Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

Для уменьшения выгорания в НКД применяют невыгорающие компоненты (из двух и трех компонентов), аналогичные применяемым в камерах деления.

Компенсацию температуры окружающей среды осуществляют, сравнивая показания температуры нейтроночувствительного элемента с температурой окружающей среды (корпус детектора), измеряемой отдельной термопарой.

Для компенсации энерговыделения от γ-фона реактора термопару сравнения помещают в элемент, по своим свойствам аналогичный нейтроночувствительному, но не поглощающий нейтроны. Генерация тепла от γ-квантов в компенсационном и нейтроночувствительном элементах одинакова, что позволяет одновременно компенсировать температуру окружающей среды и γ- фон реактора.

Тепловое сопротивление. Через тепловое сопротивление осуществляется расхолаживание нейтроночувствителного элемента калориметрического детектора. Основные требования, предъявляемые к этому элементу детектора:

1)обеспечение линейности показаний детектора в возможно больших пределах изменения температуры окружающей среды и плотности потока нейтронов;

2)минимальная инерционность;

3)воспроизводимость этого элемента при изготовлении;

4)неизменность свойств под влиянием работы в активной зоне. Термопары, обычно используемые для измерения температуры в

калориметрических детекторах, обладают рядом преимуществ по сравнению с другими измерителями температуры. Наибольшее применение для внутриреакторных измерений получили хромельалюмелевые термопары. Для получения достаточной чувствительности НКД при малом разогреве нейтроночувствительного элемента, что обеспечивает линейность детекторов, как правило, применяют последовательное соединение нескольких термопар.

Корпус детектора должен обеспечить прочность и герметичность конструкции при малых габаритах. Должны быть приняты меры по уменьшению радиационного нагрева корпуса и минимальному поглощению в нем нейтронов. Простейшая конструкция НКД представлена на рис. 10.2.

201

Рис. 10.2. Схема НКД

Железо-константановая термопара 1 измеряет тепло, генерируемое при реакции деления в уран-алюминиевом сплаве 2, приваренном к алюминиевому чехлу 3 термопары. Изоляция термопары – окись магния. Тепло от горячего спая передается посредством теплопроводности как вдоль чехла термопары, так и через газовый промежуток. Кроме того возможна передача тепла конвенцией и излучением, поэтому характеристика детектора нелинейна. Разность температур измеряется двумя термопарами. Вторая термопара находится на корпусе 4.

10.7. Активационные детекторы

Метод активационных детекторов основан на измерении активности, наведенной в образце при облучении его потоком нейтронов. Обычно используется реакция с наведенным γ-излучением, но могут использоваться реакции с наведенными излучениями протонов и α-частиц.

Метод активационных детекторов применяется для абсолютного и относительного определения плотности потоков тепловых нейтронов, а также для получения информации о спектре нейтронов в реакторе. Чтобы измерить плотность потока нейтронов по этому методу, детектор помещают в то место реактора, где предполагается провести измерение плотности потока нейтронов, облучают его в течение фиксированного времени, затем извлекают и определяют наведенную в нем активность. По наведенной измеренной активности находят относительную и абсолютную плотность потока нейтронов.

202

Основная особенность метода активационных детекторов – разделение процессов активации и измерения как во времени, так и в пространстве, что позволяет обеспечить нормальные условия для измерительного комплекса и, следовательно, высокую точность измерений.

По агрегатному состоянию используемые детекторы можно разделить на твердые, жидкие и газообразные.

Материалом твердых детекторов могут быть золото, индий, марганец, медь, кобальт, сера, фосфор, лютеций и т. д. Твердые активационные детекторы используются в виде фольги, проволоки, шариков. Фольги применяются главным образом при исследовательских работах на реакторах.

Для технологического контроля используются обычно твердотельные активационные детекторы в виде проволок или шариков, которые позволяют измерять относительное распределение плотности потока нейтронов приемлемой точностью. Кроме того они позволяют сделать более простые системы перемещения детекторов. Установка состоит из измерительной проволоки, механизма перемещения, блока измерения активности проволоки, устройств защиты.

