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

и т. п. не опубликованы *. Поэтому практически единственным выводом, полученным на основании представленных результа­ тов, является то, что в условиях очень малого падения напря­ жения сопротивление изоляции из окисей магния, бериллия или алюминия несущественно меняется в процессе испытаний и ка­ бель не выходит из строя вследствие вызванных излучением изменений его физических и механических свойств.

Совместное воздействие температуры и излучения па ха­ рактеристики кабелей, предназначенных для эмиссионных детекторов, не исследовалось достаточно подробно. По наблюдениям Льюиса [12] радиационный эффект при высоких температурах проявлялся в увеличении на порядок фонового тока от кабелей с оболочкой из пнкоиеля и изоляцией из окиси магния по сравнению со значениями, которые можно было бы ожидать отдельно при действии излучения пли температуры. Следует надеяться, что современные программы исследований и разработок будут более полными, ибо пока невозможно пред­ сказать фоновый ток кабеля даже для известных условий окружающей среды**.

Применение эмиссионных детекторов. Бета-эмиссионные детекторы по сравнению с ионизационными камерами имеют меньшие размеры, более простые вторичные электронные устройства и более низкую стоимость изготовления. Недостат­ ки этих детекторов: временная инерционность, большая чувст­ вительность к изменениям нейтронного спектра и меньший вы­ ходной ток с единичной длины детектора.

Поскольку детекторы с эмиттерами из родия или ванадия имеют постоянные распада порядка десятков секунд, они не пригодны для систем автоматического регулирования уровня мощности и аварийной защиты реакторов***. Поэтому их при­ менение ограничивается измерением распределений нейтронных потоков. Здесь они конкурируют с системами активации прово­ лок, шариков и газа, способных обеспечить более подробную информацию по пространственным распределениям, но обла­ дающих временами задержки примерно нескольких часов, свя­ занными с большой длительностью процессов активации и из­ мерения наведенной активности.

По сравнению с бета-эмиссионными детекторами электроноэмиссионные нейтронные детекторы обладают преимуществом,

* По соображениям секретности публикация информации о промышлен­ ном реакторе «Саванна Ривер» и испытаниях, проводимых на этом реакторе,

вых токов в металлокерамичеекпх кабелях опубликованы в советской лите­ ратуре [47, 48]. Прим. черен.

*** Возможно, что описанные в литературе [47] аналоговые электронные корректоры позволят использовать бета-эмиссионные детекторы в системах управления и защиты реакторов. Прим. перев.

160

заключающимся в их временной безынерционности, однако они имеют значительно меньшую чувствительность.

Электроноэмиссионные гамма-детекторы по существу не выгорают и поэтому обладают практически постоянной чувст­ вительностью в течение всего срока службы. Кроме того, они нечувствительны к изменениям энергии нейтронов и концентра­ ции делящегося материала, вследствие чего позволяют обычно получать информацию об относительной скорости делений в любой точке реактора без учета изменения концентраций деля­ щегося материала в продолжение срока службы активной зоны реактора*. Сообщалось [13] о хороших результатах, получен­ ных для гамма-детекторов со свинцовыми эмиттерами и алюми­ ниевыми коллекторами, однако конкретные данные об испы­ таниях не приводились. По-видимому, необходимо провести дальнейшие исследования этого относительно нового типа де­ тектора, прежде чем можно будет сделать выводы о возмож­ ности их практического применения.

* Некоторые изменения чувствительности гамма-детекторов к скорости делении могут иметь место вследствие изменения состава делящегося мате­ риала, поскольку выход у-излучения при делениях различных изотопов не­ одинаков [49]. Прим. перев.

вести сравнительную калибровку детекторов различного типа в стандартных условиях и, возможно, калибровку каждого детек­ тора. Стоимость необходимой первоначальной, а возможно, и

этого типа. Слишком тщательная калибровка детекторов может оказаться излишней при проведении относительных измерений энерговыделения в реакторах, содержащих только один деля­

данных, полученных при интегральном потоке, меньшем на по­ рядок, можно показать, что чувствительность в указанном выше случае уменьшилась примерно на 30%. Поэтому точность изме­ рений в течение срока службы детектора должна существенно зависеть от точности определения выгорания материала эмит­ тера.

