автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Исследование дефекторов прямой зарядки и развитие методов их использования на ядерных реакторах



0 «Й

оссиискии научный центр

"КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ" Институт Ядерных Реакторов

удк 621.039.58.33.35.05 На правах рукописи

ШИКАЛОВ Владимир Федорович

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРОВ ПРЯМОЙ ЗАРЯДКИ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ

05.11.10 - Приборы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские пг шоры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Российском научном центре "Курчатовский институт", в Институте ядерных реакторов

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук,

профессор Ю.В.Сивинцев

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук,

профессор МИФИ А.В.Бушуев

Кандидат технических наук, РНЦ КИ Е.Д.Высотский

Ведущая организация:

Государственное научно-производственное предприятие "Квант"

Защита состоится " " 1998 г. в час.

На заседании специального Совета

при Российском научном центре "Курчатовский институт", 123182, г.Москва, пл. академика.Курчатова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт".

Автореферат разослан " "

1998 г.

Ученый секретарь

Специализированного

С.И.Коняев

Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Появление первых промышленно изготовленных детекторов прямого заряда (ДПЗ) в середине 60-х годов совпало с планами бурного развития атомной энергетики в нашей стране и открывало хорошие перспективы в решении задач контроля и управления АЭС и на ядерных установках различного назначения. Перспективность использования ДПЗ определялась их высокой термо- и радиационной стойкостью, надежностью конструкции, малыми габаритами и физической определенностью основного сигнала. Сдерживающим фактором на пути широкого использования ДПЗ была малая, для измерительной техники того периода, величина сигнала и отсутствие ориентированных на такие детекторы средств преобразования и измерения этих сигналов.

Исследование ДПЗ, как источника сигнала, и разработка требований к аппаратуре для задач контроля, управления и диагностики ядерных реакторов является основной целью данной работы.

Актуальность данной работы продиктована возрастающими требованиями к безопасности АЭС в целом и к системам контроля в частности. Исследование качества измерения сигналов ДПЗ и поиск путей его повышения открывают новые возможности в решении задач контроля и управления. В частности, появляются возможности обеспечения контроля локального энерговыделения и, соответственно, повышения уровня безопасности реакторных установок, что стало особенно важным после аварии на Чернобыльской АЭС. Наряду с этим повышение точности измерений создает условия реализации экономически оптимальных режимов эксплуатации активных зон.

1

Целью работы являлось исследование ДПЗ с эмиттером из родия, разработка и практическое внедрение новых и усовершенствованных методик измерения и преобразования их сигналов и расширение возможности применения этих детекторов для задач контроля, управления и диагностики ядерных реакторов.

Научная новизна. Впервые экспериментально исследованы характеристики ДПЗ, применяемых в реакторах типа ВВЭР, обеспечившие научно-техническое обоснование и разработку требований к средствам измерения их сигналов. При этом изучены:

-составляющие сигнала и чувствительность к различным видам излучения;

-влияние возмущений в цепи измеряемого сигнала на надежность и качество измерений;

-динамические характеристики. Впервые разработан комплекс программно-аппаратных средств для коррекции инерционности родиевых ДПЗ, который обеспечил быстродействие на уровне, требуемом для систем управления и защиты. Созданы математические модели, проведены исследования на моделях и демонстрационные эксперименты по управлению реакторами ВВР и ИРТ-2000 от локальных внутризонных ДПЗ с эмиттером из родия. Разработан комплекс программ коррекции для перспективных систем внутриреакторного контроля (СВРК).

По результатам выполненных исследований предложен и реализован уникальный метод специальных диагностических исследований на начальном этапе работ по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС (ЛПА на ЧАЭС). На основе опыта работ на ЧАЭС, впервые предложен метод и средства контроля при запроектных авариях.

2

Практическая ценность работы состоит в том, что выполненные исследования позволили разработать и создать несколько разновидностей и поколений устройств измерения и преобразования сигналов ДПЗ для систем внут-риреакторного контроля АЭС с ВВЭР и исследовательских реакторов. В частности, обеспечено научно-техническое сопровождение при вводе в эксплуатацию и передаче СВРК аэс "Ловиза" в Финляндии. Совершенствование этих средств в части чувствительности и быстродействия продолжается до настоящего времени и ориентирорано на выпуск в составе перспективных СВРК.

