Способ мониторирования нейтронного потока в высокопоточных ядерных установках Российский патент 2025 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для мониторирования высокоинтенсивных потоков нейтронов в ядерных реакторах и установках термоядерного синтеза.

Введение в эксплуатацию высокопоточного ядерного реактора ПИК на территории ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» с максимальной тепловой мощностью 100 МВТ и максимальной плотностью потока нейтронов до 5×10¹⁵ нейтрон см^-2сек^-1, а также международного термоядерного реактора ИТЭР с плотностью потока нейтронов до 1.5×10¹⁴ нейтрон см^-2сек^-1 потребует применения радиационно-стойких, компактных, простых по своему устройству и функционированию детекторов нейтронного потока. Хотя в настоящее время имеются периферийные нейтронные детекторы, в основном, на основе ионизационных камер и позиционно-чувствительных детекторов, все же отсутствуют мониторы нейтронного потока в центре активной зоны (АЗ). Проблемы их размещения связаны с чрезвычайно высокими нейтронными потоками, перегружающими систему сбора и обработки информации (readout electronics), фоновой загрузкой от γ-квантов, а также высоких температур в окрестности АЗ. Решением указанной проблемы может оказаться размещение в центре АЗ высокопоточных ядерных реакторов, таких как ПИК (Россия), HFR (Франция), HFIR (США), FRM (Германия), а также вблизи активной зоны международного термоядерного реактора ИТЭР проточных газовых радиохимических мониторов нейтронного потока. В проточном газовом радиохимическом мониторе используется свойство свободного выхода атомов инертного радиоактивного газа ³⁷Ar, образующихся в ядерной реакции ⁴⁰Са(n,α)³⁷Ar, из кристаллической решетки оксалата кальция CaC₂O₄. Образующийся в ампуле детектора инертный радиоактивный газ ³⁷Ar транспортируется газом-носителем - Не в удаленный пропорциональный газовый счетчик проточного типа, где производится измерение скорости распадов ядер радиоактивного инертного газа, однозначно связанной с плотностью потока нейтронов в активной зоне. Удаленное расположение и экранирование счетчика позволяет избавиться от фона γ-квантов. Преимуществом предлагаемого нейтронного монитора является размеры детектирующей микроампулы и небольшое количество активного вещества CaC₂O₄. Фактически речь может идти о точечноподобной микроампуле детектора, объемом около 1 см³, что весьма удобно для ее размещения в узком технологическом канале ядерного реактора ПИК. Малое количество активного вещества в микроампуле, кроме того, позволит снизить счет распадов и нагрузку на систему обработки информации. Высокое энерговыделение вызывает разогрев в объеме микроампулы и требует повышения расхода транспортного газа гелия, который является охладителем микроампулы, чтобы максимальная температура микроампулы не превысила температуру разложения активного вещества микроампулы - оксалата кальция. Такая схема охлаждения требует многократного использования транспортного газа, т.е. включения в схему насоса-компрессора.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является радиохимический детектор, реализующий способ мониторирования потока быстрых нейтронов [Коптелов Э.А., Лебедев С.Г., Янц В.Э. Радиохимический способ мониторирования потока быстрых нейтронов. Патент РФ 2286586 (19.04.2005), G01T 3/00], включающий ампулу с порошкообразным активным веществом, помещаемую в поток быстрых нейтронов, газовую систему, заполненную газом-носителем, и проточный счетчик, подключенный к системе регистрации и обработки информации. Газовая система включает резервуар с газом-носителем, клапаны и систему контроля газового расхода. Ампула с активным веществом подключена к газовой системе, причем вход ампулы подключен к резервуару с газом-носителем, а выход - к входу проточного счетчика. В качестве активного вещества используют микрокристаллический порошок обезвоженного оксалата (соль щавелевой кислоты H₂C₂O₄⋅2H₂O) щелочного металла с химическим составом Me₂C₂O₄, или микрокристаллический порошок обезвоженного оксалата щелочноземельного металла с химическим составом MeC₂O₄, или их смеси, где Me - щелочной или щелочноземельный металл, в результате ядерных реакций нейтронов с ядрами которого образуется радиоактивный инертный газ. В качестве щелочного металла Me используют изотопы лития ⁶Li или ⁷Li или их смеси, изотоп натрия ²³Na, изотопы калия ³⁹K и ⁴¹K или их смеси, изотопы рубидия ⁸⁵Rb и ⁸⁷Rb или их смеси, или изотоп цезия ¹³³Cs, а в качестве щелочноземельного металла Me используют изотоп бериллия ⁹Ве, изотоп магния ²⁶Mg, изотопы кальция ⁴⁰Са, ⁴²Са, ⁴⁴Са, ⁴⁶Са и ⁴⁸Са или их смеси, изотоп стронция ⁸⁸Sr или изотоп бария ¹³⁸Ва. При этом в качестве радиоактивного инертного газа образуются соответствующие радиоактивные изотопы гелия, неона, аргона, криптона или ксенона.

