Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011
.pdfтекторов для регистрации нейтронов или γ-квантов. Технологические и экономические трудности позволяют реализовать измерение излучения только в отдельных точках с последующей интерполяцией данных на остальные участки активной зоны.
Внутриреакторная система контроля энерговыделения выполня-
ет:
1)оперативный контроль распределения энерговыделения по объему активной зоны – система «советчик оператора»;
2)выдача сигнала в систему автоматического управления и защиты (СУЗ) для регулирования общей мощности реактора;
3)работа в зонной системе СУЗ реактора.
10.3.Основные требования
кдетекторам внутриреакторного контроля
Детекторы внутриреакторного контроля должны соответствовать:
1) метрологическим требованиям, предъявляемым к ним как детекторам измеряемых величин;
2)специфическим условиям работы детекторов в активной зоне реактора;
3)технологическим задачам, решаемым при помощи детекто-
ров;
4)эксплуатационным характеристикам – условиям обслуживания детекторов.
Метрологические детекторы должны соответствовать требованиям, предъявляемым к любым измерительным устройствам, а именно: требованиям к чувствительности, линейности, стабильности характеристик в процессе эксплуатации и т.п.
Условия работы в активной зоне определяют целый ряд специфических требований, предъявляемых к детекторам. В активной
зоне ядерного реактора детектор работает в мощных полях излучений. Плотность потока нейтронов достигает значений 1014–1015
нейтр/(см2 с), причем спектр нейтронов простирается от тепловой области до ~8 МэВ. Плотность потока γ-квантов достигает значе-
ний 1014–1016 /(см2с), причем мощность дозы γ-излучения достигает 107 рад/с.
191
Компоновка активной зоны, как правило, оставляет очень мало места для размещения детекторов. Практически диаметр детектора не должен превышать 5 мм, более того, желательно уменьшить его до 1–2 мм.
Температура в активной зоне ядерного реактора достигает 7001000 °С; применение дополнительной системы для охлаждения детектора в большинстве случаев недопустимо. В конструкционных элементах детектора температура превышает температуру окружающей среды вследствие энерговыделения за счет поглощения γ- квантов. В зависимости от конструкции реактора детектор располагают в воде, в кладке из твердого замедлителя, в канале, наполненном инертным газом или воздухом, причем всегда следует считаться с наличием влажности.
Необходимо учитывать возможность коррозии элементов конструкции детектора. В ряде случаев детектор может быть расположен в воде под давлением до 200 атм. Особые условия устанавливаются при использовании детекторов в реакторах на быстрых нейтронах с жидким металлом в качестве теплоносителя.
Размеры активной зоны и задача, поставленная при измерении, также накладывают определенные требования на конструкцию детекторов. При работе реактора надо знать распределение плотности потока нейтронов как по радиусу, так и по высоте активной зоны. В ряде случаев необходимо фиксировать тонкую структуру потока нейтронов.
Выбор материалов нейтронных детекторов обусловлен многими факторами, например: потоком нейтронов, потребным ресурсом работы и связанным с ним выгоранием радиатора.
Допускаемая инерционность детектора также оказывает значительное влияние на конструкцию, которая должна быть недорога, проста, надежна и безопасна в эксплуатации.
Детекторы внутриреакторного контроля должны подчиняться определенным метрологическим требованиям:
1)обеспечивать линейность показаний во всем диапазоне измерений;
2)иметь высокую чувствительность, определяемую двумя факторами: а) возможностью использования для измерений от-
192
носительно простой и доступной вторичной аппаратуры; б) благоприятным соотношением сигнал – фон;
3)обладать высокой идентичностью (воспроизводимостью), которая должна обеспечивать взаимозаменяемость детекторов;
4)иметь большой ресурс работы, который определяется двумя факторами: физическим сроком службы, зависящим от работоспособности элементов конструкции детектора, и изменением чувствительности детектора вследствие уменьшения количества атомов нейтроночувствительного элемента (выгорания). Во всяком случае, срок службы детекторов должен соответствовать кампании активной зоны или периодам между частичными перегрузками зоны;
5)давать оперативную информацию;
6)иметь небольшие габариты, чтобы их размещение не затрудняло проведение основного технологического процесса;
7)не должны вносить значительных возмущений в нейтронное поле реактора;
8)должны обеспечивать возможность измерения локального значения энерговыделения и получения информации о его распределении по радиусу и высоте активной зоны однотипными детекторами;
9)должны работать при температуре ~700 °С и выше. Применение внешних источников высокого напряжения нежелательно;
10)допускать возможность их использования в системах изме-
рения;
11)быть просты в обслуживании, соответствовать требованиям радиационной безопасности.
