4 - герметичный корпус; 5 - опорные изоляторы электродов; 6 - проходные изоляторы выводов электродов; 7 - трубка для откачки и наполнения ИКД газом; 8 - радиатор на поверхности электрода.

Работа ионизационной камеры происходит следующим образом. Вывод одного из электродов соединяется с источником постоянного напряжения (обычно в диапазоне +200…+500 В). Вывод другого электрода через входное сопротивление вторичной аппаратуры электрически соединяется с заземленным корпусом ИКД и "-" выводом источника постоянного напряжения. При воздействии на ИКД нейтронного потока газ в межэлектродном промежутке ионизуется осколками от деления ядер урана и в электрической цепи выводов от электродов возникает электрический ток, величина которого является мерой плотности нейтронного потока.

Все ИКД имеют небольшой ложный выходной сигнал (ЛВС) - ток, вызванный альфа-излучением радиатора, величина которого зависит от делящегося вещества радиатора. Так, для ИК, имеющих радиатор, обогащенный по изотопу U235 до 90%, удельный ток ЛВС для одного квадратного сантиметра площади радиатора составляет около 0,5⋅10-11А⋅см-2. Существующие ИКД имеют площадь покрытия 1000 см2 и более. Аппаратура СУЗ допускает значения тока ЛВС не более 5⋅10-8 А.

При увеличении температуры ИКД ЛВС от альфа-излучения остается в допустимых пределах до 600°С. При дальнейшем росте температуры ЛВС быстро увеличивается термоэлектронной эмиссией с поверхности радиатора и контроль ППН с помощью ИКД в составе СУЗ невозможен для всех режимов работы РУ.

Величина тока термоэлектронной эмиссии с поверхности радиатора определяется работой выхода электронов для материала этой поверхности. Работа выхода электронов из уран-оксидного радиатора при температуре около 600°С составляет величину ϕ=3,1 эВ (см. Haas G., Jensen J. - Appl. Phys., 1963, 34, Ν7, p. 1231-1233).

Удельный ток (j, А⋅см-2) термоэлектронной эмиссии, связанной с абсолютной температурой (Т, К) и работой выхода электронов (ϕ, эВ) с учетом эффекта Шоттки (ϕш=е(еЕ)1/2, эВ), рассчитывается по в формуле Ричардсона-Шоттки (см. Г.Г. Владимиров - Физическая электроника. Часть 1):

, где

j(T) - удельный ток термоэлектронной эмиссии;

Τ - температура;

ϕ - работа выхода;

ϕш - изменение работы выхода, вызванное эффектом Шоттки;

k - постоянная Больцмана.

Расчетные значения удельного тока термоэмиссии электронов с учетом эффекта Шоттки (ϕш=0,025 эВ) для напряжения питания 300 В и межэлектродного зазора 1,8 мм плоскопараллельной электродной системы в диапазоне температур от 500°С до 600°С для уран-оксидного радиатора и покрытого платиновым слоем того же радиатора приведены в таблице 1. Эмиссия термоэлектронов в газ-наполнитель ИКД уменьшает удельный ток не более, чем на 20% за счет обратного рассеяния вследствие диффузии, что находится в хорошем согласии с экспериментом.

Для увеличения допустимой температуры эксплуатации высокотемпературной ИКД радиатор предлагается изготавливать двухслойным. Первый слой - на поверхности электродов (электрода) - слой оксида урана. Второй слой - на поверхности оксида урана - слой металла с работой выхода электронов большей 3,1 эВ, например, слой платины, с работой выхода электронов 5,12 эВ (см. B.C. Фоменко, Т.А. Подчерняева «Эмиссионные и адсорбционные свойства веществ и металлов». Москва, Атомиздат, 1975).

Слой платины на поверхности урана будет сокращать выход осколков деления ядра урана в межэлектродное пространство, уменьшая полезный сигнал ИКД. Для уменьшения этого паразитного эффекта поверхностная плотность слоя платины на оксиде урана должна быть не более 0,1 мг/см2.

Технические результаты, получаемые при реализации предлагаемого технического решения, заключаются в обеспечении возможности контроля плотности потока тепловых нейтронов при температурах более 500°С.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в конструкции предлагаемой ИКД применяются по крайней мере два электрически изолированных электрода, размещенных в герметичном корпусе, снабженном электрическими выводами от каждого электрода и трубкой, через которую полость корпуса откачивается и наполняется инертными газами. При этом электродная система ИК изготовлена таким образом, что на поверхность электродов, обращенной к межэлектродному пространству, по крайней мере одного из электродов, нанесен слой делящегося вещества (радиатора), на поверхность которого нанесен слой материала, например платины, с работой выхода электронов больше работы выхода электронов из материала делящегося покрытия, толщиной, недостаточной для полного препятствия выходов продуктов реакции деления урана в межэлектродное пространство. Технический результат - уменьшение ложных выходных сигналов ИКД, обусловленных эмиссией термоэлектронов с поверхности радиатора, заметных при температуре выше 500°С.

