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

где Ф(7) —зависящий от времени поток нейтронов; а,- — микро­ скопическое сечение деления; А/"—число атомов делящегося ве­ щества; с — удельная теплоемкость элемента из делящегося ве­ щества; q — количество тепла, поглощаемого элементом из де­ лящегося вещества; К — постоянная, связывающая выходное напряжение с температурой; U — выходное напряжение термо­ нейтронного датчика.

Очевидно, что такой идеальный термонейтронный датчик из­ готовить невозможно, поэтому необходимо идти на компромисс по пути внесения поправочных множителей в показания датчика. Ниже рассмотрены эффекты, вносимые пендеальиостыо изготов­ ления термонейтронного датчика.

Если элемент из делящегося вещества слишком большой, то эффект самоэкранирования приведет к тому, что на поверхности будет происходить больше делений, чем в центре, а также бу­ дет иметь место теплообмен между поверхностью и внутренней частью элемента.

Если элемент очень мал. то его теплоемкость будет мала по сравнению с остальными прикрепленными к нему материалами датчика, и потеря тепла через проволочки термопары приведет к значительным погрешностям измерений. Поскольку величина самоцкранирования зависит от сечения поглощения элемента из

от назначения прибора. Максимальный диаметр сферического элемента из 2 3 5 U не должен превышать 0,4 мм, если термо­ нейтронный датчик будет использоваться для измерении пото­ ков тепловых нейтронов.

Проволочки термопар, прикрепленные к элементу из деля­ щегося вещества, должны быть очень тонкими, чтобы предотвра­ тить значительные потери тепла. Если термонейтронный датчик смонтирован внутри вакуумированной колбочки, то этим исклю­ чены потери тепла конвективным путем, поэтому остается рас­ смотреть только передачу тепла окружающим элементам излу­ чением. Поскольку потеря тепла излучением пропорциональна четвертой степени разности температур излучающей и погло­ щающей сред, то разность температур между термонейтронным датчиком и окружающей его средой должна быть мала. Сле­ довательно, необходимо заранее осмыслить ожидаемое в каж­ дом конкретном случае соотношение температура — время для окружающих сред до начала проектирования термонейтронного датчика.

Если теплоемкость элемента из делящегося вещества зави­ сит от температуры во всем диапазоне температур, то в фор­ мулу (10.1) надо ввести еще один поправочный множитель. При условии, что фазовых изменений не происходит, поправку найти легко, если воспользоваться выходными данными термопары. Фазовых изменений следует избегать, поскольку они вносят

200

разрыв в соотношение, связывающее время, температуру и энергию.

Если проволочки термопары приварены к элементу из деля­ щегося вещества, то следует учесть, что эффективная теплоем­ кость некоторой части делящегося вещества возрастет и темпе­ ратуры в соответствующих спаях проволочек элемента окажутся, различными. Это должно привести к" погрешностям в показа­ ниях максимальной температуры и нарушению известной зависи­ мости температура — время.

Никаких трудностей с выходным термоэлектрическим сиг­ налом из-за нелинейной зависимости от температуры не возник­

элемента из делящегося вещества и проволочек микроскопиче­ ских размеров приводит к необычным проблемам в сварочном производстве, требующим специальных методов сварки и спе­

к нагреву у-излучением не зависит от времени в течение какоголибо периода переходного процесса и если необходимо получить данные только об относительном числе делений, то у-компенса- цня не нужна. Однако нагрев термонейтронного датчика запаз­ дывающим у-излучением может оказаться значительным, на­ пример при длительных измерениях. - -у-Компенсацию можно осуществить, устанавливая эталонный элемент без делящегося вещества и измеряя разность выходных термоэлектрических сигналов обоих-элементов. Очевидно, что можно написать фор­ мулу, аналогичную формуле (10.1), которая свяжет поток у-излучения с выходным напряжением термопары. Детальное изучение различия между нагревом у-излучением элементов с делящимся веществом и без него даст надежную оценку степени у-компенсации, которую можно осуществить в данном экспе­ рименте.

Поскольку сечения деления различных делящихся материа­ лов зависят от температуры, то влияние этого явления на интер­ претацию данных термонейтронных детекторов следует рас­ сматривать еще во время проектирования, особенно, если деля­ щийся материал для термонейтронного датчика отличается от материала топливного элемента, а данные термонейтронного дат-

201

чика должны быть связаны с быстроменяющимся во времени числом делений в топливном элементе.

Выходное напряжение термонейтронного датчика должно быть относительно велико, чтобы уменьшить погрешности, ко­ торые могут вноситься токами ионизации, а также неточностями при измерениях малых сигналов. Для повышения выходного на­ пряжения группу термонейтрониых датчиков и эталонных эле­

пользуются для измерений спектров в критических сборках пли энергетических реакторах. Если батарею термонейтрониых дат­ чиков покрыть кадмием или другими материалами для полу­ чения спектральных данных, то относительная чувствительность элементов из делящегося вещества и эталонных элементов к у-излучению, испускаемому при захвате нейтронов покрытием, должна быть рассчитана весьма тщательно.

Экспериментальные данные, полученные с помощью термо­ нейтронных датчиков. Моррисон и Стнллман [22] опубликовали данные о термонейтрониых датчиках, конструкция которых по­ казана на рис. 10.2. Ниже приводятся результаты, взятые из их работы. Элемент из делящегося вещества в их опытах представ­

полученных с помощью фотоэлемента, обычно используемого для

тареи термонейтронных датчиков. Из этих данных следует, что временная характеристика термонейтронного датчика хорошая, но что полученные с помощью фотоэлемента данные могут не обеспечить достаточной индикации формы вспышки, особенно

202

после прохождения пика мощности. Поэтому необходимо, чтобы полученные с помощью термонейтронного датчика результаты в действительности близко следовали за формой вспышки, най­ денной из расчетов. Ясно, что термонейтронный датчик может дать хорошие данные о форме вспышки только в очень коротких

, г , , •

Время, мкеек

Рис. 10.3. Временная характеристика тер-моней- трошгого датчика по сравнению с результатами, полученными с помощью фотоэлемента на реак­ торе Moly—Q:'

/ — д и ф ф е р е н ц и а л от выходного напряжения термоиептронного датчика, нормированный на пиковое значение показании фотоэлемента; 2— сигнал фотоэлемента .