10.4. Измерение распределения плотности потока нейтронов по радиусу и высоте активной зоны реактора
Для контроля работы ядерного реактора необходимо знать распределение плотности потока нейтронов по радиусу и высоте активной зоны реактора. Для решения этой задачи используются детекторы с переносом заряда (ДПЗ) двух типов:
ДПЗ для измерения распределения плотности потока нейтронов по высоте активной зоны реактора (малогабаритные ДПЗ локального типа). Для решения этой задачи длина чувствительной части
193
детектора должна быть много меньше высоты активной зоны реактора.
ДПЗ для измерения интегральной по высоте активной зоны плотности потока нейтронов, обеспечивающие измерение распределения плотности потока по радиусу реактора. Выбор детектора для измерения распределения по радиусу сводится по существу к выбору материала эмиттера. Основными факторами при этом являются значение измеряемой плотности потока нейтронов, требуемый ресурс работы и связанное с ним выгорание, а также необходимость контроля энерговыделения.
Рассмотрим вопрос о выборе длины и материала эмиттера ДПЗ локального типа. Наиболее полную информацию о распределении плотности потока нейтронов по высоте активной зоны даст детектор, длина которого соизмерима с размером «микроструктуры» поля нейтронов. Желательно, чтобы длина детектора была как можно меньше.
Число стационарных детекторов по высоте канала должно быть ограничено. Применение детекторов конечной длины необходимо для обеспечения достаточной их чувствительности, так как увеличение диаметра эмиттера свыше 1,5–2,0 мм обычно недопустимо.
Относительно выбора метода контроля энерговыделения, то следует отметить, что невозможно выделить, какой-нибудь один метод измерения, заведомо превосходящий все остальные по своим свойствам. Для любого метода существует область, где его применение оптимально.
Нейтронные ионизационные детекторы – камеры деления обладают известными преимуществами при измерениях в нестационариых режимах при плотности потока нейтронов, не превышающих 1012 – 1013 нейтр/(см2с), и невысоких температурах. Достоинство калориметрических детекторов – простота схемы измерения. Метод активационных детекторов – основной метод, позволяющий вести прецизионные измерения и обеспечивающий наиболее полную информацию об основных характеристиках нейтронного поля.
В то же время все указанные методы имеют серьезные недостатки. Применение ионизационного метода контроля лимитируется высокими требованиями к сопротивлению изоляции, низ-
194
кими рабочими температурами, ограниченным пределом линейности и ресурса работы. Основные недостатки калориметрического метода: нелинейность, низкие рабочие температуры, зависимость показаний от температуры окружающей среды, невысокий верхний предел измерения. Метод активационных детекторов не оперативен и сложен в эксплуатации.
Применение ионизационных, калориметрических и активационных методов осложнено также большими габаритами реализующих эти методы устройств, затрудняющими их размещение в активной зоне. Зарядовые ДПЗ в настоящее время по степени отработки конструкции и своим метрологическим характеристикам наиболее отвечают требованиям, предъявляемым к внутризонным детекторам, и постепенно вытесняют в системах контроля энерговыделений другие методы контроля.
К основным достоинствам зарядовых детекторов относятся малые габариты, высокая технологически достижимая идентичность, практически неограниченный верхний предел измерения, линейность характеристик, малое выгорание, незначительное влияние фона реактора, широкий диапазон длины чувствительной части, обеспечивающий измерение распределения энерговыделения по радиусу и высоте активной зоны однотипными детекторами, большой ресурс работы, высокие рабочие температуры, простота конструкции и эксплуатации. Тем не менее не следует отвергать и другие методы контроля.
10.5. Ионизационные камеры в системах контроля излучения на АЭС
Существует большое количество ионизационных камер различных типов и конструкций. По режиму работы их можно разделить на импульсные и токовые. Ионизационные камеры, работающие в импульсном режиме, служат для регистрации отдельных частиц и не могут применяться в качестве детекторов для реакторов с мощными потоками γ-квантов и нейтронов.
Токовые ионизационные камеры применяются для измерения среднего ионизационного тока, вызываемого большим числом час-
195
тиц. Они получили широкое распространение в технике внутриреакторных измерений.
