Ионизационная камера деления для регистрации быстрых нейтронов Российский патент 2021 года по МПК G21D3/00 

Настоящее изобретение относится к устройствам измерения нейтронных потоков, в частности, к оборудованию систем управления и защиты ядерных реакторов и используется в качестве первичного преобразователя внутриреакторного канала контроля плотности потока нейтронов.

Ионизационная камера деления относится к газоразрядным датчикам нейтронов, принцип работы которой основан на (n,f)-преобразовании энергии нейтронов в электрический сигнал в объеме камеры. В реакторах на ядерном топливе величина нейтронного потока является ключевой информацией о характере протекающих в тепловыделяющих сборках (ТВС) физических процессах. В реакторах на быстрых нейтронах деление ядер в топливных элементах происходит под действием нейтронов «быстрого» спектра (с энергией от 1 до 20 МэВ), поэтому для диагностики активной зоны применяются камеры деления на основе нейтрон-делящихся изотопов, имеющих пороговое сечение захвата быстрых нейтронов. Наиболее распространенными являются радиаторные покрытия на основе изотопа U-238. Кроме того, для регистрации потоков в активной зоне камера деления должна иметь диаметр не более 5-6 мм (в зависимости от типа реакторной установки), т.е. относится к малогабаритным устройствам.

Известна ионизационная камера деления (Малышев Е.К., Стабровский С.А. Малогабаритные ионизационные камеры и их применение на ядерных реакторах//Атомная техника за рубежом, 1983, №12, с. 10-22), относящаяся к малогабаритным камерам и содержащая радиатор в виде смеси изотопов ²³⁵U+²³⁸U

для снижения интенсивности выгорания материала. Недостатком устройства является отсутствие возможности регистрации только «быстрой» компоненты спектра.

Известна ионизационная камера деления (СА1214289 А, опубл. 27.04.84), предназначенная для диагностики активной зоны реактора и имеющая диаметр не более 4,78 мм. Авторами изобретения подробно рассмотрены вопросы конструкционных материалов в камере, однако не указан нуклидный состав радиатора, не уточняется энергетический диапазон регистрации нейтронов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является камера деления (CN 101236254 В, опубл. 05.03.2008), в которой трубчатый электрод покрыт слоем ²³⁸U и обеспечивает регистрацию нейтронов в области энергий около 20 МэВ. Авторами заявляется простота конструкции, низкая стоимость и способность легкой модернизации устройства. Недостатком камеры является тот факт, что получении радиатора с 100% содержанием ²³⁸U невозможно, обедненный уран всегда содержит примесь ²³⁵U, а, значит, информативность сигнала будет нарушаться, т.к. сечение захвата уран-235 тепловых нейтронов в 500 раз больше сечения захвата быстрых нейтронов изотопом уран-238. Следовательно, камера деления будет оставаться «чувствительной» к тепловой составляющей спектра.

Техническим результатом является регистрация исключительно «быстрой» компоненты нейтронного потока (от 1 эВ до 20 МэВ) в активной зоне в условиях стационарного режима эксплуатации, переходных периодов остановки, запуска и вывода на полную мощность ядерного реактора.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое изобретение основано на коаксиальной электродной системе, радиаторным материалом в которой является покрытие из оксида тория ThO₂. Содержание изотопа ²³²Th (имеет пороговое значение сечения деления нейтронами в 1 МэВ) в природном сырье составляет 100%, что исключает снижение информативности сигнала при регистрации быстрых нейтронов из-за присутствия изотопов, чувствительных к тепловым нейтронам.

Перед авторами стояла задача создать малогабаритную (не более 5 мм в диаметре) ионизационную камеру деления (ИКД) на основе трубчатых, коаксиально-расположенных электродов, для детектирования «быстрой» компоненты нейтронного спектра (1 эВ÷20 МэВ). Такая конструкция камеры обеспечивает возможность избирательной регистрации быстрых нейтронов в активной зоне реактора без необходимости использования замедлителей.

Основу конструкции составляет коаксиальная сборка цилиндрических металлических электродов с радиатором ThO₂. В осесимметричной сборке диаметры трубчатых электродов увеличиваются в модели арифметической прогрессии. Радиатор в виде оксида тория наносится методом низкотемпературного термодеструкционного разложения карбоксилата тория.

В ходе выполнения исследований был собран опытный образец ториевой малогабаритной камеры деления с диаметром 5 мм, длиной чувствительной части 280 мм, длиной корпуса 380 мм. Испытания проводились на импульсном исследовательском реакторе при различных режимах его работы. Наклон вольт-счетной характеристики ториевой камеры составил 0,03%/В. Чувствительность камеры к потоку быстрых нейтронов составила 2,54⋅10^-6 имп/(нейтр/(см²⋅с)). Скорость счета импульсов в поле тепловых нейтронов (плотность потока 1⋅10⁸ нейтр/( см²⋅с)) - менее 1 имп/с. Полученные характеристики ториевой камеры превосходят аналогичные показатели камеры деления на основе ²³⁸U.

Изобретение относится к устройствам измерения нейтронных потоков, в частности к оборудованию систем управления и защиты ядерных реакторов, и используется в качестве первичного преобразователя внутриреакторного канала контроля плотности потока нейтронов. Предлагаемое изобретение основано на коаксиальной электродной системе, радиаторным материалом в которой является покрытие из оксида тория ThO₂. Содержание изотопа ²³²Th (имеет пороговое значение сечения деления нейтронами в 1 МэВ) в природном сырье составляет 100%, что исключает снижение информативности сигнала при регистрации быстрых нейтронов из-за присутствия изотопов, чувствительных к тепловым нейтронам. Техническим результатом является регистрация исключительно «быстрой» компоненты нейтронного потока (от 1 эВ до 20 МэВ) в активной зоне реактора в условиях стационарного режима эксплуатации, переходных периодов остановки, запуска и вывода на полную мощность ядерного реактора без необходимости использования замедлителей.

Ионизационная камера деления для регистрации быстрых нейтронов на основе системы коммутируемых трубчатых электродов с нанесенными нейтрон-делящимися покрытиями (радиаторами), коаксиально-расположенными в металлическом корпусе, заполненном рабочим газом, отличающаяся тем, что радиатор изготовлен из природного тория, имеющего 100%-ное содержание изотопа ²³²Th.