Особую практическую ценность представляет уникальный метод и средства на базе ДПЗ, впервые обеспечившие в мае 1986 г. на аварийном блоке ЧАЭС установление непрерывного наблюдения за основными параметрами топливосодержащих масс в подреакторных помещениях разрушенного блока. Полученный опыт рекомендован для внедрения в проекты будущих АЭС в качестве метода и средств контроля и диагностики при запроектных авариях и авариях с расплавлением активной зоны.

Основные результаты, представляемые к защите:

1. Результаты исследований характеристик ДПЗ, важных для обеспечения качества измерения их сигналов.

2. Методы и средства коррекции инерционности родиевых ДПЗ.

3. Результаты и опыт диагностических исследований при аварии на 4-м блоке Чернобыльской АЭС. Рекомендации по методу и средствам контроля при запроектных авариях на АЭС.

Личный вклад автора. Приведенные в диссертации исследования проведены лично автором или при его активном и непосредственном участии. В совместных работах автору принадлежат исследования поискового плана и их практическая реализация в реакторных условиях, особенно в аппаратурно-технической части исследований и проведении измерений.

Основные публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 16 печатных работах. Список наиболее значимых приведен в конце автореферата. Основные результаты докладывались на конференциях, рабочих совещаниях и семинарах по темам контроля управления и диагностики на АЭС как внутри страны, так и за рубежом, в частности, на:

- 2-ой научно-технической конференции стран-членов СЭВ "Контроль и управление ядерными реакторами и атомными электростанциями", Варшава, 1973 г.;

- 16-ом симпозиуме специалистов ВМК по физике ВВЭР, Москва, 1987 г.;

- 5-й международной рабочей группе ШМ1Ш'94, Кельн, 1994 г.

Кроме того, по диссертационной теме проведен ряд семинаров в ИЯР РНЦ "Курчатовский институт".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами в конце каждой из них. Работа изложена на 106 стр. машинописного текста, включая 31 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дан краткий историко-аналитический обзор по теме работы, обоснована актуальность, сформулированы цели, перечислены положения и результаты, представляемые к защите, и дано краткое изложение основного содержания диссертации.

Глава 1. Токообразование в ДПЗ с эмиттером из родия.

В первой главе рассмотрены физические принципы токообразования в ДПЗ с эмиттером из родия, с учетом данных о таких детекторах, накопленных к моменту начала исследований.

Основная особенность исследований состояла в необходимости получения собственных данных о детекторах, предназначенных для работы в системе внутриреакторного контроля АЭС "Ловиза" в Финляндии, выбор которых был осуществлен финскими специалистами, т.к. паспортные данные не полностью отражают набор параметров, необходимых для проектирования СВРК. Параллельно с целью расширения знаний и совершенствования отечественных СВРК были исследованы и отечественные детекторы ДПЗ с эмиттером из родия.

Как зарубежные, так и отечественные ДПЗ показали хорошее соответствие основной компоненты сигнала активации распаду изотопов Ю4Шг и 104шШ1. На рис.1 представлена схема активации и распада и соответствующее ей уравнение токообразования при воздействии на детектор потока нейтронов.

I(J) = ek\Nx (/) + аек(стх + cr2)n0(t)

^L = -ZlNl(t) + X2N2(t)+crin0(t) clt

dN

^ = -Wt) + a2n0(t)

здесь I(t) - ток эмиттера, e - заряд электрона, k - геометрический коэффициент, и Хг- постоянные распада изотопов Rh104 й RhU04m соответственно, cri, сгг - сечения образования изотопов Rh104 и RhI04m, Ni(t) и N2(t) - концентрации изотопов Rh104 и Rh104m в эмиттере, п - количество ядер Rh103 в эмиттере, 0(t) -поток нейтронов, а - коэффициент, учитывающий мгновенный вклад в ток ДПЗ при действии нейтронов.

Рис.1 Схема активации и распада 104Rh и

соответствующее ей уравнение токообразования

В процессе исследований была определена величина мгновенной компоненты сигнала родиевых детекторов и коэффициент а в различных условиях работы детекторов

где 1игн - мгновенная составляющая;

Такт. - активационная составляющая.

