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



РОССИЙСКИМ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

Институт Ядерных Реакторов

На правах рукописи Экз.№

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 приборы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор

физико-математических наук, профессор

Ю.В.Сивинцев

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТОКООБРАЗОВАНИЕ В ДПЗ С ЭМИТТЕРОМ ИЗ РОДИЯ.

1.1. Экспериментальное определение чувствительности родиевого детектора к нейтронному потоку.

1.2. Чувствительность ДПЗ к гамма-излучению. Выводы к главе 1.

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ В ЦЕПИ ИЗМЕРЯЕМОГО СИГНАЛА.

2.1. Эквивалентная электрическая схема детектора.

2.2. Токи линии связи.

2.3. Исследование при возмущениях в цепи измеряемого сигнала. Выводы к главе 2.

3. КОРРЕКЦИЯ ИНЕРЦИОННОСТИ ДПЗ С ЭМИТТЕРОМ ИЗ РОДИЯ.

3.1. Аналоговая схема коррекции.

3.2. Аналоговые модели ДПЗ с эмиттером из родия.

3.3. Эксперименты по включению родиевых ДПЗ в систему управления и защиты исследовательских реакторов ВВР-2 и ИРТ-2000.

3.4. Разработка программных методов коррекции. Выводы к главе 3.

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДПЗ ПРИ КОНТРОЛЕ И ДИАГНОСТИКЕ

НА НАЧАЛЬНОМ ЭТАПЕ ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИИ НА 4-м БЛОКЕ ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АЭС.

4.1. Организация диагностического обследования на начальных этапах ЛПА на ЧАЭС.

4.2. Принципы и методы диагностики и контроля.

4.3. Экспериментальные данные и обработка результатов.

4.4. Оценка результатов и погрешностей измерения.

у

4.5. Развитие диагностических исследований с использованием ДПЗ.

4.6. Основные результаты.

4.7. Рекомендации по использованию зондов на основе ДПЗ в системах контроля тяжелых аварий.

Выводы к главе 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Приложение 1.

Приложение 2.

Список литературы.

ВВЕДЕНИЕ.

Первая информация о возможности использования для контроля нейтронных потоков детекторов, генерирующих электрический ток без внешнего источника питания, а только под действием излучения, появилась в 1961 г.: впервые был открыто опубликован принцип их работы, и эти детекторы получили название - детекторы прямого заряда (ДПЗ) [1]. Исследования таких детекторов практически одновременно проводили независимо друг от друга ученые разных стран. Среди них работы, выполненные в нашей стране, занимают если не лидирующее, то, во всяком случае, достойное, независимое место. Особенностью большинства этих исследований была причастность к засекреченным темам, что неизбежно вело к келейности в решении ряда общих проблем, терминологической и технической разобщенности. Часть из этих работ остается закрытой и неопубликованной до настоящего момента.

Появление первых ДПЗ соответствовало периоду бурного развития ядерных технологий и открывало перспективы в решении задач контроля и управления на ядерных установках различного назначения. Сдерживающим фактором на этом направлении была малая для измерительной техники того времени величина сигнала и отсутствие ориентированных на эти детекторы средств преобразования и измерения их сигналов.

В основу диссертации положены исследования, выполненные в 1973— 1995 гг. в ИАЭ им.И.В.Курчатова (РНЦ "Курчатовский институт"), на действующих в стране и за рубежом АЭС с ВВЭР-440 и при ликвидации последствий аварии (ЛПА) на Чернобыльской АЭС.

Исследование ДПЗ, как источника сигнала, разработка методов измерения и требований к аппаратуре для измерения этих сигналов является основной целью данной работы. В свое время такие исследования с участием автора завершились созданием унифицированной системы внутриреакторного контроля (СВРК) для водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) "ГИНДУКУШ".[2]

Актуальность данной работы в настоящее время продиктована возрастающими требованиями к безопасности АЭС в целом, особенно после аварии на Чернобыльской АЭС, и к системам контроля в частности. Исследование сигналов ДПЗ и поиск путей повышения качества выделения информативной части этих сигналов открыли новые возможности при решении задач контроля и управления на ядерных реакторах.