Похожие патенты RU2630260C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ НЕЙТРОННОГО ПОТОКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2010
  • Дашук Сергей Павлович
  • Борисов Валерий Фёдорович
RU2447521C1
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЕЛЕНИЯ 2002
  • Алексеев С.В.
  • Школяренко В.В.
  • Кириченко Г.П.
RU2223519C1
Ионизационная камера деления для регистрации нейтронов 2020
  • Басков Петр Борисович
  • Кириченко Григорий Павлович
  • Мосягина Ирина Владимировна
  • Сахаров Вячеслав Васильевич
  • Худин Александр Сергеевич
RU2757219C1
Ионизационная камера деления для регистрации быстрых нейтронов 2020
  • Басков Петр Борисович
  • Кириченко Григорий Павлович
  • Мосягина Ирина Владимировна
  • Сахаров Вячеслав Васильевич
  • Худин Александр Сергеевич
  • Ивкина Ольга Викторовна
  • Мушин Илья Михайлович
RU2743849C1
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2009
  • Бородулин Юрий Васильевич
  • Веселовский Николай Владимирович
  • Вольберг Марк Соломонович
  • Горелов Игорь Анатольевич
  • Гурьев Игорь Павлович
  • Дмитриев Александр Борисович
RU2384913C1
Нейтронная ионизационная камера деления 1981
  • Чирихин А.Н.
  • Поликарпов В.И.
  • Никифоров Б.Н.
  • Аксенов В.А.
SU1005594A1
Ионизационный способ определения чувствительности в процессе изготовления вакуумных камер с радиоактивным изотопом 1988
  • Малышев Е.К.
  • Чукляев С.В.
  • Починко А.П.
SU1531679A1
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2002
  • Вольберг М.С.
  • Гурьев И.П.
  • Дмитриев А.Б.
RU2215343C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ "ПОДВЕСКА ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ" 2013
  • Глазюк Яков Вадимович
  • Горелов Игорь Анатольевич
  • Гурьев Игорь Павлович
  • Дмитриев Александр Борисович
  • Трофимов Константин Сергеевич
RU2549177C1
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЕЛЕНИЯ 1993
  • Захаркин Игорь Иванович
  • Полионов Виктор Петрович
  • Сомов Иван Егорович
RU2076339C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 630 260 C2

Реферат патента 2017 года Высокотемпературная ионизационная камера деления для систем управления и защиты ядерных реакторов

Изобретение относится к устройствам контроля ядерных реакторов, а именно к ионизационным камерам деления (ИКД) с электродами, на поверхности которых нанесен слой материала, делящегося при взаимодействии с нейтронами. Технический результат - обеспечение возможности контроля плотности потока тепловых нейтронов в выходные электрические сигналы во всех режимах работы реакторной установки, включая режимы, при которых ионизационные камеры должны эксплуатироваться при температуре более 500°С. На поверхность делящегося покрытия электрода ИКД нанесен слой материала, например платины, с работой выхода электронов больше работы выхода электронов из материала покрытия, содержащего элементы, делящиеся при взаимодействии с нейтронами, причем толщина этого слоя недостаточна для полного препятствия выхода продуктов реакции (осколков деления) в межэлектродное пространство и достаточна для уменьшения термоэмиссии электронов при температуре выше 500°С. 1 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 630 260 C2

Ионизационная камера ИК для контроля плотности потока нейтронов в системе управления и защиты ядерного реактора, преимущественно при температуре в месте размещения ИК выше 500°С, имеющая, по крайней мере, два электрически изолированных электрода, размещенных в герметичном корпусе, снабженном электрическими выводами от каждого электрода и трубкой, через которую полость корпуса откачивается и наполняется инертными газами, причем поверхность по крайней мере одного из электродов, обращенная к межэлектродному пространству, покрыта слоем материала-радиатора (например, слоем оксида урана-235), содержащего элементы, ядра которого делятся при взаимодействии с нейтронами, с вылетом части осколков деления в пространство между электродами, что приводит к ионизации газа и, при подаче на электроды разности электрических потенциалов, к появлению тока между электродами, величина которого пропорциональна плотности потока нейтронов,

отличающаяся тем, что на поверхность делящегося покрытия нанесен слой материала, например платины, с работой выхода электронов больше работы выхода электронов из материала делящегося покрытия, содержащего элементы, делящиеся при взаимодействии с нейтронами, причем толщина этого слоя недостаточна для полного препятствия выхода осколков деления в межэлектродное пространство и достаточна для уменьшения тока термоэмиссии электронов при температуре выше 500°С.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2630260C2

ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2009
  • Бородулин Юрий Васильевич
  • Веселовский Николай Владимирович
  • Вольберг Марк Соломонович
  • Горелов Игорь Анатольевич
  • Гурьев Игорь Павлович
  • Дмитриев Александр Борисович
RU2384913C1
Станок для нарезания винтовых реек 1934
  • Войтов М.П.
SU46108A1
US 4583020 A, 15.04.1986
FR 2937149 B1, 03.02.2010.

RU 2 630 260 C2

Авторы

Глазюк Яков Вадимович

Дмитриев Александр Борисович

Федосеев Владимир Анатольевич

Даты

2017-09-06Публикация

2015-11-16Подача