Недостатком такого детектора является возможность мониторирования лишь невысокой плотности потока нейтронов до 10¹⁰ нейтрон см^-2сек^-1.

Заявляемый в качестве изобретения способ мониторирования нейтронного потока в высокопоточных ядерных установках направлен на расширение возможностей и обеспечение повышения его эффективности за счет измерения рекордной плотности потока нейтронов до 5×10¹⁵ нейтрон см^-2сек^-1, а также возможности мониторирования плотности потока нейтронов вдоль сечения центрального канала диаметром 8 см, а также по высоте центрального канала. Это достигается за счет уменьшения размеров микроампулы, диаметром 1 см и высотой 1 см.

Сущность заявленного способа поясняется прилагаемыми чертежами.

На Фиг. 1 приведена схема системы нейтронного монитора высокопоточной ядерной установки, где:

1 - канал ядерного реактора;

2 - микроампула (CaC₂O₄);

3 - трубка входного потока Не;

4 - трубка выходного потока смеси Не с радиоактивным аргоном;

5 - баллон с гелием Не;

6 - регулятор давления;

7 - регулятор расхода газа;

8 - расходомер;

9, 10 - регуляторы расхода газа;

11 - геттер (Т=700°С, медная стружка);

12 - баллон с газом, являющийся гасящей добавкой для пропорционального счетчика;

13 - регулятор давления;

14 - регулятор расхода газа;

15 - расходомер;

16 - проточный счетчик;

17 - регулятор расхода газа;

18 - азотная ловушка;

19 - система регистрации и обработки информации;

20 - расходомер;

21, 22 - регуляторы расхода газа;

23 - насос-компрессор;

24 - расходомер.

На Фиг. 2 показана микроампула нейтронного монитора высокопоточного ядерного реактора, где:

2 - микроампула (CaC₂O₄);

3 - трубка входного потока Не;

4 - трубка выходного потока смеси Не с радиоактивным аргоном.

Размер микроампулы выбран так, чтобы она свободно входила в обслуживаемый канал ядерного реактора (Фиг. 2). В случае реактора ПИК это центральный экспериментальный канал с нейтронной ловушкой диаметром ~80 мм. Как можно видеть общий объем микроампулы составляет ~1 см³.

