Методика обнаружения ранних стадий негерметичности тепловыделяющих элементов на АЭС с реакторами типа РБМК-1000 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Андрианов, Тимофей Викторович

• Андрианов, Тимофей Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Андрианов, Тимофей Викторович

Список сокращений, используемых в тексте.

Введение.

Актуальность проблемы.

Цель работы.

Практическая значимость работы.

Научная новизна работы.

Положения, выносимые на защиту.

Апробация работы.

Список публикаций по теме диссертации.

Глава 1. Обзор существующих методов КТО реакторов типа РБМК.

1.1 Описание штатной системы КТО ТВЭЛов РУГ2-01.

1.1.1 Назначение.

1.1.2 Устройство и работа изделия.

1.2 Описание системы КТО ТВЭЛов ЯГ-12.

1.3 Описание некоторых путей решения задач КТО.

Глава 2. Физические основы построения системы КГО ТВЭЛов нового поколения СКГО-01Р.

2.1 Оптимизация объема и точек контроля.

2.1.1 Активность осаждающихся примесей.

2.1.2 Активность неосаждающихся примесей.

2.1.3 Активность продуктов деления ядерного топлива.

2.2 Методика остановки устройства поканального контроля против ПВК.

2.3 Методика оценки расхода теплоносителя.

Глава 3. Методы повышения достоверности обнаружения разгерметизации тепловыделяющих элементов реакторов РБМК-1000.

3.1 Существующая (штатная) методика обнаружения разгерметизации ТВЭЛов.

3.2 Методика повышения достоверности обнаружения разгерметизации ТВЭЛов.

3.3 Установление энергетических окон с целью повышения достоверности обнаружения негерметичного ТВЭЛа.

3.4 Методика индикации разгерметизации по отношению пик/долина.

Глава 4. Блоки и устройства детектирования, разработанные для системы КГО нового поколения СКГО-01Р.

4.1 Подсистема группового контроля активности пара барабан-сепаратора (БС) пара.

4.1.1 Устройство и работа датчика группового контроля.

4.2 Подсистема поканального КГО ТВЭЛов.

4.2.1 Описание и работа составных частей УПК-04Р.

4.3 Подсистема контроля воды контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ).

4.3.1 Устройство и работа устройства УДЕГ-14Р.

4.3.2 Устройство и работа устройства УДЕГ-15Р.

4.4 Подсистема контроля жидких проб и эжекторных сдувок.

4.4.1 Подсистема контроля жидких проб в лабораторных условиях.

4.4.2 Подсистема контроля эжекторных сдувок.

4.5 Сцинтилляционные блоки детектирования БДРС-05Р и БДРС-05Р1.

4.5.1 Технические характеристики БД БДРС-05Р и БДРС-05Р1.

Глава 5. Метод расширения диапазона энергетической калибровки многоканальных автоматизированных сцинтилляционных спектрометров гамма-излучения.

Глава 6. Экспериментальное исследование метрологических характеристик и технических возможностей устройства поканального контроля.

6.1 Экспериментальное определение чувствительности устройства поканального контроля УПК-04Р.

6.1.1 Определение объемной активности нуклида 85Кг.

6.1.2 Учет влияния коллиматора.

6.2 Повышение информативности спектрометрического метода определения негерметичности ТВЭЛ совместным применением кристалла Nal(Tl) и пластмассового сцинтиллятора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика обнаружения ранних стадий негерметичности тепловыделяющих элементов на АЭС с реакторами типа РБМК-1000»

Актуальность проблемы.

В настоящее время в общей сложности на АЭС России эксплуатируется 31 энергоблок, из них 15 с водоводяными реакторами под давлением (ВВЭР), 15 энергоблоков с канальными кипящими реакторами, в том числе 11 реакторов типа РБМК-1000, 1 энергоблок с реактором на быстрых нейтронах БН-600.