В результате серии проведенных экспериментов установлено, что на реакторах ВВЭР-440 доля мгновенной составляющей тока детекторов составляет (8,5 ±0,3)% для отечественных ДПЗ-1П и (6±2)% для канадских детекторов "Reuter Stokes" и зависит, в основном, от диаметра эмиттера. Нейтронная природа части мгновенной составляющей связана с первой фазой взаимодействия ядер родия с нейтронами - ny-реакцией с последующим взаимодействием гамма-излучения с материалами детектора и образованием электронов. Чувствительность детекторов к нейтронному потоку была измерена на реакторе Ф-1 в стандартизованном потоке нейтронов. При этом активационная составляющая в сигнале детекторов выделялась методами быстрого извлечения из потока с последующей регистрацией и обработкой сигнала и при быстром падении потока нейтронов после сброса аварийной защиты. Для учета спектральных особенностей было определено кадмиевое отношение и при этом так же выделялась активационная составляющая. Установлено, что при кадмиевом отношении 6,6±0,3 величина чувствительности к нейтронному потоку отечественных ДПЗ-1М составила (1,33±0,07)10"21 Асмс; ДПЗ-1П -(2,10±0,12)' 10"21 А'см'с; канадских детекторов фирмы "Reuter Stokes" - (1,18±0,07)'Ю"21 А'см'с, что хорошо совпадает с данными изготовителей.

В диссертации рассмотрены результаты взаимной калибровки и разброс партии однотипных детекторов по чувствительности к стандартному потоку нейтронов, что позволяет производить, при необходимости, отбраковку готовых изделий. Известная чувствительность детектора к измеряемому воздействию позволяет определить ожидаемую величину сигнала и требования к аппаратуре.

В реакторах ВВЭР при работе на номинальной мощности максимальная величина сигнала для типовых детекторов с длиной эмиттера 100-250 мм составляет единицы микроампер, что в условиях промышленного использования выдвигает очень серьезные требования к аппаратуре. Прежде всего речь идет о чувствительности и помехозащищенности. Для разных задач эти требования существенно отличаются и на практике используется принцип достаточности для конкретной цели. В условиях длительной эксплуатации детекторов на таких больших объектах, как ядерные реакторы, возникает проблема появления ложных сигналов. Ак-тивационная природа основного сигнала ДПЗ позволила сформулировать высоконадежный критерий отбраковки ложных сигналов. Ток родиевого ДПЗ, обусловленный воздействующим на него нейтронным потоком, не может быстро измениться на величину, превышающую долю мгновенной компоненты. Поэтому для СВРК с ДПЗ-1П в качестве критерия достоверности регистрируемых через короткое время токов детекторов можно установить, что последующее измерение не должно отличаться от предыдущего на определенную величину, то есть:

где 1К, 1к+1 - последовательные моменты измерения сигнала ДПЗ.

Сигнал ДПЗ не накладывает собственных ограничений на величину контролируемого потока нейтронов и является примером широкодиапазонного детектора, возможности применения которого ограничиваются параметрами измерительной техники. Знание основных констант - постоянных распада Я[> - позволяет проводить проверку

средств измерения при работе в системах. Для этого достаточно обработать сигнал ДПЗ на соответствие этим константам, например, после быстрого падения мощности при срабатывании системы аварийной защиты.

Кроме нейтронной составляющей в состав мгновенной компоненты сигнала детектора входит составляющая, которая обусловлена гамма-излучением, действующим в месте расположения детектора. Поскольку между плотностью потока нейтронов и мощностью дозы гамма-излучения, действующих в местах расположения детектора, не всегда имеется простое соответствие, чувствительность родиевых детекторов к гамма-излучению была исследована отдельно. Для этого использовали поле выгоревшего топлива реактора МР, поле облучательной установки МРХ с источником 60Со и ферросульфатные дозиметры. В процессе исследований особое внимание было уделено зависимости чувствительности от спектра гамма-излучения.

Установлено, что для родиевых детекторов с диаметром эмиттера 0,5 мм, изоляцией из АЬОз и оболочкой из инконеля диаметром 1,0 мм и толщиной 0,2 мм чувствительность к гамма-излучению в поле выгоревших твэлов выражается константой

Сг = 2,9' 10"18 А' см^/Рчас"1.

