Ионизационная камера деления для регистрации нейтронов Российский патент 2021 года по МПК G21D3/00 G01T1/185 H01J47/02 

Описание патента на изобретение RU2757219C1

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) ядерных реакциях. Нейтронный поток в реакторе всегда представляет собой смешанный поток тепловых и быстрых частиц, в стационарном режиме работы на полной мощности реактора процентное соотношение между быстрыми и тепловыми нейтронами составляет величину ~ 99:1. В переходных режимах эксплуатации реактора (остановка, запуск, вывод на полную мощность и др.) указанное соотношение существенно нарушается. Кроме того, сопутствующим потоку нейтронов с интенсивностью того же порядка величины является гамма-поток, дополнительно ионизирующий объем рабочего газа. Важнейшими задачами при разработке камер деления являются:

- обеспечение широкого динамического диапазона работы;

- расширение энергетического диапазона регистрации нейтронов;

- повышение точности измерения путем учета всех составляющих радиационного потока, вызывающих ионизацию рабочего газа;

- снижение габаритных размеров камеры для обеспечения нейтронной диагностики в различных зонах ядерной установки.

Известна ионизационная камера деления с компенсацией гамма-излучения типа КНК-15-1 (Малышев Е.К., Белозеров В.Г., Щетинин О.И. Широкодиапазонная камера деления для систем управления и защиты ядерных реакторов // Атомная энергия, 1979, т. 47, вып. 4, с. 271-272), включающая в себя цилиндрический корпус с электродной системой из набора пластин (нержавеющая сталь), объединенных в две секции: рабочую, чувствительную к нейтронам и гамма-излучению, и компенсационную, чувствительную только к гамма-потоку. Пластины рабочей секции покрыты радиатором из U3O8, обогащенного по изотопу 235U. Недостатком устройства являются ограничение возможности регистрации нейтронов преимущественно тепловыми, а также большие габаритные размеры вследствие использования пластинчатых электродов, расположенных в двух секциях отдельно друг от друга.

Известна ионизационная камера деления (Захаркин И.В., Полионов В.П., Сомов И.Е. Ионизационная камера деления. Патент РФ 2076339. заявл. 14.07.1993, опубл. 27.03.1997), представляющая собой сборку из пластинчатых электродов с урановым радиатором и компенсационной секцией на основе электрода с радиатором, содержащим большее количество урана. Величина ложного выходного сигнала камеры (типа КНК-15-1) снижается и за счет этого расширяется реальный динамический диапазон работы камеры. Камера имеет большие габаритные размеры и, как следствие, отсутствует возможность ее использования в качестве внутризонного датчика. Кроме того, использование в качестве радиатора соединения на основе 235U ограничивает область регистрации нейтронами тепловых энергий.

Снижение габаритных размеров камеры деления может быть обеспечено за счет перехода от пластинчатых к трубчатым электродам. Известна ионизационная камера деления (В.И. Алексеев, И.Я. Емельянов и др. Ионизационная камера. А.с. СССР 482704. заявл.03.08.73, опубл. 05.08.76), включающая трубчатый корпус, в котором коаксиально расположен внутренний электрод, разделенный с корпусом дистанцирующими изоляторами. Кроме того, в корпусе по длине камеры установлены наружный собирающий и промежуточный охранный коаксиальные электроды. Покрытие из делящегося материала (радиатор) нанесено на внешнюю поверхность собирающего электрода. Преимуществом устройства является его малогабаритность и повышение надежности. Недостатком изобретения является ограниченный энергетический диапазон регистрации нейтронов, определяемый использованием одного типа нанесенного на электроды радиатора. При определении параметров нейтронного потока не учитывается сопутствующее гамма-излучение.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является ионизационная камера деления (Ф. Пешке. Камера деления для измерения нейтронов. А.с. СССР 161085. заявл. 28.05.1962, опубл. 09.03.1964), включающая трубчатый корпус с аксиально-концентрическими электродами с радиатором на основе делящегося материала. При этом может быть реализована возможность расширения диапазона регистрируемых нейтронных потоков за счет использования нескольких коммутируемых катодов и анодов, покрытых различными радиоактивными материалами, обладающими различной способностью к расщеплению, или материалами с одинаковой способностью к расщеплению, но различной толщины или площади.

Недостатком известного устройства является отсутствие компенсационной секции, определяющей гамма-поток. Не приведено техническое решение, относящееся к устройству с аксиально-концентрическими электродами, находящихся во взаимосвязи (определенной последовательности) друг с другом.

Перед авторами изобретения стояла задача создать ионизационную камеру деления (ИКД) на основе трубчатых, коаксиально-расположенных электродов, для детектирования нейтронов в широком энергетическом диапазоне - от тепловых до быстрых (0,025 эВ÷20 МэВ) - с учетом (компенсацией) гамма-фона. При этом существенно расширяется энергетическая область и повышается точность регистрации нейтронных потоков, ликвидируется необходимость использования материалов-замедлителей вокруг камеры и, как следствие, сохраняются небольшие габаритные размеры ИКД на основе коаксиальной системы электродов.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является регистрация нейтронного потока в энергетическом диапазоне от тепловых до быстрых нейтронов (от 0,025 эВ до 20 МэВ) с компенсацией сопутствующего гамма-потока в условиях стационарного режима эксплуатации, переходных периодов остановки, запуска и вывода на полную мощность ядерного реактора.