В 2006 году Правительство Российской Федерации утвердило «Программу развития атомной отрасли», которая предполагает увеличение доли электроэнергии, выработанной АЭС, до 23% в общей выработке электроэнергии (32% в европейской части РФ) и ввод 26 энергоблоков к 2020 г. В программе развития атомной отрасли предпочтение было отдано реакторам типа ВВЭР (проект ВВЭР АЭС-2006). Доля реакторов РБМК в выработке электроэнергии составляет 47,8% (по данным на 2008 г.). При этом на территории РФ действуют Ленинградская, Смоленская и Курская АЭС с реакторами типа РБМК-1000, т.е. 30% энергоблоков на территории РФ оснащены реакторами данного типа. Ввиду невозможности отказа от реакторов типа РБМК, необходимо проводить модернизацию существующего оборудования на АЭС, спроектированного более 30 лет назад, и ужесточать контроль за нормальной эксплуатацией АЭС, которая должна отвечать современным требованиям радиационной безопасности.

Ядерный энергетический реактор РБМК является гетерогенным канальным реактором на тепловых нейтронах, в котором в качестве замедлителя используется графит. Теплоноситель — кипящая5 вода, циркулирующая по вертикальным каналам, пронизывающим кладку активной зоны. Активная зона (A3) является вертикальным цилиндром диаметром 11,8 м и высотой 7 м, окруженный боковым отражателем толщиной 1 м и торцевыми отражателями толщиной по 0,5 м. В 1693 ячейках квадратной решетки активной зоны размещены технологические каналы (ТК), представляющие собой трубу, изготовленную из циркониевого сплава, диаметром 88 мм и толщиной стенки 4 мм. Внутрь канала устанавливается тепловыделяющая кассета, представляющая собой две последовательно соединенные тепловыделяющие сборки (ТВС) длиной 3,5 м каждая. ТВС состоит из 18 стержневых ТВЭЛов. ТВЭЛ представляет собой трубку наружным диаметром 13,5 мм с толщиной стенки 0,9 мм из циркониевого сплава, заполненную таблетками из двуокиси урана диаметром 11,5 мм плотностью до 10,5 г/см3. Каналы системы контроля и управления (179 шт.) располагаются так же, как и технологические, в центральных отверстиях графитовых колонн.

Система контроля герметичности оболочек (КТО) ТВЭЛов занимает важнейшее место в системе радиационной безопасности АЭС. Система КТО позволяет своевременно обнаруживать начавшуюся разгерметизацию ТВЭЛа и отслеживать развитие дефекта, предотвращая, тем самым, аварию. На АЭС с реакторами типа РБМК проблема обнаружения негерметичных ТВЭЛов является еще более актуальной, в связи с одноконтурной системой циркуляции теплоносителя. В реакторах типа РБМК единственным механическим барьером является оболочка топливного элемента, и любая разгерметизация сопровождается увеличением выброса радионуклидов непосредственно во внешнюю среду.

В настоящее время на всех действующих российских атомных электростанциях с реакторами типа РБМК-1000 находится в эксплуатации 11 энергоблоков, оснащенных датчиками и штатной аппаратурой контроля герметичности оболочек ТВЭЛов типа РУГ2-01 [1], разработанных еще в конце 60-х гг. в ОАО «НИЦ «СНИИП»». Эти средства находятся в эксплуатации от 18 (на третьем энергоблоке Смоленской АЭС) до 35 лет (на первом энергоблоке Ленинградской АЭС) при нормативной продолжительности срока службы 10 лет. Комплекты ЗИП этих систем практически полностью израсходованы, их пополнение не представляется возможным из-за прекращения выпуска примененных комплектующих изделий.

Помимо системы КТО РУГ2-01 существует ее модификация, также разработанная в ОАО «НИЦ «СНИИП»», - система КГО ЯГ-12 [2] (эксплуатируется на Игналинской АЭС (Литва)), работающая принципиально на тех же алгоритмах, что и РУГ2-01. Системы КГО ТВЭЛов других типов для реакторов типа РБМК-1000 в стране и за рубежом не выпускаются.