Разработка методов использования ДПЗ для диагностики, управления и аварийной защиты - вторая задача данной работы. Рассмотрены возможности применения ДПЗ для решения диагностических задач при тяжелых авариях на ядерных установках и предложены технические решения по построению системы контроля при запроектных авариях. Научная новизна работы состоит в следующем:

• экспериментально изучены характеристики ДПЗ, применяемых на АЭС с ВВЭР, разработаны методы и созданы средства измерения их сигнала, что позволило в комплексе с другими исследованиями решить задачу эффективного использования СВРК на АЭС с ВВЭР внутри страны и за рубежом;

• разработан комплекс программно-аппаратных средств для коррекции инерционности родиевых ДПЗ, обеспечивающих быстродействие на уровне, требуемом для систем защиты и управления, что позволяет расширить функции СВРК в этом направлении;

• предложен метод и средства контроля при запроектных авариях.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты проведенных исследований используются при модернизации существующих и разработках перспективных СВРК для АЭС с ВВЭР. Особое место занимает методика и уникальные средства диагностики, обеспечившие возможность ведения диагностических исследований на аварийном 4 блоке Чернобыльской АЭС. С помощью этих средств были впервые обнаружены в мае 1986 года топливосодержа-

щие массы разрушенного реактора в подреакторном помещении и установлен непрерывный контроль за их параметрами.

Автор выносит на защиту:

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

2. Метод и результаты коррекции инерционности родиевых ДПЗ.

3. Результаты диагностических исследований при запроектной аварии на Чернобыльской АЭС и предложение по методу и средствам контроля и диагностики при запроектных авариях на АЭС.

Диссертация состоит из введения и четырех глав. Основные выводы приведены в конце каждой главы.

В первой главе рассмотрены принципы образования сигнала ДПЗ (на примере ДПЗ с эмиттером из родия), проанализированы основные составляющие этого сигнала, предложена математическая модель токообразования. Описаны основные методы измерения нейтронной и гамма-составляющих сигнала ДПЗ. Приведены результаты реакторных и лабораторных исследований отдельных составляющих сигнала.

Во второй главе предложена электрическая эквивалентная схема ДПЗ. Описаны методы и результаты экспериментальных исследований действия различных возмущений в цепи измеряемого сигнала. Полученные результаты позволили оценить влияние различных эффектов на качество измерения сигналов ДПЗ и учесть эти влияния при создании проблемно ориентированных приборов и систем.

В третьей главе описана динамическая модель ДПЗ с эмиттером из родия. Приведены примеры схемных решений для модели такого ДПЗ на основе пассивных элементов высокой точности и операционных усилителей. Подробно рассмотрены варианты коррекции инерционности, результаты экспериментальной отработки вариантов корректоров, влияние параметров применяемых средств на качество получаемых результатов. Отдельно исследовано изменение

мгновенной компоненты сигнала родиевого ДПЗ при длительной работе внутри активной зоны АЭС с ВВЭР. Описаны достигнутые результаты по точности и быстродействию, а так же демонстрационные эксперименты по управлению исследовательскими реакторами ВВР-2 и ИРТ и результаты быстрого измерения распределений плотности потока нейтронов на реакторах ВВЭР и ВК-50. Подробно представлены современные методы программной коррекции инерционности родиевых ДПЗ.

В четвертой главе описаны методы и средства диагностических исследований на основе внутриреакторных зондов, примененные при выполнении аварийных работ на 4 блоке Чернобыльской АЭС. Опыт исследовательских работ с детекторами систем внутриреакторного контроля на АЭС позволил оперативно разработать метод и средства, которые обеспечили высокую эффективность при работе в экстремальных условиях, и предоставили возможность уже в мае 1986 года впервые установить непрерывный контроль за состоянием обнаруженных топливосодержащих масс по таким важным параметрам как плотность потока нейтронов, мощность дозы гамма-излучения и температура. На основе полученного опыта разработана концепция системы контроля при запроектной аварии на АЭС.