Техническое решение изобретения основано на коаксиальной электродной системе, состоящей из секций, разделяющихся по функциональности на типы:

- гамма-компенсационные секции (межэлектродные области без радиатора), количество секций - 3 (три);

- радиаторная секция регистрации быстрых нейтронов (с радиатором на основе изотопно чистого 238U урана (содержание 235U не более 0,0002%));

- радиаторная секция регистрации тепловых нейтронов (с радиатором на основе высокообогащенного урана (90% по 235U)).

Все секции расположены в единой коаксиальной системе электродов в заданной пространственной последовательности.

Основу конструкции предлагаемого изобретения составляет коаксиальная сборка цилиндрических металлических электродов с различными по изотопному составу радиаторами и компенсационными секциями. В осесимметричной сборке диаметры трубчатых электродов увеличиваются в модели арифметической прогрессии.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема конструкции коаксиальной электродной сборки мультинуклидной ионизационной камеры деления (общий - фиг. 1 и укрупненный торцевой вид - фиг. 2), где введены следующие обозначения:

КС-1; КС-2; КС-3 - компенсационные секции, расположенные в центральной, средней и наружной областях коаксиальной системы электродов;

РС-235 - радиаторная секция на основе U3O8 (90% обогащения по 235U), состоит из одного коаксиального трубчатого звена;

РС-238 - радиаторная секция на основе U3O8 (содержание 238U 99,9998%), выполнена из последовательно расположенных коаксиальных звеньев в количестве от 4-х до 6-ти.

При этом токовые сигналы, образующиеся в РС-235 и РС-238, имеют близкий порядок величины с учетом неравнозначности их площадей и сильно отличающихся сечений деления тепловыми (σterm(235U)=:580 барн) и быстрыми (σfast(238U)=1 барн) нейтронами, соответственно. Токовый сигнал в секции пропорционален площади радиатора и величине сечения захвата соответствующих нейтронов (σfast / σderm). Близкими по величине секционные токи в мульнуклидной камере, и, как следствие, повышение точности измерений, обеспечиваются соотношением площадей радиаторов S(235U):S(238U)=1:4…1:5. В предлагаемом изобретении указанное соотношение реализовано за счет создания секции с уран-238 с многотрубчатыми электродными сборками при ее расположении в наружной области коаксиальной сборки (фиг. 1).

Организация мультинуклидных секций в камере деления дает возможность обеспечить получение точной информации о величине нейтронного потока в т.ч. в моменты плановых остановок реактора, пуска, вывода на полную мощность, при которых соотношение между быстрыми и тепловыми нейтронами 99%: 1% нарушается и применение стандартных камер на высокообогащенном уране не позволяет достоверно судить о величине внутриреакторного нейтронного потока.

Количество компенсационных секций камеры составляет 3 (три): КС-1; КС-2; КС-3, что обеспечивает необходимую точность определения энергетического вклада от гамма-частиц в токовый сигнал рабочего газа, как за счет количественного увеличения, так и вследствие расположения радиаторной секции РС-235 внутри двух компенсационных секций КС-1 и КС-2, а радиаторной секции РС-238 между компенсационными секциями КС-2 и КС-3.

При эксплуатации радиатора на основе 238U существует проблема постепенного изотопного «отравления» атомами 235U. В предлагаемом изобретении эта проблема решена - информативность сигнала при детектировании быстрых нейтронов сохраняется за счет наличия отдельной радиаторной секции на основе высокообогащенного урана (235U), сигнал от которой вычитается (с учетом соотношения площадей) из сигнала от РС-238, что обеспечивается получение точной информации о «быстрой» составляющей компоненты нейтронного потока.

Похожие патенты RU2757219C1

название год авторы номер документа
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
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 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
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2002
  • Вольберг М.С.
  • Гурьев И.П.
  • Дмитриев А.Б.
RU2215343C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ОТНОШЕНИЯ ДЕЛЯЩЕГОСЯ ВЕЩЕСТВА, СОДЕРЖАЩЕГОСЯ В КАМЕРЕ ДЕЛЕНИЯ 2010
  • Вальо-Годар Клэр
  • Жирар Жан-Мишель
  • Лёконт Пьер
RU2527137C2
ГАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР 2010
  • Микеров Виталий Иванович
RU2421756C1
Способ определения изотопного состава топлива в активной зоне ядерного реактора 1990
  • Кетов Сергей Николаевич
  • Архипов Виталий Владимирович
  • Копейкин Владимир Иванович
  • Мачулин Игорь Николаевич
  • Микаэлян Лев Александрович
  • Петровичев Олег Алексеевич
  • Шарифьянов Марат Борисович
SU1681338A1
СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА В ТОРИЕВОМ ТОПЛИВНОМ ЦИКЛЕ С НАРАБОТКОЙ ИЗОТОПА УРАНА U 2016
  • Маршалкин Василий Ермолаевич
  • Повышев Валерий Михайлович
RU2634476C1
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЕЛЕНИЯ 1993
  • Захаркин Игорь Иванович
  • Полионов Виктор Петрович
  • Сомов Иван Егорович
RU2076339C1
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ФРАГМЕНТОВ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ В ГРАФИТОВЫХ БЛОКАХ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2022
  • Павлюк Александр Олегович
RU2798506C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 757 219 C1