Штатная система КГО РУГ2-01 является морально и физически устаревшей и до настоящего времени ее структура и основные функциональные элементы не модернизировались. В системе КГО РУГ2-01 используются узлы, которые уже сняты с производства, исчерпали свой ресурс и их характеристики существенно проигрывают современным аналогам.

В связи с ужесточением норм радиационной безопасности и истечением срока эксплуатации действующих систем КГО ТВЭЛов, встал вопрос об оснащении АЭС с реакторами РБМК-1000 современной системой КГО, а также новыми методиками выполнения измерений, обеспечивающими безопасность эксплуатации станции, и обладающими более высокой степенью надежности и оперативностью в обнаружении аварийных ситуаций. В связи с этим в ОАО «НИЦ «СНИИП»» с участием автора диссертации разработана новая штатная система СКГО-01Р для реакторов типа РБМК-1000 по техническому заданию концерна "Росэнергоатом".

Цель работы

- предложить новые подходы к обнаружению утечек продуктов деления из трещин в оболочках ТВЭЛ;

- повысить выявляемость пиков полного поглощения, связанных с продуктами деления, вышедшими из ТВЭЛ;

- разработать метод контроля сохранения линейности многоканального гамма-спектрометра в процессе работы;

- предложить методику проведения измерений, которая повысит точность и оперативность обнаружения разгерметизации ТВЭЛ по сравнению со штатной методикой и оснастить систему КГО современным оборудованием -блоками и устройствами детектирования взамен устаревших, разработанных более тридцати лет назад.

Практическая значимость работы

В диссертации заложены физические основы для модернизации всей штатной системы КТО со времени ее ввода в эксплуатацию. Впервые внедрена конструкция поканального устройства детектирования, позволяющая радиационным способом оценивать расход теплоносителя через топливный канал на реакторах типа РБМК. Проведена экспериментальная апробация разработанного поканального блока детектирования в реальных условиях эксплуатации ядерного энергоблока Курской АЭС, а также проверка предлагаемых методик обнаружения разгерметизации. Получено положительное заключение о работе новой аппаратуры и об использовании предлагаемых методик обработки аппаратурных данных для повышения достоверности и оперативности обнаружения негерметичного ТВЭЛ. По результатам работы получен патент Российской Федерации на изобретение способа стабилизации энергетической шкалы многоканальных сцинтилляционных спектрометров гамма-излучения.

Научная новизна работы

1. Предложен метод обработки экспериментальной информации, полученной с блоков детектирования поканального контроля, который позволяет обнаруживать разгерметизацию тепловыделяющих элементов на более ранней стадии по сравнению со штатной методикой. При этом погрешность снижена не менее чем в 4 раза по сравнению с существующем методом.

2. Предложен способ идентификации разгерметизации ТВЭЛ по отношению числа импульсов в максимуме аннигилляционного пика фонового излучения от 16N и числа импульсов в "долине" приборного спектра.

3. Предложен способ стабилизации энергетической шкалы автоматизированных сцинтилляционных гамма-спектрометров, который позволяет стабилизировать энергетическую шкалу во всем рабочем диапазоне. По результатам работы получен патент Российской Федерации на изобретение.

4. Разработан метод повышения выявляемо сти пиков полного поглощения в гамма-спектре продуктов деления на фоне 16N, который основан на вычитании из спектра, измеренного кристаллом Nal(Tl), спектра, измеренного пластмассовым сцинтиллятором, после предварительного согласования по краю комптоновского распределения и по эффективности регистрации.

5. Предложенные методы стали основой для разработки устройства детектирования поканального контроля, позволяющего оценивать расход теплоносителя через топливный канал радиационным методом, контролировать и дублировать показания штатного расходомера на случай выхода его из строя.