По типу регистрируемого излучения токовые ионизационные камеры для внутриреакторных измерений можно разделить на гамма-камеры и нейтронные камеры. В свою очередь, нейтронные камеры делятся в зависимости от типа производящих ионизацию частиц на камеры, использующие α-частицы (обычно борные камеры), осколки деления (камеры деления), протоны (гелиевые камеры).
Конструкции ионизационных камер различаются размерами, формой и расположением электродов, а также наполняющим камеру газом, давлением газа в камере и т.д. Обычно конструкция камеры определяется условиями ее эксплуатации. Наиболее часто используют камеры с цилиндрическими электродами.
Гамма-камеры, применяемые для внутриреакторных измерений, имеют относительно малый объем и окружены твердой стенкой, которая является одним из электродов камеры.
Первичные γ-кванты выбивают электроны из вещества стенки камеры и из газа. Ионизация газа в камере может вызываться электронами, как проникающими в полость из стенок, так и возникающими в газе. Для камер, используемых во внутриреакторных измерениях, действием газа можно практически пренебречь.
Чувствительность гамма-камер уменьшается с увеличением интенсивности излучения, причем эта зависимость является нелинейной.
Для контроля энерговыделения топливных каналов Белоярской АЭС разработаны камеры с двумя цилиндрическими электродами. Корпус (заземленный электрод) представляет собой трубку из нержавеющей стали диаметром 6 мм. Толщина стенки – 1 мм. В корпусвставлен центральный высоковольтныйисобирающийэлектрод из нержавеющей стали диаметром 2 мм. На центральном электроде размещены центрирующие изоляторы из Al2O3 или SiO2 длиной 10– 15 мм с интервалом в пределах активной зоны 100 мм. Вне активной зоны пространство между электродами сплошь заполнено изоляторами. Межэлектродное пространство на протяжении 6 м образует рабочий объем камеры, заполненный аргоном при давлении 0,5–1
196
атм. Общая длина камеры ~13 м. Герметизация камеры осуществляется металлокерамическим изолятором.
К корпусу камеры приварены центрирующие фиксаторы, обеспечивающее аксиальное положение ее в опускной трубке испарительного канала. Камера охлаждается водой первого контура.
Рассмотренная конструкция камеры обладает рядом недостатков, ограничивающих ее широкое применение на АЭС. К ним относятся:
1)инерционность по отношению к энерговыделению;
2)влияние на выходной ток γ-квантов от продуктов распада;
3)невозможность производить точечные измерения;
4)большие габариты;
5)небольшой температурный диапазон;
6)высокое напряжение питания;
7)необходимость предварительной калибровки;
8)нелинейность характеристики.
Основное достоинство гамма-камер – отсутствие выгорания, т. е. постоянная во времени чувствительность к γ-квантам.
Нейтронные камеры. Как уже было отмечено в гл. 9, нейтроны имеют большой пробег в веществе, поэтому их регистрация возможна по вторичным α-частицам, протонам или другим осколкам деления в результате реакции нейтрона с легкими элементами (литий, бор, бериллий). Эти элементы наносятся на катод камеры и излучают заряженные частицы в результате реакции с нейтронами. Эти элементы называются «радиатором». С течением времени, особенно при больших потоках излучения, количество этих элементов уменьшается, что проводит к уменьшению чувствительности камеры. Происходит «выгорание» радиатора.
Камеры с использованием реакций (n, α) (борная камера) и (n, р) (гелиевая камера) во внутриреакторных измерениях практически не применяютсяиз-забольшогоизменения чувствительности вследствие выгорания радиатора. Во всех нейтронных камерах газ ионизируют тяжелые частицы. Такие камеры называются камерами деления.
Целесообразность использования в нейтронных камерах реакции с тяжелыми осколками деления обусловлена рядом причин. Большое количество делящихся веществ позволяет подобрать чувствительность камеры и подходящую энергетическую зависимость се-
197
чения деления, например, близкую к сечению вещества, используемого в качестве топлива в реакторе. Значительный выход энергии на каждый акт деления и малые пробеги осколков деления в газе дают возможность регистрировать потоки нейтронов на фоне значительно больших потоков γ-квантов по сравнению с реакциями
(n, α) и (n, р).