Использование активации стальных шариков (с 54Мn в качестве активируемого вещества) позволяет обеспечить большую точность фиксации перемещающего устройства при одновременном упрощении его конструкции. В реакторе АЭС в Обрихейме (ФРГ) имеется 30 каналов для введения стальных шариков диаметром 1,5 α-частицы. В трубках диаметром 2 мм шары перемещаются с помощью сжатого воздуха. Время облучения – 5 мин.

Жидкостные активируемые детекторы позволяют вести непрерывный мониторинг контролируемой величины – распределения мощности по реактору или его общей мощности. В последнем случае можно измерять наведенную активность теплоносителя реактора, которая прямо пропорциональна мощности реактора.

Показания прибора, регистрирующего γ-кванты в выбранном месте первого контура вне реактора, не зависят от положения стержней управления и выгорания топлива. Точность измерения определяется точностью поддержания и измерения расхода по одному контуру. Подбором места расположения детектора и его защиты можно опреде-

203

лять плотность потока нейтронов в пределах двух декад мощности реактора. Следует отметить инерционность метода, связанную со скоростью движения теплоносителя (аналогично теплотехническому способу).

Использование активации теплоносителя для определения распределения плотности потока нейтронов (энерговыделения) по объему активной зоны затруднено из-за отсутствия приборов, измеряющих расход теплоносителя в отдельных участках зоны, и практического распространения неполучило.

Использование газовых активируемых детекторов для контроля плотности потока нейтронов на энергетических реакторах затруднительно.

10.8.Зарядовыедетекторы

Взарядовых детекторах для измерения ионизирующих излучений используется заряд, возникающий в результате переноса заряженных частиц: либо первичных, либо образующихся под действием ионизирующего излучения. В зависимости от вида заряженных частиц различают: электронные зарядовые детекторы; зарядовые детекторы, использующие α-частицы; зарядовые детекторы, использующие протоны; зарядовые детекторы, использующие осколки деления.

Нейтронный ДПЗ состоит из эмиттера, коллектора и разделяющего их диэлектрика. Для эмиттера используют материалы, в которых под влиянием нейтронного облучения образуются заряженные частицы. Уходя с эмиттера и собираясь на коллекторе, эти частицы создают разность потенциалов. Определяемый ею ток пропорционален плотности потока нейтронов в месте установки детектора.

Взависимости от режима работы зарядовые детекторы разделяется на:

1) детекторы прямого заряда (ДПЗ), представляющие собой источники тока, разность потенциалов на электродах которых создается за счет использования кинетической энергии заряженных частиц;

2) детекторы с принудительным собиранием заряженных частиц под действием внешнего напряжения питания.

204

Зарядовыми детекторами с принудительным собиранием являются вторичные электронные умножители, некоторые типы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), обладающие чувствительностью к γ-излучению, а также вакуумная камера деления. Практического применения для внутриреакторных измерений они не получили.

ДПЗ представляет собой генератор тока, причем непосредственно измеряется ток короткого замыкания. Использование ДПЗ в режиме короткого замыкания определяет целый ряд преимуществ этого метода. К ним относятся значительное снижение требований к сопротивлению изоляции детектора, что позволяет использовать ДПЗ при высоких температурах, и относительно малое влияние помех на работуизмерительного прибора с малым входным сопротивлением.

При работе ДПЗ часть ядер эмиттера активируется и образует другие ядра, которые не реагируют на нейтроны, т. е. происходит выгорание материала эмиттера и уменьшение чувствительности детектора со временем.

Конструкция нейтронных ДПЗ состоит из эмиттера, коллектора, изолятора и линии связи.