Положения, выносимые на защиту

- метод обнаружения разгерметизации ТВЭЛов, основанный на измерении соотношения высокоэнергетичной и низкоэнергетичной области спектра гамма-излучения от технологического канала, обусловленного фоновым излучателем 16N и продуктами деления; способ обнаружения разгерметизации ТВЭЛов, основанный на ухудшении разрешения аннигилляционного пика фонового излучателя 16N и соответствующем изменении соотношения пик/долина; способ контроля расхода теплоносителя через технологический канал, основанный на регистрации гамма-излучения при помощи двух разнесенных по высоте сцинтилляционных блоков детектирования и его техническая реализация; метод улучшения выявляемости пиков полного поглощении от продуктов деления путем одновременного использовании кристалла из сцинтиллирующей пластмассы и кристалла Nal(Tl) для эффективного подавления комптоновского распределения высокоэнергетичного излучении 16N; способ стабилизации энергетической шкалы автоматизированных сцинтилляционных гамма-спектрометров во всем рабочем диапазоне.

Личный вклад автора Все результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор принимал активное участие в разработке новых методов обнаружения разгерметизации на ранних стадиях. Непосредственно автором предложена методика обработки приборного спектра, основанная на измерении соотношений вклада различных энергетических «окон». Лично автором предложено использовать кристалл из сцинтиллирующей пластмассы совместно с кристаллом Nal(Tl) для подавления непрерывного комптоновского распределения фонового излучателя l6N в приборном гамма-спектре для повышения информативности спектрометрического метода определения негерметичности ТВЭЛов. Автором лично определены технические параметры разработанных блоков и устройств детектирования. На способ стабилизации энергетической шкалы гамма-спектометров автором получен патент РФ на изобретение.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на конференциях (И международная конференция-выставка «Экологические системы и приборы, чистые технологии», апрель 2007; отраслевая конференция «Ядерное приборостроение-2008. Аппаратурное обеспечение», апрель 2008; отраслевая конференция «Ядерное приборостроение-2009. Аппаратурное обеспечение», апрель 2009), научной конференции МИФИ-2009. По результатам работы получен патент на изобретение.

Список публикаций по теме диссертации

1. Андрианов Т.В.,.Волков С.В., Володин В.П., Макаров В.В., Янин B.C. Спектрометрические устройства детектирования гамма-излучения в системе контроля герметичности оболочек (КТО) тепловыделяющих элементов реакторов типа, РБМК. //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2005. - № 7.

2. Андрианов Т.В., Волков С.В., Володин В.П. Экспериментальное определение радиометрических и спектрометрических характеристик блоков детектирования БДРС-05Р и БДРС-05Р1. //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.- 2005 - № 8.

3. Андрианов Т.В., Волков С.В., Володин В.П., Кутелев А.С. Экспериментальное сравнение чувствительности устройства УПК-04Р к гамма-излучению точечных и объемных источников. //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.- 2006.- № 1.

4. Андрианов Т.В., Волков С.В., Володин В.П. Методы повышения достоверности обнаружения разгерметизации тепловыделяющих элементов реакторов РБМК-1000. //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. - № 8.

5. Андрианов Т.В., Волков С.В., Володин В.П. Применение изотопных источников быстрых нейтронов для оценки чувствительности блоков детектирования БДРС-05Р к гамма-излучению высоких энергий. //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. - № 5.

6. Андрианов Т.В., Волков С.В. Метод и приборная подсистема для прямого контроля выбросов инертных радиоактивных газов и радиойодов через вентиляционную трубу реакторов АЭС. // Экологические приборы и системы. -2007. - № 7.

7. Андрианов Т.В., Бирюков И.П., Бородуля Ю.Г., Волков С.В., Макаров В.В., Мирский Д.Е. Приборный контроль распространения радионуклидов по контурам циркуляции теплоносителя реактора РБМК-1000. //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2009. - № 1.

