книги из ГПНТБ / Боланд Дж. Приборы контроля ядерных реакторов (внутризонные)

Глава девятая

ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКОВ НЕЙТРОННОГО И у-ИЗЛУЧЕНИЯ

9.1.ВВЕДЕНИЕ

Приборы для измерений нейтронного потока, применявшиеся в системах управления и защиты первых реакторов, располага­ лись либо вне корпуса реактора, либо во введенных в корпус реактора охлаждаемых измерительных каналах. Поскольку размеры активных зон этих реакторов по высоте и диаметру составляли -~ 1 м, достаточно было иметь небольшое количест­ во нейтронных детекторов, размещенных вблизи оболочки кор­ пуса реактора. При увеличении размеров реактора внезонные детекторы становились нечувствительными к локальным всплес­ кам нейтронного потока или энерговыделення, и мощность ре­ актора необходимо было ограничивать таким образом, чтобы неконтролируемые всплески энерговыделення не приводили к

тельным мотивом к разработке нейтронных детекторов, позво­ ляющих проводить измерения внутри активных зон энергетиче­ ских реакторов.

Высокая стоимость и сложность охлаждаемых измеритель­ ных каналов также были одной из причин разработки высоко­ температурных нейтронных детекторов. Технологические приемы изготовления виутризонных детекторов и высокотемпературных детекторов имеют много общего, а их разработка проходила почти одновременно.

Поскольку в течение многих лет специалисты по ядерной физике уже применяли для измерений нейтронных полей в кри­ тических сборках, работающих на весьма низких уровнях мощ­ ности, методы активации фольг и проволок, то аналогичные методы могли бы быть распространены и на энергетические реакторы, чтобы избежать определенных затруднений, возни­ кающих при использовании детекторов с электрическим выход­ ным сигналом.

Приборы, основанные на применении актпвационпых мето­ дов, не пригодны для использования в системах управления и защиты, однако они позволяют регистрировать медленные из­ менения нейтронных полей в реакторе, что может дополнить информацию от детекторов с электрическим сигналом.

151

рое он создаст в характеристиках реактора, таких, как нейтрон­ ный поток и поток теплоносителя.

9. Необходимость получения информации о подробных рас­ пределениях или дискретных значениях распределений изме­ ряемых параметров.

10. Требования, предъявляемые к специальному оборудова­ нию для манипуляций с топливом и к взаимосвязи детектора

сдругим реакторным оборудованием.

11.Необходимость внесения поправок, связанных с компен­ сацией выгорания, ядерными переходами или изменениями, концентрации продуктов деления.

12.Требования, предъявляемые к первоначальной и перио­ дической калибровке.

Значение каждого фактора в различных практических при­ менениях существенно зависит от типа реактора.

Дюбридж [2] в 1962 г. исследовал возможность применения:

использовать измерения потоков нейтронов и уизлучения и что не существует серьезных препятствий для дальнейших разрабо­ ток ионизационных камер и тепловых детекторов, предназна­ ченных для этих измерений *.

9.2. ЭМИССИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Детекторы, входящие в данную категорию нейтронных и гамма-детекторов, создают под действием излучения в резуль­ тате испускания высокоэнергетических электронов положитель­ ный заряд на одном из электродов и поэтому не нуждаются во внешнем источнике напряжения.

Эти детекторы основаны на трех первичных эффектах:- 1) захват нейтронов и 6-распад; 2) захват нейтронов, сопро­ вождаемый мгновенным испусканием у-кваитов и эмиссией из возбужденных ядер высокоэнергетических электронов; 3) комптоиовская и фотоэлектронная эмиссия, сопровождающая погло­

кации в апреле 1960 г. 1<азарелли [4] описал почти идентичный прибор в работе, опубликованной в 1963 г. Хилборн 15] разра­ ботал действующий образец прибора для внутрнреакторных измерений. Детекторами Хилборна часто называют бета-эмис-

* В докладе Дюбриджа рассматриваются принципы действия внутризониых ионизационных камер и термонентронных детекторов и содержится также большое количество уравнений, связывающих параметры, используемые при проектировании приборов этого тина для контроля мощности реактора.