Основные результаты проведенных исследований были представлены в научно-технических отчетах, статьях и докладах, более 15 из них опубликованы.

1. ТОКООБРАЗОВАНИЕ В ДПЗ С ЭМИТТЕРОМ ИЗ РОДИЯ.

Детекторы прямого заряда с эмиттером из родия были созданы как детекторы нейтронного потока [1]. Практическое внедрение таких детекторов, теоретическое исследование принципов образования сигнала и естественное стремление к повышению качества проводимых измерений выявили большое число физических причин, приводящих к появлению различных составляющих сигнала. Знание этих причин и составляющих сигнала позволяют усовершенствовать качество и расширить сферу применения родиевых ДПЗ.

Наиболее представительная информация о родиевых детекторах содержится в монографиях [3], [4], [5] и технических условиях на выпускаемые изделия [6]. Теоретические основы токообразования в общем виде и, соответственно, расчет чувствительности ДПЗ к нейтронному и гамма-излучению, исходя из действующего излучения, геометрических факторов и применяемых материалов, подробно описаны в работах [7], [8], [9], [10], [11].

Схематически токообразование в родиевом ДПЗ показано на рис.1. Основной составляющей сигнала является составляющая, связанная с активацией ядер № при взаимодействии с нейтронами (п) и последующим распадом образовавшихся ядер 104тШ1 и 104Ю1. Эту составляющую принято называть актива-ционной, а токовый сигнал, определяемый ею, имеет характерные для распада ядер 104шШ1 и 104Ш1 времена запаздывания. Соответствующая схема активации и распада приведена на рис.2. Из теории и некоторых наблюдений было определено наличие в составе сигнала быстрой составляющей. Специальные исследования токообразования ДПЗ с эмиттером из родия [12] позволили детально проанализировать эту составляющую сигнала, определить ее природу, величину для конкретного типа детекторов и отработать методику ее выделения. Эта методика представляет собой динамический эксперимент с известным изменением плотности потока нейтронов, которое достигается либо быстрым извлечением детектора из поля нейтронов, либо сбросом мощности (например, АЗ) и последующим измерением тока во времени. Для наиболее распространенных

Коллектор

.Фоновал жила

Сигнальная жила

Изолятор (М60)

Бета-изпучение продуктов деления и соседних детектороЕ

Рис. 1. Схема токообразования в детекторе прямого заряда.

/(*) = екХх Ых (/) + аек(ах + <т2 )пФ(() ¿¿V,

-1 = N. (О + (0 + сг, «Ф(0

—- - тУ2 (0 + СГ2 «Ф(0 <к

здесь 1(1) - ток эмиттера, е - заряд электрона, к - геометрический коэффициент, и постоянные распада изотопов Ш1104 и ЯЬ1104"1 соответственно, аь о2 - сечения образования изотопов Ш1104 и Ш1104т, N1(1) и N2(1) - концентрации изотопов Ш1104 и Ш1104т в эмиттере, п - количество ядер Ш1103 в эмиттере, Ф(1:) -поток нейтронов, а - коэффициент, учитывающий мгновенный вклад в ток ДПЗ при действии нейтронов.

Рис.2 Схема активации и распада родия и соответствующее ей уравнение токообразования

— Г"»

-.и

родиевых детекторов величина мгновенной компоненты составляет 5н-8% ак-

1ГН

тивационной и обусловлена (пу) реакцией взаимодействия ядер Ш1 с нейтронами и последующим взаимодействием гамма-квантов с веществом эмиттера с образованием электронов.

Другие составляющие сигнала, образованные в результате взаимодействия материалов детектора с гамма-излучением, электронами, попадающими на детектор от конструкционных элементов и продуктов деления, окружающих детектор, токи вследствие наличия температурных воздействий и влияний параметров измерительных устройств, токи, образованные в линии связи, и являются, в большинстве случаев, мешающими. Для повышения качества измерений и учета, по возможности, этих факторов требуется их исследование применительно к условиям применения детекторов. Применительно к реакторам ВВЭР, значительная часть таких работ была выполнена.