8. Андрианов Т.В. Методы повышения достоверности обнаружения разгерметизации тепловыделяющих элементов реакторов РБМК-1000. Научная сессия МИФИ-2009, Том 1.

9. Андрианов Т.В., Волков С.В. Способ стабилизации энергетической шкалы многоканальных сцинтилляционных спектрометров гамма-излучения. Патент на изобретение № 2366979 от 10.09.09.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Андрианов, Тимофей Викторович

6- выводы измерительной ем кости

7- фланец

8- гнездо для источника 9,10.11- изоляторы

12,13,14- детали тыловой заши i ы

15-хладопровод

16- сосуд Дьюара 1 7- плита

18- зажим 14- ВИН!

20- отверстия крепления к фундаменту

Рисунок 30. Конструкция устройства детектирования УДЕГ-14Р

Метрологические характеристики УД определяются характеристиками используемого в нем БД, у которого: а) диапазон измерений энергии гамма-излучения составляет от 50 кэВ до 10 МэВ; б) энергетическое разрешение составляет:

1) при энергии 122 кэВ — 875 эВ;

2) при энергии 1333 кэВ - 1,85 кэВ; в) эффективность регистрации по отношению к кристаллу NaJ (3x3)" для энергии 1333 кэВ составляет 30 %; г) интегральная нелинейность преобразования не превышает 0,03 %; д) максимальная частотная загрузка статистически распределенными импульсами составляет 6,5-104 с"1; е) отношение пик/комптон составляет 58:1; ж) изменение коэффициента преобразования за 24 ч непрерывной работы составляет не более 0,1 %; з) диапазон рабочей температуры — от +1 до +45 °С, при этом изменение коэффициента преобразования составляет не более 0,025 % на каждый 1 °С изменения температуры.

4.3.2 Устройство и работа устройства УДЕГ-15Р

Устройство детектирования УДЕГ-15Р [25] обеспечивает контроль нуклидного состава в воде контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) после механического фильтра спецводоочистки (далее СВО) реактора РБМК путем преобразования энергии фотонов гамма-излучения в пропорциональный ей по амплитуде электрический сигнал-импульс напряжения.

УДЕГ-15Р содержит блок детектирования БДРС-05Р1 (БД) на основе Nal(Tl) размером 63x63 мм.

В составе оборудования контроля воды КМПЦ УДЕГ-15Р обеспечивает:

- непрерывный отбор проб воды КМПЦ через пробоотборные линии;

- непрерывную регистрацию интенсивности гамма-излучения продуктов деления: 13 'i, I32I, 133I, 134I, 135I, 99Mo + 99Tc при суммарной удельной активности от 1-Ю"7 до 1-Ю"3 Ки-л"1 (3,7-103 - 3,7-107Бк/л) в отбираемой пробе;

- регистрацию энергетического спектра гамма-излучения от отбираемой пробы воды;

- передачу зарегистрированной информации в контроллер системы скго.

Структурная схема, принцип работы и конструкция устройства детектирования УДЕГ-15Р аналогична УД группового контроля УГК-02Р (см. п.4.1.1).

4.4 Подсистема контроля жидких проб и эжекторных сдувок.

4.4.1 Подсистема контроля жидких проб в лабораторных условиях.

Устройство детектирования УДЕГ-13Р [26] предназначено для комплектования систем контроля герметичности оболочек (СКГО) тепловыделяющих элементов реакторов РБМК и относится к оборудованию нижнего уровня иерархической структуры системы.

УД обеспечивает проведение с помощью полупроводникового блока детектирования БДЕГ-ОГК-ЗК периодического контроля нуклидного состава жидких проб в воде контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) реактора РБМК.

УД содержит блок детектирования БДЕГ-ОГК-ЗК на основе полупроводникового детектора (ППД) из особо чистого германия.