153

•сиоыные нейтронные детекторы с керамическими диэлектриче­

что сигналы or коаксиальных кабелей, подвер­ гаемых воздействию у-излучения, наблюда­ лись ранее многими исследователями.

количества атомов эмиттера, изменений степени самоэкранироьання и изменений поглощения нейтронов атомами примесей в

J54

Так как другие поправки на выгорание обычно малы, а

Лузмор и Нил [6] получили уравнения для расчета эффек­ тов самоэкранировки и подавления нейтронного потока приме­ нительно к этому типу детекторов, а также представили чис­ ленные результаты расчетов для родиевых эмиттеров.

Если детектор находится в постоянном нейтронном потоке в течение времени, значительно превышающего период полу­ распада активных ядер эмиттера, его выходной сигнал описы­ вается выражением

1(f) ^КаШ0ехр (—каЩ. (9.3)

Если материал эмиттера имеет несколько ветвей радиоак­ тивного распада и содержит первоначальные примеси, обла­ дающие относительно высокими нейтронными сечениями или переходящие в материалы с высокими сечениями, уравнения, описывающие изменение сигнала во времени, становятся зна­ чительно сложнее. Паразитные электроны, создаваемые при реакциях в материалах коллектора, изолятора или оболочки, могут также усложнить временные характеристики этого типа детекторов.

Принцип действия электроноэмиссионного нейтронного де­ тектора. Основные элементы конструкции электроноэмиссион­ ного нейтронного детектора идентичны элементам конструкции бетаэмнсспонного детектора, (см. рис. 9.1). В результате внутренней конверсии у-квантов, рождающихся при захвате нейтронов ядрами материала, из которого изготовлен цент­ ральный электрод (кобальт, скандий или кадмий), испуска­ ются комптоновские и фотоэлектроны. Часть этих электронов вырывается из эмиттера и окружающей его изоляции, создавая на центральном электроде положительный заряд. Поскольку у-кванты испускаются за очень короткое время ( Ю - 1 4 сек для кобальта), временная реакция детектора мгновенна. Электроны, испускаемые в других процессах, таких, как [З-эмиссия, должны

паразитными электронами, испускаемыми коллектором, изоля­ цией или оболочкой.

Принцип действия электроноэмиссионного гамма-детектора.

Основные конструктивные элементы электроноэмиссионного гамма-детектора идентичны конструктивным элементам бетаэмиссиоипого нейтронного детектора. Внешнее у-излучение, по-

155

глощаемое и рассеиваемое эмиттером, создает комптоновские электроны и фотоэлектроны, а эмиссия части этих электронов создает иа эмиттере положительный заряд аналогично описан­ ной выше р-э миссии.

Очевидно, что доля сигнала, обусловленная фоновыми про­ цессами, в частности испусканием р-частиц, должна быть невелика, в противном случае детектор становится чувстви­ тельным как к нейтронному, так и к у-излучению. Кроме того, фоновые электроны, генерируемые коллектором, изоляцией и материалами внешней оболочки, могут усложнить временную

торы любой необходимой длины, и к настоящему времени успеш­ но испытаны образцы с рабочей длиной от 3 до 20 см |6, 9|. Внешние диаметры наиболее распространенных детекторов со­ ставляют 1,2—3 мм при диаметрах эмиттеров 0,5—1 мм. Тол­ щина изолятора обычно равна 0,2 мм. Детектор и соединитель­ ный кабель в основном изготавливаются как единое целое либо путем приварки короткой секции из эмнттерного материала к центральному электроду кабеля перед окончательным изготов­

материалами для эмиттеров. Родий обеспечивает высокую чув­ ствительность и малый период полураспада, однако родиевый эмиттер требует внесения больших поправок на выгорание при длительной работе детектора в высоких нейтронных потоках.