Стремление минимизировать размеры эмиттера для увеличения числа точек измерения по высоте активной зоны реактора сопровождается на практике относительным

9

увеличением составляющей сигнала от линии связи, находящейся в зоне облучения. Типовые линии связи детекторов ДПЗ-1П и детекторов "Reuter Stokes" были исследованы в реакторах ВВЭР-440. В диссертации приведены подробные данные о величине этих сигналов и их зависимости от глубины погружения в активную зону, от мощности реактора и обогащения ядерного топлива кассет, в которых расположен детектор. Так же определено расхождение сигналов при использовании линий связи на основе термопарного кабеля КТМС-2(ХА) вследствие активации материала одной из линий. Полученные данные имеют чисто прикладное значение для СВРК реакторов ВВЭР. Показано, что при использовании в качестве линий связи кабелей с компенсационными линиями из однородных материалов и дифференци-.альных схем измерения сигналов ДПЗ влияние токов линии связи можно свести к пренебрежимому. Исследования на малых уровнях сигналов особенно с применением измерительных средств, имеющих потенциальный вход, выявило необходимость изучения ДПЗ как источника сигнала для согласования его с измерительным устройством.

Глава 2. Исследование влияния возмущений в цепи измеряемого сигнала.

В этой главе описаны результаты исследований возмущений в измерительной цепи ДПЗ. При измерениях сигнала ДПЗ существенную роль может сыграть их внутреннее сопротивление. Наличие напряжения на входе измерительного преобразователя или на преобразующем токовый сигнал элементе неизбежно приводит к возникновению токов утечки через внутреннее сопротивление детектора. Как показали многочисленные экспериментальные исследования, величина внутреннего сопротивления детекторов имеет широкий разброс. Для ДПЗ-1П при работе в реакторе

10

ВВЭР значение внутреннего сопротивления различных образцов лежит в диапазоне от 105 до 109 Ом. Кроме того, внутреннее сопротивление зависит от температуры. Применяемые методы оценки влияния величины внутреннего сопротивления связаны с введением возмущения в измерительную цепь. При отработке методов измерения внутреннего сопротивления было установлено наличие остаточных явлений после введения возмущений в измерительной цепи, как при включении источников напряжения, так и при включении последовательного сопротивления, сравнимого с внутренним сопротивлением ДПЗ.

Особую важность эти исследования обрели в связи с принятием решения об использовании величины внутреннего сопротивления в качестве критерия гарантийной ответственности фирмы-поставщика и как учитываемого параметра для обеспечения точности измерения сигнала родиевых ДПЗ на АЭС "Ловиза" в Финляндии.

Специально разработанная программа исследований, включавшая помимо канадских детекторов SPND, постав-' ляемых фирмой "Reuter Stokes", и детекторы ДПЗ-1П отечественного производства, была реализована на Нововоронежской АЭС.

В диссертации приведены первичные экспериментальные данные, описаны зарегистрированные переходные процессы, оценена погрешность выполненных измерений.

В результате этих исследований для условий реальной эксплуатации получены величины внутреннего сопротивления и собственной емкости для детекторов на основе кабелей с изолятором AI2O3 и изолятором MgO.

При завершении программы был смоделирован режим обрыва и последующего восстановления измерительной цепи. Такой режим с неопределенной вероятностью может возникнуть при реальной эксплуатации, например.

при случайной расстыковке и последующем подключении разъемов, или при случайной потере и восстановлении контакта. При подобных случаях на детекторе с учетом его емкости С с постоянной времени тг устанавливается напряжение холостого хода Цхх-

Основные результаты, как первичные, так и полученные после обработки, приведены в табл.1. В ней использованы следующие обозначения: /о - ток детектора, -

измеренное внутреннее сопротивление детектора, Ядов. -последовательное добавочное сопротивление в цепи, иуст. -установившееся напряжение, т - измеренная постоянная времени при заряде, Л - эквивалентное сопротивление цепи, С - емкость ДПЗ (цепи), тё - постоянная времени ДПЗ при обрыве цепи, - ожидаемое напряжение на ДПЗ при обрыве измерительной цепи.

Существенным результатом работы является тот факт, что все использованные детекторы, как ЭРЫ О, так и ДПЗ-1П (всего 16 штук), через определенное время после обрыва восстановили и в дальнейшем сохранили свою работоспособность. Полученные в исследованиях номограммы и эмпирические формулы установления сигнала детекторов при различной величине и продолжительности воздействия в цепи измеряемого сигнала позволяют оценивать влияние этих возмущений на качество измерений для конкретных выбранных схемных и системных решений.

Таблица 1.

Результаты измерений (верхняя табл.) и расчетов (нижняя табл.) параметров ДПЗ при возмущении цепи измеряемого

сигнала.