УДЕГ-13Р является стационарным прибором, который размещается в обслуживаемом помещении с естественным гамма-фоном и обеспечивает периодическую регистрацию энергетического спектра от отбираемой жидкой пробы воды и регистрацию интенсивности гамма-излучения от суммарной удельной активности продуктов деления в пробе.

Метрологические характеристики УДЕГ-13Р определяются характеристиками используемого в нем БД БДЕГ-ОГК-ЗК (см; п.4.3.1).

4.4.1.1 Устройство и работа устройства детектирования УДЕГ-13Р

Устройство детектирования УДЕГ-13Р представляет собой стационарное устройство, структурная схема, которого представлена на рисунке 31.

УД содержит измерительную камеру (2), внутри которой размещен ППД спектрометрического БД (1). Для снижения влияния внешнего гамма-фона на результаты контроля измерительная камера (2) и спектрометрический БД (1)

ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ -<= ПИТАНИЕ +/- 24 В

Рисунок 31. Структурная схема устройства УДЕГ-13Р

1- спектрометрический БД

2- измерительная камера

3- кювета

4, 5, 6 - защита окружены свинцовой защитой (4, 5, 6). При этом защита (6) является подвижной крышкой, при перемещении которой обеспечивается возможность размещения внутри рабочего объема измерительной камеры (2) сосуда с измеряемой пробой. Защита внутренних стенок измерительной камеры (2) и спектрометрического БД (1) от случайного попадания на них жидкости пробы обеспечивается кюветой (3), выполненной в виде чашки из нержавеющей стали.

Активность исследуемой пробы воды в измерительной камере (2) (диаметр - 280 мм, высота - 400 мм.) измеряется спектрометрическим БД (1).

Конструкция устройства детектирования УДЕГ-1 ЗР аналогична устройству детектирования УДЕГ-14Р (см. рисунок 30).

4.4.2 Подсистема контроля эжекторных сдувок

Устройство контроля (УК) УХ-97 [27] обеспечивает контроль потока фотонов, испускаемых эжекторными газами в трубопроводе между устройством сжигания горючей смеси (УСГС) и установкой подавления активности (УПАК) реактора РБМК путем преобразования энергии фотонов гамма-излучения в пропорциональный ей по амплитуде электрический сигнал-импульс напряжения.

УК выполнено на основе блока детектирования БДРС-05Р со сцинтилляционным кристаллом Nal(Tl) размером 40x40 мм.

УК в составе оборудования контроля эжекторных газов обеспечивает:

- непрерывную регистрацию скорости счета (интенсивности) импульсов от гамма-квантов газообразных продуктов деления (ГПД) в трубопроводе между устройством сжигания гремучей смеси (УСГС) и установкой подавления активности (УПАК);

- периодическую регистрацию энергетического спектра гамма-излучения в диапазоне энергий от 0,2 до 2,0 МэВ с энергетическим разрешением не более 11 % по гамма-линии 0,661 МэВ;

- передачу зарегистрированной информации в контроллер системы СКГО.

В УК предусмотрено гнездо для размещения контрольного источника 137Cs активностью не более 0,5-104 Бк для проведения энергетической калибровки БД. Отклонением значения напряжения управляемого источника питания в контроллере системы СКГО, к которому подключено УК, осуществляется калибрование измерительных характеристик БД в эксплуатационных условиях при воздействии на него энергии контрольного

177 источника Cs. Общий вид УК представлен на рисунке 32.

1-ЩБДК-05Р 2.3.4,5,6- шшпа 7- плита колыш 10-?айка 11,12- крепил din 1.1- ишиштр

14- кб-шчашюнное открепи

15- нсэиыш

16- опкрпге пя»реплени* сменных пк.шыииИ

17- отверстое jni крсменн* на мет жаиуапинн IS- oTKpciKi дяа транспорт irpoaw 14- трубапродол

Рисунок 32. Конструкция устройства контроля УХ-97Р

4.5 Сцинтилляционные блоки детектирования ВДРС-05Р и БДРС-05Р1.