Эмиттер ДПЗ генерирует электрические заряды под действием нейтронного излучения. Выбор эмиттера определяется, во-первых, ядерной реакцией, которая происходит в его материале при взаимодействии с нейтронами, типом и энергией эмиттируемых им заряженных частиц, и, во-вторых, его технологическими и электрическими свойствами и радиационной стойкостью. Эмиттеры активационных ДПЗ, предназначенных для измерения тепловых нейтронов, приготавливаются из родия, серебра, ванадия. Родий подучил в настоящее время наибольшее распространение, так как имеет большое сечение активации и высокую энергию вторичных частиц, что обеспечивает хорошую чувствительность родиевых ДПЗ. Кроме того, родий как благородный металл обладает высокой коррозионной стойкостью, а также высокой температурой плавления (1960 °С).

Серебро и ванадий применяются реже из-за меньшей чувствительности и коррозионной стойкости.

Коллектор ДПЗ – его второй электрод, который обычно заземляется. Кроме того, он служит герметизирующим элементом детек-

205

тора. Конструкционные материалы, применяемые в качестве коллекторов ДПЗ, должны обладать:

1)достаточной коррозионной и механической стойкостью, обеспечивающей длительную работу в условиях активной зовы реактора;

2)совместимостью с материалами, с которыми он контактирует

вреакторе;

3)малым сечением взаимодействия с нейтронами, чтобы вносить минимальные возмущения в поток нейтронов реактора;

4)количество образующихся в элементах конструкции заряженных частиц, дающих вклад в ток ДПЗ, должно быть много меньше числа испускаемых эмиттером заряженных частиц;

5)материал должен быть достаточно технологичным и доступ-

ным.

Практически все требования, кроме п. 4, аналогичны требованиям, предъявляемым к обычным конструкционным реакторным материалам, которые и используются при создании элементов конструкции ДПЗ. К ним относятся нержавеющая сталь, алюминий и его сплавы, никель и его сплавы.

Детали детектора соединяются при помощи сварки и пайки твердым припоем, Резьбовые и другие прижимные соединения не употребляются, поскольку не обеспечивают герметичности и надежного электрического контакта в условиях активной зоны реактора. Последнее связано с тем, что интенсивное окисление металлов под действием ионизирующих излучений нарушает электрический контакт в месте соединения. Следует отметить, что сварка предпочтительнее пайки, так как в месте спая образуются электрохимические пары и возможна коррозионная неустойчивость материала в этом месте.

Изолятор детектора отделяет коллектор от эмиттера. Изолятор ДПЗ должен:

1)обеспечивать высокое сопротивление при малых толщинах изолятора;

2)быть достаточно радиационно- и термостойким;

3)обладать малым сечением взаимодействия с нейтронами;

4)не эмиттировать значительного количества (по сравнению с эмиттером) заряженных частиц;

206

5)пропускать заряженные частицы, испускаемые эмиттером;

6)быть достаточно технологичным и доступным.

Изолятором может быть вакуумный или газовый промежуток или твердый диэлектрик.

Применение в малогабаритных детекторах газового или вакуумного промежутка приводит к значительным конструкционным и технологическим затруднениям, так как размер межэлектродного зазора не превышает долей миллиметра. Кроме того, ввиду большого сечения фотоэффекта и комптоновского эффекта для γ- квантов с малой энергией при использовании в качестве диэлектрика вакуума или газа резко возрастает чувствительность детектора к реакторному γ-излучению. Этот эффект становится особо существенным в детекторах с малой нейтронной чувствительностью, например ванадиевых. Поэтому в качестве изоляция в ДПЗ применяют твердый диэлектрик, обладающий высоким электрическим сопротивлением, а также высокой радиационной и термостойкостью. Твердый диэлектрик препятствует протеканию обратного тока в детекторе, обусловленного вторичными электронами, выбитыми из материала коллектора. Последние имеют небольшую энергию и полностью задерживаются тонким слоем диэлектрика. Для изоляции в ДПЗ обычно применяют неорганические диэлектрики.