Обозначение детектора ¡0, МкА Л т. мОм Кдгб.. ГОм "уст.. В г, сек

ЯЬ-П 1,160 1980 1 772 15,8

ЯК-12 1,35 1310 1 767 12,7

ЯЫЗ 1,25 1150 1 660 13,66

ЯЫ4 1,128 970 1 556 13,23

И1-22 1,153 1460 1 685 14,1

Ш1-23 1,025 1130 1 543 13,8

Ю1-24 0,9 870 1 420 13,38

ЯЬ-31 0,275 15 0,1 3,6 0,26

ЯЬ-32 0,876 150 0,1 52,2 0,93

Ю1-33 1,1 16,9 0,1 15,6 0,245

ЯЬ-34 1,318 12,8 0,1 14,7 0,337

ЯЬ-35 1,022 5 0,1 4,9 0,102

ЮьЗб 0,95 8,45 0,1 7,3 0,194

Обозначение детектора & - мОм С=- лш нФ сек Ц» — 'о * К, В

ЮьП 600 26,3 39,5 1740

ЯМ 2 504 25,2 25,6 1372

ЯЫЗ 456 29,9 25,1 1046

415,5 31,8 22,6 802

Ш-22 532,7 26,5 30,2 1314

ЯЬ-23 530 26,0 29,4 1158

ЯЬ-24 399,4 33,5 22,:3 598

КА-31 13,2 19,7 0,3 4,2

ЯЬ-32 56,7 16,4 2,15 115

яь-зз 14,4 17,0 0,286 18,5

аь-34 12,2 27,6 0,38 18,3

Ш1-35 4,73 21,6 0,107 5,1

1111-36 5,6 34,6 0,205 5,6

Глава 3. Коррекция инерционности ДПЗ с эмиттером из родия.

Сигнал ДПЗ с эмиттером из родия вследствие своей активационной природы изменяется во времени в соответствии с постоянными распада Я,], кг основных токообра-зующих изотопов. Это обстоятельство накладывает ограничения на заманчивые возможности использования родиевых ДПЗ в некоторых системах управления и защиты. Однако хорошее знание констант и качественное математическое описание токообразования в детекторах, а так же применение аппаратурных и методических средств выделения основного сигнала позволяют создать средства коррекции инерционности. Эти возможности улучшаются в связи с наличием в составе сигнала родиевых ДПЗ быстрой компоненты, связанной так же, как и активационная, с нейтронами и гамма-квантами реакции деления. В диссертации приведены расчеты аналоговых моделей и схема аналогового корректора инерционности.

Основное уравнение токообразования для задачи моделирования было преобразовано: активационная составляющая тока принята равной 1, тогда мгновенная составляющая соответствует а. Для исключения членов, не зависящих от времени, введена замена переменных:

Ф, (0 = екп(ах + ст2)(1 + а) Ф(0. Здесь - формализованный (нормированный) нейтронный поток. Остальные обозначения, как нарис.1.

Для исключения из системы констант введена еще одна замена переменных:

М,(1) = екЫ,М, М2(1) = екЫ2(0. М](0, Мэ(0 - формализованные (нормированные) зна-

чения концентрации ЯЪ104 и ИЬ104"1, соответственно.

В результате система уравнений токообразования в ДПЗ приняла следующую форму:

0,(0 = 4—(0+ —ДО;

а а

М\Ц) = -л,[1+ ]М,(0+ЛМ2(0+ , /(0;

а(а{+с-2) а(а,+а2)

М\ (о = М, (0 - ЛМ2(0 + т.

а(сг, +сг2) а(сг,+ сг2)

Это уравнение было решено для нескольких видов типовых изменений сигнала во времени: единичный скачок (падение), линейное изменение, синусоидальное изменение. С учетом громоздкости полученных конечных формул, с целью исключения ошибок, аналитические решения были выполнены несколькими известными математическими методами с последующим приведением к единому виду и сравнением полученных результатов. Соответствующие выкладки приведены в тексте диссертации и приложении к ней. В частности, для сигнала, моделирующего падение аварийной защиты, то есть быстрого падания плотности потока нейтронов, зависимость тока детектора от времени

/(0 = + -- *"")]

1 + сс (^-^Хсг. + ст,)

была применена при расчете элементов аналоговой модели и аналогового корректора.