Нейтронные детекторы с ванадиевым и кобальтовым эмит­ терами работали в интегральном потоке нейтронов 3-Ю2 2 ней­ трон/см2 [11]. Их чувствительность уменьшалась соответствен­

тером, измеренный на оставленном реакторе, возрастал при­ близительно до 0,6% уровня, соответствующего номинальной мощности.

Одна из фирм, сооружающих реакторы с водой под давле­ нием, проведя испытания бета-эмиссионных детекторов с родие­ вым эмиттером и получив при этом в отношении их эксплуата­ ционных характеристик удовлетворительные результаты, вклю­

торые из упомянутых выше проблем. В реакторе с натриевым теплоносителем интенсивность у-излучения обычно значительно выше, чем в реакторах, охлаждаемых водой или газом. Тем­ пература теплоносителя в будущих реакторах на быстрых ней­

162

находиться в быстром или промежуточном диапазонах, в кото­ рых сечения поглощения обычно используемых эмиттерных материалов весьма невелики.

Льюис [12] подсчитал, что детектор с родиевым эмиттером, подобный применяющимся в реакторах с водой под давлением, будучи установленным в любой из быстрых реакторов, преду­ сматриваемых ныне для промышленного производства элек­ троэнергии, генерировал бы сигнал того же порядка, что и фоновый сигнал, возникающий в соединительном кабеле. В свя­ зи с этнм,_зозможно, потребуется применить .методы компен­ сации фоновых токов с помощью кабелей специальной конст­ рукции, таких, как, например, кабели с двумя свитыми в спи­ раль жилами.

Эдварде [17] сообщил, что бета-эмиссионный детектор, тип которого не был указан, давал сигналы противоположной полярности, мгновенно меняющиеся вслед за изменениями мощ­ ности и на порядок превышавшие ожидаемый сигнал.

Очевидно, что для получения дополнительной информации

оработоспособности эмиссионных детекторов, предназна­

ченных для быстрых энергетических реакторов, необходи­ мо проведение эксплуатационных испытаний детекторов в реак­ торах этого типа.

9.3. ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ И СЧЕТЧИКИ ДЕЛЕНИЙ

Описание их технических характеристик было опубликовано Росси п Штаубом в 1949 г. [18]'*. Первые лабораторные образ­

камеры и счетчики были разработаны в связи с созданием судовых энергетических реакторов [19]. В начале 50-х годов в соответствии с другими исследовательскими программами были созданы многие типы ионизационных камер и счетчиков деления со специальными характеристиками, однако эти детекторы не были пригодны для работы в условиях высоких температур. Разработкой ионизационных камер и счетчиков делений, спо­ собных работать в активной зоне, занимались во всем мире в последние десять лет многие национальные лаборатории и про­ мышленные фирмы. В настоящее время в продаже имеются ионизационные камеры и счетчики делений, способные работать

И* 163

конструктивными элементами ионизационной камеры (рис. 9.2) являются высоковольтный электрод, коллекторный электрод, газ между электродами и изолятор, в котором закреплены элек­

цательному электроду, а носители отрицательных зарядов (ноны пли электроны)—к положительному электроду. Скорость пере­ мещения свободных электронов примерно в 1000 раз выше, чем скорость ионов, и, следовательно, свободные электроны будут собираться значительно быстрее. Если диффузия и рекомбина­ ция ионов или электронов незначительны, ток ионизации может быть выражен так:

значение тока ионизации, положительный ток ионов /+ и элек­ тронный ток / - нужно рассматривать отдельно, так как время поступления разноименных зарядов на электроды будет различ­ ным, что играет существенную роль при подсоединении иониза­ ционных камер к импульсному усилителю или при анализе переменной составляющей тока ионизации.