переходных процессах. Каких-либо сведений об измеренных тер­ монейтронными датчиками абсолютных уровней нейтронных по­ токов или полной выделившейся энергии нет.

На реакторе SPERT-4 использовались термонейтронные дат­ чики, изготовленные приваркой проволочек толщиной 0,0127 мм

точно хорошо описывают выделение энергии в течение 75% вре-

203

мени от начала процесса. На конечной стадии процесса суще­ ственную роль начинают играть потери тепла.

О перспективах развития термонейтронных датчиков. Термонейтрониый датчик является сравнительно новым прибором и пока серийно не выпускается. До некоторой степени можно на­ деяться, что удастся спроектировать элементы из делящегося вещества гораздо больших размеров, заключенных в вакуумированные капсулы, потери тепла из которых будут малы во время переходных процессов, длящихся несколько минут. Тон­ кий чехол тепловой защиты, изготовленный из того же мате­

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.King L. P. P. Description of the KIWI-TNT Excursion. Trans, /\tner. NucL Soc. 1965, vol. 8, p. 126.

4.Olsen H. S. Radiation Effects on Electronic Systems. N.Y., Plenum Press, 1966, p. 148.

5.Freund G. A. e. a. Desing Summary Report on the Transient Reactor Test

204

1962, p. 92.

19.Boland J. F. and Kirn F. S. Radiation Effects on Pressure Transducers, in Idaho Division Summary Report July, August, September 1960. USAEC Report No. ANL-6301, Argonne National Laboratory, p. 88.

20.Morrison R. G. and Stillman D. B. Fission Couples Applied Toward Reactor Diagnostics and Safety. USAEC Report No. LA-3470-MS, Los Alamos Scientific Laboratory, April 1966, p. 20.

21.Quarterly Technical Report STEP Project, July 1966 to September 1966.

22.Morrison R. G. Application of Miniature Intrinsic Thermocouples for Reactor— Transient Diagnostics. USAEC Report No. LA-3313-MS, Los Alamos Scientific. Laboratory, June 1965.

28.Kessler W. E. and Weydert L. N. Jr., Snaptran-2 Destructive Test Results. USAEC Report No. IDO-17194, Phillips Petroleum Company, January 1967.

205

Глава одиннадцатая

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

11.1.ВВЕДЕНИЕ

Впредыдущих главах было описано измерительное обору­

дование, применяемое в основном для реакторов всех типов. В данной главе предполагается рассмотреть некоторые измери­ тельные устройства, разработанные для реакторов конкретных типов, и осветить ряд проблем в области измерительной техники, для решения которых недостаточно модернизации существую­ щих чувствительных элементов, а требуется создание новых ме­ тодов измерений.

11.2. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРОСОДЕРЖАНИЯ В КИПЯЩИХ ВОДЯНЫХ РЕАКТОРАХ

Объемная доля пара и весовое паросодержание являются основными параметрами, которые определяют при исследовании статистических и динамических характеристик кипящих водя­ ных реакторов, и поэтому для их измерения разработано не­ сколько различных методов.

Тахометрический метод измерения расхода. Тахометрические расходомеры для измерений объемного и весового паросодержання в технологических каналах или кассетах активной зоны идентичны приборам, описанным в гл. 7. При установке тахо-

ния (7.1), применяющаяся для определения весового паросо­ держания, имеет следующий вид [1]:

207

пара в условиях насыщения; V; — удельный объем воды при определенной температуре и давлении.

Поскольку весовые расходы на входе п выходе должны быть равны,

Объемное паросодержание связывается с весовым таким соотношением:

Следовательно, при известных входной температуре и давлении показания расходомеров могут быть использованы для опреде­

друга и помещенными в двухфазный поток. Уменьшение паро­ содержания приводит к пропорциональному снижению актив­ ной и реактивной составляющих полного импеданса, таким об­ разом, векторная сумма этих составляющих будет пропорцио­ нальна паросодержанию.

фазной смеси, проходящей между электродами. В качестве ре­ гистрирующего прибора может использоваться любая схема, пригодная для измерений полных сопротивлений в цепях пере­ менного тока.

208

Первоначальный прибор внешним диаметром 4 см, длиной 3 см, применявшийся для измерений паросодержания на реак­ торе HBWR, имел пять цилиндрических электродов. Расстоя­ ние между электродами составляло 5 мм, а электрическое со­

бусинок, негерметизированный со стороны прибора,[7]. Кабель, применявшийся в первоначальных приборах, имел со стороны прибора герметичные проходные металлокерамические изолято­ ры. Соединения металла с керамикой выходили из строя, что приводило к отказу приборов вскоре после установки их в ре­ актор HBWR. Кабель новой конструкции потребовал снижения электрического сопротивления прибора, что было достигнуто пу­ тем увеличения количества и длины электродов. Потеря давле­ ния однофазного теплоносителя на новых приборах в три раза превышает аналогичную величину для старых приборов.

Поскольку электропроводность воды зависит от темпера­ туры и количества примесей, импедансный измеритель паро­ содержания применялся на реакторе HBWR только для дина­ мических измерений объемного паросодержания. При установ-