Полученные результаты были использованы специализированным подразделением РНЦ "Курчатовский институт" для разработки и создания типовых электронных блоков аналоговой коррекции родиевых ДПЗ (типа БНТК-1А). Вместе с модификациями выпущено несколько десятков блоков для работ, проводимых на АЭС и исследовательских реакторах. В процессе исследований были реализованы демонстрационные эксперименты по управлению мощностью исследовательских реакторов ИРТ-2000 и ВВР по сигналам родиевых ДПЗ. Параллельно с разработкой аналоговых корректоров решена задача программной коррекции. Быстрый рост возможностей средств вычислительной техники и практическое снятие ограничений по емкости оперативной памяти, быстродействию и решению задач преобразования, сделали актуальной и целесообразной разработку программных средств. Такая задача была решена с учетом возможности изменения отдельных констант и параметров, что позволяет применять программу как для современных, так и для перспективных СВРК.

На рис.2 приведены примеры контрольных проверок качества работы программы для вариантов современной и перспективной СВРК.

Использование программных средств коррекции инерционности сопряжено с дискретным представлением исходных данных. При этом необходимо учитывать специфические динамические ошибки, особенно при работе с сигналами малого уровня, появляющиеся вследствие дифференцирования исходного сигнала. Величина этой ошибки зависит от разрядности представления сигнала и снижается соответственно уменьшению уровня квантования.

Лмст11 Лист2] Дй5т11 вечШ^«.-1

< - . ....................... г;-*/» "»шгаяшт Я»*г.>гяч па «

РГЗГ?

ОК(Ш*

1 <лг Ф^рЯЯ л ' • Кор^е^ом ДЙЗА^»«^

Сохранит*

ингагрир »1 шаг* мсц«11 >

1»чисябшлгйвинг«грнрг_-___•_____

..................-ЬвМТао

-2.000СОООО 1.05785519 11,03102242 ,45,02837758 |£|1

О.ОООООСЮО.....11501.33465 ....¡«9325922 0.13325322..„.;

2.00000000 .10-97121490......10.11462103 . 0.11402133.....I.

4.00000000 0.33385327 , 0.04341065 ; 0,04341065 :

600000000 091133190......!0Л1в2136Э......0.01921369.......;

8 00000000 . .0.38763011. .„,0.06740075..... 0.067,40075.....!

10 00000000 . [0,85867367 „ 1050085338 ¡ 0.00885338 „| 12.00000000.. 0.83325741......,0.00465540......0.00465540

.к- начально«

ЪЪкц ' <> 14 00000000 0.81080804 . ¡003670325 .0ХГ3670326 - ---г.'т-.^и --------

Поток усг»

г* ¿Г

Ь-ШШГ ИКГ«ГР05»«П ;

. Срейпе« сгтиломониа от токе

дд^д ¡0 02733336

азпаск! Д Панол^Е^меаГ" .**' ||йУРю>со»р.-.....

а)

лисг.1

. ..........—«уим а«шашшшшшвшжмЯпВЯ^^ячш 1 ■ щ»|Ц_|Ц| щ >«■>»щиЛм■ намI #с»,-

Ср«от«в отшкиаии» ел^^СаМтш* ] 0 02643343 \ ^

|ДП»СК1 ЯПанад.М«ао«Ы_| РгоЬяжщ.»

б)

Рис. 2. Примеры работы программы коррекции для современной а) и перспективной б) СВРК

17

Глава 4. Использование ДПЗ при контроле и диагностике на начальном этапе ЛПА на 4-м блоке ЧАЭС.

В четвертой главе описаны результаты исследований, выполненных с применением родиевых детекторов при диагностическом обследовании на начальных этапах ЛПА на ЧАЭС.

Результаты исследований компонентного состава сигнала родиевых ДПЗ и возможностей разделения этих составляющих, а также технологические возможности изменения конструкции, геометрии и применяемых материалов расширяют возможности использования этих детекторов для решения различных задач.

Подобные возможности были с успехом использованы при решении задач диагностического обследования разрушенного вследствие аварии 4-го блока Чернобыльской АЭС. По совокупности воздействующих факторов (радиация, температура, разрушения, агрессивные среды) только ДПЗ оказались применимыми на первых этапах диагностических обследований. Гибкость технологических процессов, применяемых при изготовлении ДПЗ и зондов из них, сделала возможным в течение считанных дней создать несколько различных зондов и мобильную аппаратуру. Их использование позволило определить одно из важнейших мест нахождения топливных масс в подреакторном пространстве (помещение 305) и уже в мае 1986 г. установить непрерывный контроль за температурой, мощностью дозы гамма-излучения и плотностью потока нейтронов.