Нейтронный монитор, включает микроампулу с порошкообразным активным веществом CaC₂O₄, помещаемую в поток нейтронов, газовую систему, заполненную газом-носителем гелием Не, и проточный счетчик, подключенный к системе регистрации и обработки информации, а также систему возврата отработанного транспортного газа и систему очистки для повторного использования. Микроампула с активным веществом подключена к газовой системе, причем вход микроампулы подключен к баллону с газом-носителем, а выход - к входу проточного счетчика. При этом в качестве проточного счетчика может быть использован газовый пропорциональный счетчик, в качестве газа-носителя - газ Не, являющийся рабочим газом пропорционального счетчика, а газовая система дополнительно включает баллон с газом СН₄, являющийся гасящей добавкой для пропорционального счетчика. Проточный счетчик 16 представляет собой кварцевую цилиндрическую колбу с напыленным на внутреннюю стенку тонким графитоподобным слоем углерода. Данный слой является катодом пропорционального счетчика. Анодом является тонкая вольфрамовая нить, проходящая по оси счетчика. Транспортный газ доставляет в счетчик радиоактивный газ ³⁷Ar, атомы которого распадаются в объеме счетчика с испусканием оже-электронов, регистрируемых системой обработки информации. Выделение газообразных радиоактивных продуктов ядерных реакций из активного вещества происходит за счет диффузии, причем средние размеры микрокристаллов порошка, его количество и скорость переноса выделившегося радиоактивного инертного газа до места регистрации его распадов выбирают из условия, что сумма среднего времени выхода радиоактивного инертного газа из активного вещества и времени до начала регистрации распадов радиоактивного инертного газа была меньше периода полураспада радиоактивного инертного газа. Отличие от схем, использованных в прототипе, состоит в размере микроампулы 2, наполненной порошковым оксалатом кальция с насыпной плотностью 1 г/см³, применением азотной ловушки 18 на выходе газовой смеси из счетчика в атмосферу для очистки транспортного газа от радиоактивных изотопов аргона и газов гасящей добавки СН₄. Кроме того, в систему включен насос - компрессор для перекачивания транспортного газа гелия Не для повторного (многократного) использования в целях экономии ценного продукта. Другая причина изменений системы нейтронного монитора - рекордная на сегодняшний день плотность нейтронного потока в центральном канале реактора ПИК, составляющая 5×10¹⁵ нейтрон см^-2сек^-1. При такой величине плотности нейтронного потока суммарное тепловыделение от взаимодействия с нейтронами и сопутствующими гамма-квантами составляет ~10 Вт/см³. Столь высокое тепловыделение вызывает разогрев в объеме микроампулы и требует повышения расхода транспортного газа гелия, который является охладителем микроампулы до 50 см³/сек, чтобы максимальная температура микроампулы не превысила температуру разложения активного вещества микроампулы - оксалата кальция 250°С. Такая схема охлаждения требует многократного использования транспортного газа. Это достигается включением в схему насоса-компрессора для перекачивания транспортного газа гелия, очищенного от радиоактивных изотопов аргона и гасящей добавки СН₄ обратно в систему нейтронного монитора для повторного использования.

Реализация способа мониторирования нейтронного потока в высокопоточных ядерных установках производится следующим образом: транспортный газ - гелий Не из баллона 5 через регуляторы давления 6 и регуляторы расхода газа 7, 9 и расходомер 8 поступает в находящуюся в канале ядерного реактора микроампулу 2 с порошком оксалата кальция. Под действием нейтронов в микроампуле с порошком оксалата кальция происходят ядерные реакции с производством радиоактивного инертного газа ³⁷Ar. Образовавшаяся смесь ³⁷Ar с транспортным газом Не через регулятор расхода газа 10 и геттер 11, где производится очистка от сопутствующих газов и загрязнений проходит в проточный счетчик. На входе в счетчик к смеси ³⁷Ar и Не добавляется газ СН₄, который является т.н. гасящей добавкой - средой, уменьшающей энергию электронов для гашения электронной лавины в счетчике. К выходу счетчика подключена система регистрации и обработки информации 19, которая считает количество импульсов распада радиоактивных ядер ³⁷Ar, однозначно связанное с нейтронным потоком в канале ядерного реактора. На выходе из счетчика газовая смесь Не и ³⁷Ar через регулятор расхода газа 17 поступает в азотную ловушку 18, где происходит вымораживание остаточного радиоактивного газа ³⁷Ar, гелий проходит без задержки и через расходомер 20 и регулятор расхода газа 22 поступает на насос-компрессор 23, перекачивающий полученный чистый гелий в систему нейтронного монитора для повторного использования. Возможность возврата отработанного Не, очищенного от примесей радиоактивного газа и гасящей добавки обратно в систему нейтронного монитора показана пунктирной линией на Фиг. 1. Такая опция необходима при высоком потоке газа и длительной работе нейтронного монитора из-за дороговизны транспортного газа Не. Система нейтронного монитора должна быть отрегулирована так, чтобы обеспечить расход транспортного газа Не, достаточный для охлаждения микроампулы 2. В стационарном режиме облучения микроампулы (при постоянном потоке Ф ионизирующего излучения и постоянном расходе L газа носителя) вся вновь образовавшаяся активность сверх равновесной удаляется из объема V_a микроампулы током транспортного газа. Поэтому скорость счета N_c распадов радиоактивных атомов в детектирующей системе пропорциональна величине нейтронного потока Ф и связана с ним соотношением:

