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

всем основным требованиям, не связанным с чисто ядерными эффектами.

9. Разработать программу внутриреакториых испытаний про­ тотипа прибора, если подобные испытания имеют смысл.

10.Постоянно следить за изготовлением и испытаниями про­ тотипа прибора.

11.Если испытания прототипа прибора прошли успешно, то •не допускать конструктивных изменений при изготовлении при­ бора. Сделать все возможное для предупреждения изменении в технологии производства и настаивать на необходимом, но не излишнем контроле качества производства для отбраковки де­ фектных материалов и некачественных изделий.

Каждый из пунктов целесообразно обсудить детально. Экспериментатор должен полностью понимать, что следует

измерять, когда необходим прибор и с какой целью должны про­ водиться измерения. В противном случае он может неправильно судить об относительной важности таких факторов, как точность измерений, надежность работы, срок службы, скорость ответа прибора на возмущения, а также наметить неверную программу конструирования, изготовления и испытаний прибора. Нередко исследователи, которые собираются использовать внутризоипые приборы, имеют довольно слабое представление о проблемах их конструирования и о компромиссах, на которые можно идти при условии обеспечения определенных характеристик прибо­ ров. В связи с этим конструктор должен тщательно выяснить необходимость тех требований к прибору, которые оказывается трудно удовлетворить, для того чтобы быть уверенным в их важности и невозможности снижения этих требований.

ратуры, давления, интенсивности излучений, вибрации, корро­ зии, электромагнитных полей и т. п., которые могут повлиять на •работоспособность прибора. Таким образом, конструктор при­ бора должен стремиться выяснить также дополнительные су­ щественные факторы, которые не упомянуты в исходных требо­ ваниях к прибору.

После уточнения требований к.прибору и окружающих при­ бор условий конструктору необходимо определить основные, •стоящие перед ним проблемы. Инженер, имеющий опыт работы «а реакторе определенного типа, сможет без труда выяснить эти проблемы. Тот же, кто не имеет подобного опыта, должен получить консультации ученых и инженеров относительно осо­ бенностей реактора, в котором будут проводиться измерения. Независимо от имеющегося опыта работы на реакторе инженер должен иметь постоянного консультанта для рассмотрения ос­ новных узлов конструкции прибора, окончательных рабочих чер-

10

тежей и использованных для прибора материалов. Несовмести­

вместе взятые. Весьма возможно, что многие случаи использо­ вания несовместимых материалов были бы выявлены заранее, •если бы до начала изготовления приборов их проекты просмат­ ривались специалистами в различных областях науки и тех­ ники.

Сравнение списка необходимых приборов с перечнем при­ боров, выпускаемых промышленностью, и выбор таких, которые заслуживают детального рассмотрения с целью применения для внутризонных измерений, является довольно трудной задачей.

Однако такая попытка целесообразна, поскольку использова­ ние готового прибора может обеспечить существенную экономию в его стоимости, причем даже в том случае, если прибор опре­ деленного типа успешно работал в аналогичном реакторе, необ­ ходима тщательная оценка незначительных на первый взгляд различий в использовании прибора, которые могут привести в дальнейшем к серьезным последствиям.

На втором месте обьгано стоит поиск нескольких организа­ ций, которые обладают опытом разработки соответствующих приборов и готовы изготовить прототип прибора. Если приоб­ рести необходимый прибор или поручить разработку его другой организации оказалось невозможным, то следует приступить к разработке нового прибора. Стоимость прибора определяется как его особенностями, так и установленными сроками изго­ товления. При этом нецелесообразно идти по пути, который •часто используется, а именно: посылать перечень требований к прибору всем заинтересованным изготовителям и принимать •наиболее дешевое по стоимости изготовления предложение. Счи­ тают, что после изготовления прибор будет соответствовать предъявляемым к нему техническим требованиям. При этомна­ деются, что в случае неудачи останется еще достаточно времени, •чтобы использовать имеющиеся возможности для изготовления прибора.

Стоимость изготовления прибора сравнительно просто оце­ нить в тех случаях, когда аналогичный прибор имеется в про­ даже. Однако такие оценки оказываются весьма трудными, если необходимо сконструировать, изготовить и испытать прототип нового прибора или осуществить обширную программу его раз­ работки. Поскольку стоимость исследований и испытаний часто недооценивается, главный конструктор реактора должен рас­ полагать необходимой оценкой как стоимости разработки при­ бора, так и возможных сроков его изготовления.

Существенная обязанность инженера-прибориста — обеспе­ чить главного конструктора правильной информацией о стои­ мости прибора, сроках его изготовления и вероятности успешното выполнения работы, а также сведениями о влиянии сниже-

11

ння определенных технических требований к прибору на сто­ имость и сроки его изготовления. Руководители проекта, распо­ лагая этими данными, могут решить, соответствуют ли затраты на внутриреакторные измерения сметной стоимости всего проек­ та в целом или целесообразнее внести изменения в конструкцию' реактора, определяемые возможностью проведения таких изме­ рений. Может оказаться необходимой дальнейшая доработка метода измерений до принятия окончательного решения.