Количество ионов и электронов, собираемых электродами, зависит от приложенного напряжения вплоть до значения, на­ зываемого напряжением насыщения, при котором электрическое поле обеспечивает собирание всех ионов. Напряжение, необхо­ димое для насыщения тока ионизационной камеры, зависит как

164

от плотности ионов в объеме камеры, так и от ее конструкции. Если между уровнем излучения и током камеры необходимо иметь линейную зависимость, ионизационная камера должна работать в условиях насыщения. Поскольку напряжение, необ­ ходимое для обеспечения режима насыщения, увеличивается с возрастанием плотности ионов, характеристики насыщения должны определяться иа наивысшем из ожидаемых уровней излучения.

'Рис. 9.3. Схема ионизационной камеры с ох­ ранным кольцом:

/ — оболочка; 2 — коллекторный электрод: 3 — изоля­ тор; 4 — охранное кольцо: 5 — высоковольтный электрод .

Детальная математическая модель, описывающая работу ионизационных камер и учитывающая рекомбинацию, геомет­ рические факторы, время собирания ионов и т. п., была пред­ ставлена Росси и Штаубом [18] и не будет вновь воспроизво­ диться в данной работе. В дальнейшем предположим, что ток во внешней электрической цепи, представленной на рис. 9.3, состоит из следующих составляющих:

ток /„, генерируемый нейтронными реакциями;

.ток 1у, генерируемый у-реакциями;

ток /р, генерируемый ^-частицами;

ток 1L, обусловленный токами утечки электриче­

ской цепи.

Ионизация наполняющего газа может происходить под дей­ ствием у- или 6-излучения, испускаемого при поглощении ней­ тронов стенками камеры, однако этот процесс имеет низкую эффективность. Поэтому ионизационные камеры, чувствитель­ ные к нейтронам, содержат делящиеся материалы или материа­ лы, испускающие а-частицы в реакциях (п, а). Осколки деления или а-частицы образуют большое число ионов вдоль сравни­ тельно короткого пути. В связи с этим, правильно рассчитанная ионизационная камера способна детектировать нейтроны в при­ сутствии относительно интенсивных полей у-излучения.

165

Поскольку ионизация, вызываемая у-излучеинем, обуслов­ лена вторичными электронами, образующимися в стенках ка­ меры, величина / т может быть приведена к максимуму или к минимуму путем выбора материалов камеры, наполняющего газа, расстояния между электродами и давления газа. (З-частп-

можно менять путем выбора материалов и толщины ее обо­ лочки.

Вводя между двумя частями изолятора, разделяющего вы­ соковольтный н коллекторный электроды, проводник, находя­ щийся под потенциалом, близким к потенциалу коллектора (см. рис. 9.3), можно значительно уменьшить токи утечки между коллектором и высоковольтным электродом. Этот дополнитель­ ный электрод называется охранным электродом или охранным кольцом.

Кабель между ионизационной камерой и регистрирующим прибором также часто снабжается охранным электродом, рас­ положенным между коллекторным и высоковольтным провод­ никами. Обычно небольшая разность потенциалов между кол­

При отсутствии специального устройства, предназначенного для поддержания одинаковых потенциалов на коллекторном и охранном электродах, нижний уровень указанной разности потенциалов определяется падением напряжения на регистри­ рующем приборе. Поэтому между охранным и коллекторным электродами должна быть установлена изоляция с достаточно высоким сопротивлением.

Гамма-компенсированные ионизационные камеры. В тех случаях, когда отношение нейтронной и гамма-чувствительности простой ионизационной камеры недостаточно велико, приме­ няется камера, содержащая гамма-чувствительную секцию, смонтированную в одной оболочке с нейтроночувствительноп секцией, и для получения сигнала, пропорционального нейтрон­ ному потоку, измеряется разность между токами двух секций. Схематическое изображение гамма-компенсированной камеры и соответствующей измерительной схемы представлено па рис. 9.4.