где V_c - объем детектирующей системы (см³), N₀ - число атомов активного вещества в микроампуле, λ=2π/T_1/2 - постоянная распада инертного радиоактивного газа (сек^-1), Т_1/2 - период полураспада радиоактивного инертного газа в сек, σ - усредненное по спектру нейтронов сечение ядерной реакции образования радиоактивного инертного газа (см²), Ф - нейтронный поток (нейтрон/см²/сек), L - расход транспортного газа (см³/сек).

Выражение (1) применимо при V_a/L<<T_1/2, где Т_1/2 - период полураспада радиоактивного инертного газа в сек.

Применение нейтронного монитора в центре активной зоны является весьма полезным с точки зрения получения информации о временном поведении источника нейтронов, а также о степени выгорания ТВЭЛов. Кроме того показания нейтронного монитора в центре АЗ позволят контролировать и сравнивать с соответствующими показаниями данные других нейтронных детекторов, находящихся в экспериментальных каналах.

Технический результат - расширение возможностей мониторирования нейтронных потоков в высокопоточных ядерных установках.

Использование: для мониторирования высокоинтенсивных потоков нейтронов в ядерных реакторах и установках термоядерного синтеза. Сущность изобретения заключается в том, что способ мониторирования нейтронного потока включает облучение микроампулы с активным веществом оксалатом кальция СаС₂O₄ (соль щавелевой кислоты Н₂С₂О₄⋅2Н₂О и щелочноземельный металл кальция Са), помещаемой в поток нейтронов, образование газообразного радиоактивного инертного газа аргона ³⁷Аr за счет ядерных реакций нейтронов с ядрами активного вещества СаС₂O₄, выделение инертного газа ³⁷Аr из активного вещества за счет диффузии и переноса транспортным газом гелием Не образовавшегося радиоактивного инертного газа ³⁷Аr в проточный счетчик, при этом транспортный газ гелий Не, очищенный от радиоактивных изотопов аргона и гасящей добавки СН₄, перекачивается обратно в систему нейтронного монитора для повторного использования с расходом на уровне 50 см³/сек, достаточным для охлаждения микроампулы до температуры не выше температуры разложения оксалата кальция 250°С. Технический результат - расширение возможностей мониторирования нейтронных потоков в высокопоточных ядерных установках. 2 ил.

Способ мониторирования нейтронного потока, включающий облучение микроампулы с активным веществом оксалатом кальция СаС₂O₄ - соль щавелевой кислоты Н₂С₂О₄⋅2Н₂О и щелочноземельный металл кальция Са, помещаемой в поток нейтронов, образование газообразного радиоактивного инертного газа аргона ³⁷Аr за счет ядерных реакций нейтронов с ядрами активного вещества СаС₂O₄, выделение инертного газа ³⁷Аr из активного вещества за счет диффузии и переноса транспортным газом гелием Не образовавшегося радиоактивного инертного газа ³⁷Аr в проточный счетчик, отличающийся тем, что транспортный газ гелий Не, очищенный от радиоактивных изотопов аргона и гасящей добавки СН₄, перекачивается обратно в систему нейтронного монитора для повторного использования с расходом на уровне 50 см³/сек, достаточным для охлаждения микроампулы до температуры не выше температуры разложения оксалата кальция 250°С.