Реферат патента 2021 года Ионизационная камера деления для регистрации нейтронов

Изобретение относится к камере деления для регистрации нейтронов в широком энергетическом диапазоне (от тепловых до быстрых). Камера выполнена на основе системы коммутируемых трубчатых электродов с нанесенными ураноксидными покрытиями (радиаторами), коаксиально расположенными в металлическом корпусе, заполненном рабочим газом. Система аксиально-концентрических электродов включает радиаторные секции с нанесенными ураноксидными покрытиями на основе изотопно чистого 238U и 235U 90% обогащения для регистрации быстрых и тепловых нейтронов соответственно, которые размещены отдельно друг от друга внутри системы коаксиальных электродов. Остающиеся трубчатые элементы использованы в качестве компенсационных секций детектирования гамма-потока в центральной, средней и наружной коаксиальных областях системы электродов ионизационной камеры деления. Техническим результатом является регистрация нейтронного потока в энергетическом диапазоне от тепловых до быстрых нейтронов (от 0,025 эВ до 20 МэВ) с компенсацией сопутствующего гамма-потока в условиях стационарного режима эксплуатации, переходных периодов остановки, запуска и вывода на полную мощность ядерного реактора. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 757 219 C1

1. Ионизационная камера деления для регистрации нейтронов в широком энергетическом диапазоне (от тепловых до быстрых) на основе системы коммутируемых трубчатых электродов с нанесенными ураноксидными покрытиями (радиаторами), коаксиально расположенными в металлическом корпусе, заполненном рабочим газом, отличающаяся тем, что система аксиально-концентрических электродов включает радиаторные секции с нанесенными ураноксидными покрытиями на основе изотопно чистого 238U и 235U 90% обогащения для регистрации быстрых и тепловых нейтронов соответственно, которые размещены отдельно друг от друга внутри системы коаксиальных электродов, остающиеся трубчатые элементы которой использованы в качестве компенсационных секций детектирования гамма-потока в центральной, средней и наружной коаксиальных областях системы электродов ионизационной камеры деления.

2. Ионизационная камера деления по п. 1, отличающаяся тем, что радиаторные секции (PC) и компенсационные секции (КС) в коаксиальной системе электродов выполнены в виде следующей последовательности от центрального электрода к корпусу камеры:

КС-1…РС-235…КС-2…РС-238…КС-3 с равномерным увеличением диаметров коаксиально расположенных трубок.

3. Ионизационная камера деления по п. 1, отличающаяся тем, что компенсационные секции КС-1, КС-2, КС-3 и радиаторная секция РС-235 выполнены на основе одного коаксиального трубчатого звена.

4. Ионизационная камера деления по п. 1, отличающаяся тем, что радиаторная секция РС-238 содержит несколько коаксиальных трубчатых звеньев при выполнении соотношения площадей поверхностей ураноксидных радиаторов на основе 238U и 235U в диапазоне от 4:1 до 5:1.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2021 года RU2757219C1

0
SU161085A1
Малогабаритная ионизационная камера 1973
  • Алексеев В.И.
  • Емельянов И.Я.
  • Иванов В.М.
  • Константинов Л.В.
  • Лысиков Б.В.
  • Постников В.В.
  • Рыбаков Ю.В.
SU482704A1
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЕЛЕНИЯ 1993
  • Захаркин Игорь Иванович
  • Полионов Виктор Петрович
  • Сомов Иван Егорович
RU2076339C1
УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ МЕДЛЕННЫХ НЕЙТРОНОВ 2017
  • Ян Иган
  • Ли Юаньцзин
  • Фан Чжуцзюнь
  • Ли Юйлань
RU2676952C1
Способ регистрации нейтронов и устройство для его осуществления 2017
  • Коржик Михаил Васильевич
  • Федоров Андрей Анатольевич
  • Мечинский Виталий Александрович
  • Досовицкий Алексей Ефимович
  • Досовицкий Георгий Алексеевич
RU2663683C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ 2017
  • Чукляев Сергей Васильевич
RU2655014C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК 2017
  • Овчинников Михаил Александрович
  • Юхневич Виктор Александрович
  • Довбыш Леонид Егорович
  • Пикулина Галина Николаевна
  • Голубева Ольга Альбертовна
RU2650810C1
CN 208547723 U, 26.02.2019
JP 6441062 B2, 19.12.2018.

RU 2 757 219 C1

Авторы

Басков Петр Борисович

Кириченко Григорий Павлович

Мосягина Ирина Владимировна

Сахаров Вячеслав Васильевич

Худин Александр Сергеевич

Даты

2021-10-12Публикация

2020-04-23Подача