Поскольку невозможно создать идентичные нейтроночувствительные и компенсационные секции и разместить их в од­ ном и том же месте, существует практически верхний предел для повышения отношений нейтронной и гамма-чувствителыю- стей, реализуемых в механически компенсированных иониза­ ционных камерах. В том случае, когда гамма-чувствительная секция обладает несколько большей чувствительностью к у-из- лученню, чем нейтроночувствительная, напряжение на собираю­ щем электроде гамма-чувствительного объема камеры может

166

заключается в том, что доля ионов, собираемых в секции с неполным насыщением, с изменением интенсивности излучения меняется. Правильно рассчитанная ионизационная камера дол­

1

6

Рис. 9.4. Схема гамма-компенсированной иони­

камера; 6' — собирающий электрод-коллектор.

изменениях интенсивности у-чзлучения в пределах нескольких декад.

Уравнение, описывающее разностный ток в схеме, представ­

гамма-чувствительной секциям, а прочие обозначения указаны выше.

При введении ионизационной камеры в нейтронный поток происходит активация материалов ее конструкции, сопровож­ дающаяся ионизацией. При размещении камеры в реакторе ионизация, кроме того, создается у-нзлучением продуктов деле­ ния и конструкционных материалов реактора. Поэтому соотно­

тора па постоянном уровне мощности.

Для ионизационных камер, применяющихся в системах уп­

акты деления. Особенности конструкции данного прибора опре­ деляются характером конкретных измерений (например, изме­ рений абсолютной и относительной величины нейтронного потока или измерений, энергетического распределения), однако основные принципы действия счетчика остаются при этом неиз­ менными. Наиболее существенными конструктивными элемен­ тами счетчика делений (рис. 9.5) являются два электрода (из которых по крайней мере один имеет покрытие из делящегося материала), наполняющий газ и электрическая изоляция.

Внешняя электронная схема рассчитана только на регист­

и при очень высокой интенсивности делений выходной сигнал уменьшается до пуля.

Росси и Штауб [18| описали влияние различных конструк­ тивных особенностей счетчиков и электронных схем на рабочиехарактеристики счетчиков делений и других импульсных иони­ зационных камер. В литературе можно .также найти подробные описания многих специализированных счетчиков ионизирующих излучений и их рабочих характеристик.

Существует значительное различие между исходными крите­ риями проектирования интегральных камер или ионизационных

ствии, к числу пар ионов, обусловленных фоновыми эффектами, тогда как для импульсных камер к максимуму должно быть

том и другом случае, можно легко зарегистрировать с помощью^ соответствующих электронных схем.

168

Методы применения переменного рабочего напряжения. При питании ионизационной камеры постоянным напряжением ток, создаваемый во внешней цепи, плохо поддается обработке и преобразованиям. Если же напряжение питания на электродах камеры периодически меняет свою полярность, то во внешнюю цепь поступает сигнал переменного тока с частотой основной гармоники, равной частоте питающего напряжения. Было ис­ следовано несколько типов ионизационных камер переменного

направлении проводятся некоторые поисковые работы. Краткое описание принципов действия камеры этого типа позволит по­

На рис. 9.6 представлена простая измерительная схема с ионизационной камерон переменного тока, состоящая из иони­ зационной камеры, генератора переменного напряжения, пере­ ходного трансформатора, компенсирующего конденсатора и. усилителя. Компенсирующий конденсатор необходим для ком­ пенсации тока, создаваемого переменным напряжением череземкость ионизационной камеры.

Сначала предположим, что напряжение на выходе генерато­ ра меняется по синусоидальному закону с частотой, при которой полупериод колебаний сравним со временем собирания поло­ жительных ионов, а амплитуда напряжения значительно превы­ шает напряжение насыщения камеры. В этом случае на выходе усилителя наблюдался бы сигнал, аналогичный по форме сиг-

169'