Для регистрации ионизирующего излучения в блоках детектирования (БД) применяют достаточно большое число детекторов, работа которых основана на различных физических методах, позволяющих преобразовывать энергию ионизирующего излучения, в другой вид энергии, удобный для дальнейшего представления результатов одной или несколько величин, характеризующих это излучение [28]. В зависимости от решаемой задачи и условий эксплуатации, выбирается оптимальный детектор.

Однако, в условиях перекоса нейтронного поля в активной зоне реактора, колебаний мощности и расхода теплоносителя через канал, нестабильности регистрирующей аппаратуры и т.д., приводящим к сильным флуктуациям фона и его изменению во времени, важно подобрать такие блоки детектирования, при использовании которых система КГО практически не давала бы ложных сигналов (по-возможности, при большой чувствительности БД) и, одновременно, снижала бы риск пропустить начальную стадию развития повреждения ТВЭЛа по начавшемуся загрязнению контура.

Для решения поставленной задачи повышения чувствительности и избирательности обнаружения негерметичного (загрязненного продуктами деления) ПВК для поканального контроля разработан блок детектирования БДРС-05Р [29], содержащий сцинтилляционный детектор с кристаллом Nal(Tl) размером 40x40 мм и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-118), а для группового контроля блок детектирования БДРС-05Р1 [29] с кристаллом Nal(Tl) размером 63x63 мм и соответствующим ФЭУ-152.

Монитор ПК

БД

ИИИ •!sss »

X и I1 }—^

Системный блок ПК со встроенным спектрометром

Рисунок 33. Структурная схема соединения БД с ПК

ИИИ — источник ионизирующего излучения БД — блок детектирования

Импульсы с данных блоков детектирования обрабатываются программно-управляемым одноплатным спектрометром SBS-79, встроенным в компьютер (см. рисунок 33). Одноплатный спектрометр разработан фирмой «GreenStar» [31] и работает в зарядочувствительном режиме. В программном обеспечении предусмотрена установка высоковольтного напряжения на ФЭУ с клавиатуры ПК с помощью управления низковольтным напряжением. Блок низковольтного питания встроен в SBS-79. Это обстоятельство позволило отказаться от передачи высоковольтного напряжения по радиочастотному кабелю, тем более, выбор подходящего кабеля представляет собой не тривиальную задачу. Структура и алгоритмы работы SBS-79 позволяют легко подобрать «рабочую точку» (оптимальные рабочие характеристики) в процессе настройки блока детектирования, функционирующего в составе УПК и УГК. Измерительный тракт одноплатных спектрометров серии SBS построен по аналоговому принципу, в котором использованы времязависящие цепи формирования.

Процессоры импульсных сигналов SBS-79 предназначены для преобразования импульсных сигналов от детекторов ионизирующих излучений с последующим накоплением информации для получения амплитудных спектров источников ионизирующих излучений. Они также имеют в своем составе все необходимые средства для обеспечения работы собственно детекторов ионизирующих излучений. Это позволяет отказаться от использования каких-либо дополнительных устройств при построении спектрометрических комплексов.

В отличие от традиционных способов построения спектрометрического тракта в SBS-79 происходит преобразование не амплитуды импульсного сигнала в цифровой код, а его заряда. Благодаря этому в ряде случаев (при достаточно большом заряде с детектора, не слишком большом расстоянии до детектора и др.) возможно отказаться от использования зарядочувствительного предусилителя (ПУ) или обойтись буферным линейным усилителем. Путем изменения времени накопления заряда возможно оптимизировать отношение сигнал/шум в комплексе и, соответственно, улучшить энергетическое разрешение комплекса. Такая схема построения позволяет работать с загрузками до 105 Гц.

Процесс набора спектров от источника ионизирующего излучения (ИИИ) и результаты обработки отображаются на мониторе ПК и могут сохраняться на жесткий диск» ПК, что существенно упрощает доступ к нужным файлам и дальнейшую работу с ними.