Выбор материалов эмиттера обычно определяется макси­ мально возможной длиной детектора, его рабочей температурой и величиной минимального сигнала, превышающего все пара­ зитные эффекты.

Наиболее распространенным материалом оболочки служит нержавеющая сталь, однако для этой цели можно использо­ вать любой материал, обладающий сравнительно низким сече­ нием взаимодействия нейтронов по отношению к_ паразитным реакциям.

При эксплуатации детектора и кабеля в непосредственном контакте с реакторным теплоносителем материал, выбранный для их внешних оболочек, должен быть совместим с теплоно­ сителем. Если детектор и кабель предполагается использовать

356

Т а б л и ц а 9.1

Характеристики материалов эмиттеров

бе'з защитной трубки или в соседстве с материалами, способ­ ными эмиттировать значительный ток, то для снижения наво­ димого в этом случае паразитного тока может оказаться по­ лезной относительно утолщенная внешняя оболочка.

Основными изоляционными материалами, применяющимися

вэмиссионных детекторах, являются высокочистые окиси

стик экспериментальные данные имеются, по-видимому, только для детекторов с изоляцией из окисей алюминия и магния. Очевидно, что для обеспечения приемлемого сопротивления изо­ ляции при высоких температурах необходимо тщательно кон­ тролировать отсутствие влаги и примесей в керамических изо­ ляторах.

Поскольку по размерам и использующимся материалам эмиссионные детекторы весьма похожи на снабженные оболочкой и минеральной изоляцией термопары, в последних разработках для производства детекторов предусмотрена тех-

нологня, аналогичная применяющейся для изготовления термо­ пар *.

Соединительные кабели для эмиссионных детекторов. Радиационные фоновые токи, генерируемые в кабелях, со­ единяющих детекторы с регистрирующей аппаратурой, заслу­

у-полях, может быть по величине на несколько порядков боль­ ше, чем рабочая длина детектора. Поэтому для снижения оши­ бок, возникающих из-за фоновых токов в простых коаксиальных кабелях, часто необходимо использовать специальные кабели и регистрирующие системы. В одном из экспериментов к аппа­ ратуре, предназначенной для усиления разности токов, подклю­

в поле излучений вокруг своей оси наблюдались [6] периоди­ ческие изменения результирующей разности токов от двух жил, достигающей половины некомпенсированного сигнала от одной жилы. В противоположность этому кабели, содержащие две жилы, свитые в спираль с шагом 2 см, дают на два порядка меньший разностный сигнал по сравнению с сигналом, наблю­ давшимся от близкого по диаметру простого коаксиального

магния в потоке нейтронов 1014 нейтрон/(см2-сек) и при мощ­

Вольт-амперная характеристика родиевого детектора, со­ единенного с таким же кабелем и помещенного в такое же поле излучений, имела идентичный наклон, но при этом была сме­ щена на постоянную величину по отношению к кривой, соот­ ветствующей только одному кабелю. Таким образом, ионизация газа в даЧшом детекторе не давала заметного вклада в наблю­ даемый ток.

Коаксиальный кабель, облучавшийся в алюминиевой защит­ ной трубке, генерировал фоновый ток, в два раза превышавший ток, наблюдавшийся во время аналогичного облучения в защит-

* Впервые результаты испытании бета-эмнссиоиных детекторов, изготов­ ленных методом последовательного волочения, были опубликованы в совет­ ской литературе [47]. Прим. перев.

158

ной трубке из нержавеющей стали [6J. Этот эксперимент,, очевидно, указывает на то, что фоновые токи, наблюдаемые при облучении коаксиальных кабелей, зависят как от материалов, примыкающих к оболочке кабеля, так и от материалов самой

тания коаксиальных кабелей с оболочкой из инконеля, изоля­ цией из окиси магния, бериллия и алюминия, предназначенных

нию изоляции. К сожалению, данные по длине кабеля, гради­ ентам нейтронного потока вдоль кабеля, температуре кабеля.

159