Последнее обстоятельство делает камеры деления удобными приборами для измерения как мощных потоков нейтронов, так и потоков нейтронов на низких уровнях мощности реактора.
Нейтроночувствительными элементами камер деления для измерения потоков тепловых нейтронов служат 233U, 235U, 239Pu, для
измерений потоков быстрых нейтронов используются 232Th, 237Np,
238U.
Максимальное количество делящегося вещества, помещаемого в камеру, должно удовлетворять двум условиям: 1) толщина слоя делящегося вещества радиатора не должна превышать длины поглощения осколков деления в слое; 2) вклад в ток камеры от ионизации α-частицами распада изотопов радиатора должен быть малым по сравнению с рабочим током камеры.
При внутриреакторных измерениях применяют камеры деления цилиндрического типа. Конструкция камеры деления приведена на рис. 10.1. Камера деления имеет два электрода: внешний 1 и центральный 2. Электроды представляют собой два коаксиальных цилиндра. Внешний электрод – отрицательный – является одновременно корпусом камеры. На внутренней стороне внешнего электрода расположен нейтроночувствительный элемент – радиатор 3.
Рис. 10.1. Разрез камеры деления
198
Обычно для радиаторов используют сплав урана с легким металлом (алюминий) или чистый уран, нанесенный на внутреннюю поверхность электрода. Центральный, собирающий, электрод установлен на опорных изоляторах 6. Выводной изолятор 4 впаян в корпус камеры и выполняет одновременно функции герметизирующего элемента. Откачка и заполнение камеры осуществляется через трубку 7. Весьма ответственным узлом, обеспечивающим нормальную работу камеры, является кабель 5 в пределах активной зоны реактора.
Выгорание камер деления с радиатором из 235U составляет значительную величину при реальных потоках излучения, из-за этого характеристики камеры резко ухудшаются.
Эффект выгорания может быть снижен, если в качестве радиатора использовать смеси двух изотопов, первый из которых имеет достаточно высокое сечение деления на тепловых нейтронах, а
второй (неделящийся) при захвате нейтрона переходит в делящийся. На практике применяют смеси: 235U + 238U; 238U +239Pu; 233U +232Th; 235U + 232Th, в которых 232Th и 238U при захвате нейтрона пе-
реходят соответственно в 233U и 239 Pu.
Камеры деления получили значительное распространение в практике внутриреакторных измерений благодаря таким достоинствам, как:
1)высокая чувствительность;
2)практическая безынерционность относительно плотности потока нейтронов;
3)достаточно большой диапазон измерений мощности, особенно при малых мощностях реактора в импульсном режиме.
Основные недостатки камер деления определяются ионизационным методом измерения и нейтронным способом контроля энерговыделения.
К ним следует отнести:
1)значительное влияние на показания камер деления γ-фона реактора, и связанную с этим нелинейность, особенно на низких уровняхмощности;
2)большие габариты;
3)невысокий температурный диапазон (не выше 400–500 °С);
199
4)необходимость высокого напряжения для питания камер, что повышает требования к сопротивлению изоляции;
5)плохую идентичность камер и необходимость предварительной градуировки:
6)ограниченный верхний предел линейности;
7)значительное выгорание, что приводит к необходимости периодической градуировки камер в процессе работы.
10.6. Нейтронныекалориметрические детекторы
Работа нейтронного калориметрического детектора (НКД) основана на генерации термоЭДС теплом, выделяющимся в результате ядерной реакции. Для уменьшения влияния температуры окружающей среды показания рабочей термопары сравниваются с показаниями контрольной, не имеющей нейтроночувствительного элемента.
НКД состоят из:
1)нейтроночувствительиого элемента;
2)элемента, компенсирующего температуру окружающей среды
иγ-фон реактора;
3)теплового сопротивления (теплового барьера);
4)детектора «температуры»;
5)корпуса.
Нейтроночувствительный элемент – элемент, в котором под действием нейтронного облучения генерируется тепло. Он должен иметь:
1)достаточно высокое энерговыделение в объеме чувствительного элемента, обеспечивающее благоприятное соотношение сигнал – фон при работе детектора; при этом следует учитывать, что чрезмерное повышение температуры нежелательно виду нелинейности процесса теплопередачи в этом случае;
2)малые габариты, дающие минимальный конструктивный объем и малую тепловую инерцию;
3)малое выгорание;
4) возможность изготовления воспроизводимых элементов с целью получения высокой идентичности детекторов.
200