После того, как руководством определен план действий, сле­ дует приступить к его выполнению, выпустив документацию на изготовление прибора. Документация может состоять из зака­ за на покупку прибора или из рабочих чертежей и специфика­ ций, для выпуска которых могут потребоваться многомесячные конструктивные проработки. Независимо от сложности докумен­ тации характеристики полученного прибора будут существенно' зависеть от ясности изложенных в ней требований.

Важным этапом разработки прибора является широкая про­ грамма внереакторных испытаний для выявления конструктив­ ных ошибок, неправильно выбранных материалов и дефектов, производственной технологии. Может оказаться нецелесообраз­ ным воспроизводить в одном испытании все внереакторные ус­ ловия работы прибора. В этом случае следует определить те усло­ вия, которые могут быть смоделированы в отдельных испыта­ ниях, без потери ценности полученных результатов. Если срок службы прибора велик, а времени на испытания недостаточно,, то необходимо использовать методы ускоренных испытаний. Ис­ пытания, которые могут привести к разрушению прибора, дол­ жны длиться столько времени, чтобы каждый образец дал мак­ симум возможной информации.

Стоимость испытаний приборов в натурных условиях внутри реактора может оказаться слишком высокой. В связи в этим заказчик должен определить, какие внутриреакторные испыта­ ния могут быть проведены в пределах разумных затрат и.заслу­ живают ли они необходимых усилий. Например, немного пользы будет от испытаний прибора, спроектированного для работы в

Инженер-приборист должен тщательно следить за изготов­ лением и испытаниями прототипа прибора по ряду причин: он может обнаружить неточности рабочих чертежей до окончания изготовления прибора; внести изменения в рабочие чертежи,, чтобы позволить изготовителю избежать непредвиденных труд­ ностей производства; заранее узнать о задержках сроков изго­ товления прибора, которые могут повлиять на всю программу в целом.

12

Заказчики и разработчики обычно склонны вносить изменения в конструкцию или производственную технологию после изго­ товления и испытаний прототипов до начала серийного произ­ водства приборов. Поскольку даже небольшие изменения могут привести к неожиданным результатам, то такие изменения могут

части технических требований. Процедуру исследований и испы­ таний на некачественные материалы и дефекты производства и проверку на соответствие образца техническим требованиям об­ щепринято называть контролем качества. Соответствующий кон­ троль качества существен, но важно сохранить разумное рав­

внутриреакторного прибора может оказаться чрезвычайно высокой.

Задачей контроля качества является выбор нескольких про­ стых испытаний, которые выявили бы большинство дефектов и уменьшили бы частоту выходов прибора из строя до приемле­ мого уровня.

1.5. ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ЗА РАБОТУ ПРИБОРОВ

Что должно служить основой для решения вопроса о нор­ мальной работе прибора или выходе его из строя? Кто должен нести ответственность за приборы? На первый вопрос нетрудно ответить, когда речь в принципе идет о том, работает ли прибор. Если прибор дает необходимые данные в течение требуемого интервала времени и эти данные сказываются полезными, то прибор исправен. Если прибор не дает никаких данных, то он испорчен. Между этими двумя крайними выводами имеется ши­ рокий диапазон различных мнений о недостаточно успешной ра­ боте прибора. На второй вопрос ответить труднее. Но при по­ пытке ответить на него можно выяснить большое значение субъ­ ективных факторов в оценке качества работы внутризонного прибора.

Должен ли руководитель программы или главный конструк­ тор реактора отвечать за нормальную работу внутризонного при­ бора? Ответ, очевидно, положительный. Но каков его вклад в обеспечение работы прибора? Понимал ли он, что включение внутризонных приборов в проект реакторных систем потребует привлечения определенного количества сотрудников соответст­ вующей квалификации для своевременного отыскания или раз­ работки подходящих приборов? Были ли выделены необходи­ мые средства для создания внутризонных приборов? Проявляет ли главный конструктор такой же интерес к разработке прибо­ ров, как, например, к разработке проблем, связанных с топли­ вом или с системой охлаждения?

13

Глава вторая

ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1. ВВЕДЕНИЕ

Взаимодействие излучения с веществом может привести к. изменению его физических, механических, электрических или химических свойств. Часто применяемый термин «радиационноеповреждение» означает изменение в результате облучения мате­ риала одного или нескольких его свойств. Возможность возник­ новения радиационных повреждений налагает специфические требования на оборудование; предназначенное для работы в ак­ тивной зоне реактора.