Наиболее радиационностойкими диэлектриками являются Al2O3, MgO, SiО2. Они выдерживают большие потоки нейтронов и используются в качестве диэлектриков в ДПЗ.

Конструкция ДПЗ приведена на рис. 10.3. Эмиттером служит родиевая проволока диаметром 0,8 мм, линией связи – кабель КТМС-2 с изоляцией из окиси алюминия и оболочкой из нержавеющей стали.

Рис. 10.3. Схема ДПЗ

Для изоляции эмиттера применяется капилляр из кварца, запаянный с одного конца. Коллектор – трубка из нержавеющей стали

207

диаметром 11,8 мм. Она припаивается к оболочке кабеля твердым припоем. К другому концу коллектора припаивается проволока для протягивания детектора в канал малого диаметра.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 10

1.Как измеряется энерговыделения атомного реактора?

2.Зачем измеряется энерговыделение в активной зоне реактора?

3.Какую информацию об энерговыделении может дать детектор, расположенный вне активной зоны реактора?

4.На каком принципе построен теплотехнический способ измерения энерговыделения реактора?

5.Какие недостатки имеет теплотехнический способ измерения энерговыделения реактора?

6.Какие виды ядерного излучения используются для измерения энерговыделения реактора?

7.Каково назначение «радиатора» в детекторе нейтронов?

8.Перечислите основные требования к детекторам внутриреакторного контроля энерговыделения.

9.Объясните принцип действия детектора с переносом заряда.

10.Как работает калориметрический детектор?

208

11.ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

11.1.Единицы измерения световых величин

Величины, относящиеся к световому измерению. Эти вели-

чины могут оцениваться двояко: по количеству энергии (энергетическая фотометрия); с учетом производимого зрительного впечатления (визуальная фотометрия).

В энергетической фотометрии используются следующие величины:

-энергия излучения Q – испускаемая или принимаемая энергия, измеряется в джоулях.

-поток излучения Ф – мощность излучения dQ/dt, измеряется в ваттах.

-сила излучения I – поток излучения в единичном телесном угле, измеряется в Вт/ср;

-энергетическая яркость L – сила излучения с элемента поверхности dA в заданном направлении, отнесенная к площади ортого-

нальной проекции dAn этого элемента на плоскость, перпендикулярную указанному направлению, выражается в Вт/(ср.м2);

-энергетическая облученность Е – поток излучения, падающий

на элемент поверхности, отнесенный к площади этого элемента (Е = dФ/dA), измеряется в Вт/м2.

В визуальной фотометрии речь идет о количественном выражении световых величин с учетом зрительного впечатления. Относительная чувствительность глаза ν(λ) к различным монохроматическим излучениям представлена кривой на рис. 11.1.

Аналогично различные величины в визуальной фотометрии при монохроматическом излучении оцениваются умножением соответствующей энергетической величины на коэффициент 683ν(λ). Так, поток излучения в визуальной фотометрии Фв(λ) будет равен Фв(λ) = = 683.Ф(λ) лм, где Ф(λ) – поток излучения на длине волны λ, Вт.

Для непрерывного по спектру излучения полный поток

λ1 ν(λ)dΦ

Фв = ∫ dλ

λ2 dλ

получаются другие величины.

209

Рис. 11.1. Зависимость чувствительности глаза от длины волны света

В табл. 11.1 перечислены все основные фотометрические единицы.

Характеристики оптических датчиков. Выходной величиной оптического датчика обычно является электрический ток.

Темновой ток – это ток на выходе датчика, помещенного в темноту и находящегося при определенных условиях питания. Он зависит от температуры, подвержен флуктуациям, связанным с собственными параметрами и определяет нижний предел регистрации сигнала.

Чувствительность S – это отношение изменения выходной величины ∆I к изменению измеряемой величины ∆Ф: S = ∆I/∆Ф. Чувствительность выражается в А/Вт, А/лм или А/лк.

Спектральная чувствительность S(λ) – это чувствительность датчика на длине волны λ. Кривая спектральной чувствительности

210