Зонд на основе интегрального ДПЗ с эмиттером из родия длиной 5 м и двух термопар хромель-алюмель, разнесенных по длине сборки на ~5 м, был установлен во вскрытый сливной коллектор СУЗ, проходящий по периметру

подреакторного пом.№ 305. Соединительные линии на первом этапе были выведены в пом.№ 307/5, где в зоне относительно невысокой радиации и возможного кратковременного нахождения специалистов была размещена специально разработанная для этой цели мобильная диагностическая аппаратура. Возможность осуществлять перемещение зонда по длине коллектора позволила провести измерение распределения мощности экспозиционной дозы (МЭД). Особое место в работе заняла интерпретация измеренных сигналов. Так, отсутствие в сигнале запаздывающих компонент с характерными для активации родия постоянными времени явилось доказательством отсутствия в зоне размещения родиевого эмиттера нейтронного излучения, превышающего чувствительность использованных средств измерения (<10~12 А ). Кроме того, контроль за величиной внутреннего сопротивления детектора, которая в процессе измерения составляла >ЮпОм, обеспечивал возможность в тех же пределах пренебрегать возможными токами утечки.

В результате задача интерпретации сигнала была сведена к восстановлению распределения МЭД гамма-излучения по длине трубопровода. На рис.3 приведено распределение полученного поля гамма-излучения, совмещенного с разрезом по оси "Л". Полученные величины МЭД, оцененные по имевшимся данным о чувствительности родиевых ДПЗ к гамма-излучению, однозначно указали на наличие топливных масс в юго-восточном квадранте помещения 305. Оставленный в сливном коллекторе диагностический зонд послужил вместе с мобильной аппаратурой основой для переданной в эксплуатацию временной системы контроля топливных масс в подреакгорном помещении 305. В период с 12 июня 1986 г. по 16 июля 1986 г. с помощью

• 28,00

Рис.3. Распределение полей гамма-излучения, совмещенное с разрезом по оси "Л" 20

этого зонда осуществлялся контроль спада активности и изменения температуры в зоне обнаруженного скопления топливных масс.

Отсутствие наблюдаемых переходных процессов при перемещении зонда указало на соответствие сигнала изменению поля гамма-излучения, воздействующего на детектор. В общем виде ток ДПЗ описывали следующим выражением:

Щ) = с]фп{1)с11+Сг\рг№+В,

о о

где Сп и Сг- чувствительность к нейтронному и гамма-

излучению соответственно; Ф„(/) и Р7{1)~ распределения

потока нейтронов и МЭД гамма-излучения; /- глубина погружения зонда (от точки начала отсчета); В- другие составляющие сигнала.

Наличие в зонде термопары позволяло контролировать температуру в месте расположения детектора и по ее величине судить о возможных изменениях сигнала детектора вследствие температурного воздействия.

Накопленный при работах на аварийном блоке опыт эффективного применения родиевых ДПЗ и методов выделения и регистрации сигналов различной физической природы позволил рекомендовать его для применения в проектных решениях АЭС для диагностики и контроля случаев чапросктиых аварий. Совокупность важных свойств, в частности

• термостойкость выше 1000°С;

• радиационная стойкость без ограничений;

• механическая прочность;

• устойчивость к воздействию агрессивных сред; были положены в основу предложения о включении

в проект АЭС специальных комбинированных зондов на основе ДПЗ с размещением их, например, в области подре-акторной "ловушки". Принципиальная схема такого зонда приведена на рис.4.

Рис.4. Схема комбинированного диагностического зонда

Выводы

1. В диссертационной работе обобщены результаты исследований физики токообразования в ДПЗ с эмиттером из родия для использования при разработке и совершенствовании систем внутриреакторного контроля (СВРК) АЭС с ВВЭР, в частности:

• экспериментально определена чувствительность к нейтронному излучению;

• экспериментально определена чувствительность к гамма-излучению;

• исследована мгновенная составляющая сигнала, открывающая возможности для контроля реакторных установок в переходных режимах - особенно в случаях быс-тропротекающих и импульсных процессов;

• исследован вклад других составляющих сигнала с точки зрения введения поправок и компенсаций при выделении основного сигнала.