Нейтроны и у-кванты представляют собой первичную фор­

щество определяет большинство радиационных повреждений,, наблюдающихся в различных материалах. При образовании ра­ диационных повреждений в органических материалах сущест­ венную роль играют протоны, поскольку они возникают в ре­ зультате взаимодействия нейтронов с атомами водорода орга­ нических молекул. В данной главе кратко рассмотрены основ­ ные аспекты взаимодействия вещества с излучениями указан­ ных видов и наиболее характерные радиационные эффекты для группы материалов, применяющихся при изготовлении внутриреакторных приборов.

Эффекты воздействия излучения на материалы могут носить временный или постоянный характер, однако в обоих случаях они способны повлиять на эксплуатационные характеристики внутрнреакторной аппаратуры. Экспериментальные исследова­ ния радиационных повреждений в конструкционных материалах были в основном направлены на получение информации о необ­ ратимых изменениях их свойств, в то время как для элементов электрических схем наиболее интенсивно исследовались времен­ ные изменения. Поэтому оценка воздействия излучения на внутриреакторные устройства часто основывается на данных об ис­ пытаниях различных материалов, проводившихся при относи­ тельно низких нейтронных потоках в течение длительного вре­ мени или за короткие периоды времени в высоких нейтронных

15-

потоках. Задача осложняется тем, что использование многих результатов, представленных в литературе по радиационным повреждениям, вызывает существенные затруднения даже для

специалистов в данной области из-за недостатка информации от­

Рис. 2.2. Оценка радиационной стойкости наиболее распространенных датчиков.

Данные рис. 2.1, полученные на основе анализа, проведен­ ного" в Ю66 г. Информационным центром по исследованию воз­ действий излучения [1], характеризуют область применения в условиях облучения наиболее распространенных материалов и элементов электронных схем. На рис. 2.2 приведены аналогич­ ные данные для различных видов датчиков, полученные в

J6

определяется электронами /(-оболочки атомов поглощающего вещества.

Комптоновский эффект. При упругом взаимодействии фото­ на часть энергии фотона передается электрону благодаря яв­ лению, называемому комптоновским эффектом. Энергию, пере­ даваемую от фотона к электрону, можно рассчитать, если при­ менить к процессу столкновения законы сохранения энергии и импульса, предполагая, что фотон обладает фиктивной массой, равной его полной энергии, деленной на квадрат скорости света. Поскольку фотоны с низкой энергией должны обладать малой фиктивной массой, они способны передать электрону лишь не­ значительную энергию. Данный процесс играет также малую роль и для фотонов с энергией выше 10 Мэв, для которых ос­ новным взаимодействием является процесс образования пар.

Образование пар. В процессе, называемом образованием пар, фотон взаимодействует с ядром, создавая электрон и позитрон. Энергия фотона в этом процессе расходуется полностью, и лю­ бое превышение энергии над величиной 1,2 Мэв, необходимой,

.для образования электрон-позитронной пары, расходуется на увеличение кинетической энергии пары. Позитрон, возникаю­ щий при образовании пары, обычно аннигилирует с электроном, создавая при этом два фотона, разлетающихся в противополож­ ных направлениях и обладающих энергией по 0,51 Мэв. Сечение процесса образования пар возрастает почти линейно с увеличе­ нием энергии, начиная с пороговой энергии 1,2 Мэв вплоть до значений около 10 Мэв и далее, в области энергий выше 10 Мэв растет по логарифмическому закону. Сечение процесса образо­ вания пар пропорционально квадрату атомного номера ядрапоглотителя.

Ослабление и поглощение фотонов. Относительная роль про­ цесса образования пар, комптоновского и фотоэлектрического процессов в ослаблении и поглощении фотонов веществом зави-

18

фотоэлектрическим взаимодействием. На рис. 2.3 отражена от­ носительная роль трех процессов при различных энергиях фо­ тонов и атомных номерах поглощающего вещества.

Коэффициенты поглощения и ослабления могут быть пред­ ставлены по-разному, поэтому важно правильно понимать соот­ ношения между ними. Полный коэффициент ослабления цо яв­ ляется мерой количества первичных фотонов, выбывающих из узкого направленного пучка при поглощении и рассеивании, в то время как коэффициент поглощения служит мерой энергии, поглощаемой средой. Коэффициент поглощения является вели­ чиной, обычно используемой в исследованиях эффектов воздей­ ствия излучения, и существуют следующие соотношения между наиболее распространенными коэффициентами поглощения:

см.21 электрон.

При падении на поглотитель толщиной х коллимированного пучка моноэнергетических фотонов соотношение между интенсивностями падающего пучка и пучка, прошедшего поглотитель, имеет вид:

щенной энергии или мощности дозы. Поэтому приведенные дан­ ные мало применимы в исследованиях явлений, зависящих от концентрации в материалах свободных электронов или элек­ тронных дырок.

Электроны. Процессы, связанные со взаимодействием элект­ ронов с веществом, включают ионизацию, обратное рассеяние ядрами, рассеяние на атомных электронах и образование тор­ мозного излучения. Эти процессы были подробно описаны Ивен-

2* 19

I