Составляющая сигнала детектора, образованная в результате взаимодействия материалов детектора с нейтронным излучением, является определяющей и наиболее изученной. Методика определения этой составляющей проверена несколькими авторами, паспортизована и входит в состав ТУ на детекторы и сборки из них. [6]. С целью обеспечения требуемого заказчиком повышенного качества для СВРК, поставленной на АЭС "Ловиза" в Финляндии, с участием автора было предложено провести индивидуальную относительную калибровку всех детекторов этой системы в стандартном нейтронном потоке и абсолютную калибровку отдельных детекторов в паспортизованных хорошо известных потоках нейтронов. Такие работы были проведены на реакторах РТЯ и 7ЕЭ-2 [13] в Канаде и реакторе Ф-1 в Курчатовском институте [14].

1.1. Экспериментальное определение чувствительности родиевого детектора к нейтронному потоку.

Методически измерение чувствительности к нейтронному потоку заключается в решении задачи о выделении активационной компоненты из состава

сигнала ДПЗ. Процесс активации-распада родия имеет достаточно хорошо измеренные временные характеристики, что позволяет выделить активационную составляющую. Необходимо только реализовать изменение плотности потока нейтронов по известному закону. Относительно просто этого можно достичь при скачкообразном изменении. Такая работа была выполнена автором совместно с С.А.Цимбаловым [9].

Нейтронная чувствительность измерялась на реакторе Ф-1 ИАЭ им.И.В.Курчатова. В дополнение к детекторам, используемым в СВРК реактора "Ловиза-2" , в реакторе Ф-1 облучались также платиновые детекторы, которые в принципе могут быть использованы в СВРК реакторов типа ВВЭР.

Измерение доли активационной компоненты в токе родиевого детектора проведено двумя способами. В первом способе регистрировались и анализировались показания родиевого детектора при быстром извлечении его из стационарного нейтронного поля реактора Ф-1. Во втором способе регистрация и анализ показаний проводились при быстрой остановке реактора Ф-1.

Для регистрации токов детекторов были использованы полупроводниковые электрометрические усилители ПЭМУ-3 и самопишущий потенциометр (модель В-9 "Rikadenki Company Ltd.").

Родиевый детектор был помещен в центр активной зоны в горизонтальном канале реактора Ф-1. Начиная с конца эмиттера и вдоль линии связи родиевого ДПЗ, был размещен также фоновый детектор. Родиевый ДПЗ и фоновый детектор были скреплены вместе для того, чтобы их можно было одновременно извлечь. Детекторы выдерживали в стационарном нейтронном поле до установления токов насыщения. Извлечение проводили со скоростью примерно 3 м/с, токи детекторов регистрировали в течение 10 мин. В опытах с быстрым остановом реактора детекторы были расположены в активной зоне в тех же местах, что и при извлечении. Быстрый останов реактора проводился после установления токов насыщения детекторов. При обработке зарегистрированных показаний детекторов ток детектора, из которого вычтен ток фонового детекто-

ра, апроксимировали линейной комбинацией специальных функций. Первая функция, принятая за единицу в момент извлечения или останова, описывала закон изменения активационного тока детектора при реальном изменении плотности нейтронного потока, падающего на детектор. Плотность нейтронного потока была измерена ионизационной камерой деления как при извлечении детектора, так и при быстром останове реактора. В первом случае ток ионизационной камеры регистрировали при ее перемещении вдоль горизонтального канала реактора, во втором случае - при стационарном положении камеры в центре реактора. Вторая специальная функция описывала закон изменения плотности нейтронного потока, падающего на детектор. Третья специальная функция была константой.

Обработка данных, полученных как при извлечении ДПЗ, так и при быстром останове реактора, дала согласующиеся результаты. Было установлено, что для условий реактора Ф-1 доля активационной составляющей в токе, образованном эмиттером родиевого детектора, равна 0,94.

Зная долю активационной компоненты в токе детектора, можно определить его чувствительность к плотности потока нейтронов. Плотность потока

о 2 _|

нейтронов в центре реактора Ф-1 равна 7,24' 10 см" ' с , темп