Разработанная модель ДПЗ с эмиттером из родия, учитывающая его внутреннее сопротивление, емкость и составляющие сигнала позволяет определять требования к средствам измерения и преобразования сигналов ДПЗ для различных задач их использования. Совокупность результатов этих исследований была положена в основу при создании нескольких поколений аппаратуры, а именно СВРК АЭС "Ловииза", экспериментальной СВРК АЭС "Норд", унифицированной СВРК АЭС с ВВЭР и её модификаций, используемых практически на всех современных АЭС с ВВЭР, аппаратуры для работ на исследовательских реакторах.

2. На основе исследований динамических характеристик ДПЗ с эмиттером из родия разработаны динамические модели, аналоговый и программный корректоры инерционности для современных и перспективных СВРК. Проведены исследования по включению родиевых ДПЗ в системы управления и защиты реакторов, включая систему автоматического управления мощностью. При этом решена задача управления локальной мощностью, что особенно важно, например, при проведении петлевых испытаний. Предложен критерий проверки физической достоверности сигнала родиевых ДПЗ. Полученные научные результаты использованы для внедрения в перспективные системы контроля, конкретно в системы оперативного контроля локального энерговыделения, в частности включены в состав программного обеспечения, предназначенного для АЭС "Мохо-вец".

3. Разработанные в процессе исследований методы и средства разделения различных составляющих сигнала родиевых ДПЗ были эффективно применены при диагностическом обследовании во время работ по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС на наиболее важном, начальном этапе. Исследования обеспечили обнаружение топливных масс в подреакторных помещениях и установление непрерывного контроля за их основными параметрами. Результаты, полученные в этих исследованиях, были включены в состав официальной информации, подготовленной советскими специалистами для совещания экспертов МАГАТЭ (25-29 августа 1986г. Вена), и использованы в качестве исходных данных при разработке проекта "Укрытие".

Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Цимбалов С.А., Шикалов В.Ф. Нейтронная чувствительность родиевого бета-эмиссионного детектора. - В кн.: Контроль и управление ядерными реакторами и атомными станциями (Труды конференции стран СЭВ), Варшава, ,т.З, с. 1658, 1973.

2. Митин В.И., Цимбалов С.А., Шикалов В.Ф. Нейтронный измерительный канал для реакторов типа ВВЭР-440. Труды конференции стран СЭВ. Варшава, 1973.

3. Митин В.И., Шикалов В.Ф., Чувствительность к гамма-излучению детекторов фирмы "Reuter Stokes". Отчет АР-3130, 1976.

4. Голованов М.Н., Шикалов В.Ф. и др. Унифицированная система внутриреакторного контроля для реакторов типа ВВЭР. -"Вопросы атомной науки и техники" (ВАНТ), вып.34-35, том 1, сс. 25-31, 1977.

5. Крайко A.B., Цимбалов С.А., Шикалов В.Ф., Испытания системы внутриреакторного контроля при пуске АЭС с реактором ВВЭР-440.

Препринт ИАЭ-3050, инв.№32/144-8, 1978.

6. Шикалов В.Ф., Яковлев Г.В. О возможности использования ДПЗ с эмиттером из родия для анализа шумов нейтронного потока в реакторах. Доклад на 2-м международном совещании по анализу шумов ядерных реакторов, SMORN, Дрезден, 1978.

7. Воронин А.А., Сивоконь В.П., Шикалов В.Ф. Совершенствование модели ядерного реактора для измерения реактивности. - "Вопросы атомной науки и техники", вып.5, сс.78-80,1985.

8. Касчиев Г., Матев А., Шикалов В.Ф., Шматкова J1.B. Экспериментальное изучение быстрой составляющей сигнала родиевых ДПЗ для использования в программах коррекции их инерционности при работе в реакторах типа ВВЭР. В кн: Материалы XVI симпозиума специалистов ВМК по физике ВВЭР, том 2, сс. 21-25, Москва, 1987.

9. Шикалов В.Ф., Шматкова JI.B. Экспериментальное изучение

быстрой составляющей сигнала родиевых ДПЗ, программы моделирования и коррекции инерционности сигналов ДПЗ. Препринт ИАЭ-5394/3, 1991.

10. Schikalov W.F.View of Works on Chernobyl Unit-4 Post-Accidental Diagnostical Investigation. In: WINRE'94, 5™ 1113.10.1994, Keln, GRS-115.

11. Шикалов В.Ф. Обзор работ по диагностическому обследованию аварийного блока ЧАЭС в 1986 году.

Препринт ИАЭ-5913/5, 1995.