Сцинтилляционные блоки детектирования БДРС-05Р и БДРС-05Р1 разработанной системы СКГО-01Р по своим метрологическим и технико-эксплуатационным характеристикам превосходят аналогичные блоки системы РУГ2-01.

Габаритные размеры блоков БДРС-05Р и БДРС-05Р1 допускают размещать их в штатных гнездах устройств поканального и группового контроля системы РУГ2-01, что позволяет проводить поэтапную модернизацию всей системы КГО.

Опытный образец блока БДРС-05Р был проверен в реальных эксплуатационных условиях на третьем блоке КуАЭС при установке его на штатное место БД поканального контроля оборудования перемещения датчиков первой нитки.

Отличительной особенностью блоков БДРС-05Р и БДРС-05Р1 является их питание низковольтным напряжением постоянного тока, что обеспечивает безопасную трансляцию по линиям связи, состоящих из кабеля типа РК-50, в полном соответствии с требованиями действующих нормативно-технических документов.

Блоки детектирования БДРС-05Р предназначены для работы в составе устройства поканального контроля УПК-04Р и размещаются в подвижном контейнере (см. рисунок 27), а также для работы в составе УК УХ-97Р (см. рисунок 32). При перемещении подвижного контейнера по коробу на реакторе РБМК перпендикулярно рядам ПВК от излучения радионуклидов, содержащихся в пароводяной смеси, циркулирующей в этих каналах, возникает большая импульсная загрузка блока детектирования > обусловленная, преимущественно высокоэнергетичным излучением азота-16 (наиболее интенсивные линии гамма-излучения 6,14 МэВ и 7,11 МэВ). В этих условиях особенно важно, чтобы блок достоверно работал при максимальных загрузках.

При использовании блоков детектирования в условиях близких к возможной области нестабильности (большая загрузка, перепад температуры, уход напряжения сети и др.) предусмотрен режим стабилизации спектрометра. Стабилизация может проводиться по одному или двум пикам. Для каждого задается допустимая зона дрейфа. Принцип стабилизации спектрометра заключен в следующем: пользователь задает зону дрейфа известного пика полного поглощения (111111), программа в заданном диапазоне выделяет максимум этого 111111 по методу «пяти точек» (исходя из того, что он подчиняется распределению Гаусса) и возвращает его через задаваемый пользователем промежуток времени (достаточный для хорошей статистики) в определенный канал. Таким образом, исключена возможность ухода канала из-за любых причин (программе важен лишь факт смещения спектра, а не его причина).

Это позволяет сохранить первоначальную градуировочную шкалу, избежать ухода пика полного поглощения и, следовательно, повысить достоверность обработки спектров по заданным алгоритмам.

4.5.1 Технические характеристики БД БДРС-05Р и БДРС-05Р1.

В ходе работ по разработке БД БДРС-05Р и БДРС-05Р1 были определены их метрологические характеристики [20-21, 32], указанные в таблице 5:

Заключение

Экологическая безопасность при эксплуатации реактора РБМК в значительной степени зависит от сохранения герметичности оболочек ТВЭЛ. Используемые в настоящее время устройства и методики обнаружения негерметичности были разработаны более 40 лет назад и физически и морально устарели. Проблема замены устаревшего оборудования не сводится только к внедрению современных блоков и устройств детектирования.

В диссертационной работе разработан ряд методов повышения информативности и надежности выявления негерметичных ТВЭЛов:

Предложен метод обработки экспериментальной информации, полученной с блоков детектирования поканального контроля, который позволяет обнаруживать разгерметизацию тепловыделяющих элементов на более ранней стадии по сравнению со штатной методикой. При этом достоверность конечного результата в несколько раз выше, чем у существующего метода.

- Предложен способ идентификации разгерметизации ТВЭЛ по отношению числа импульсов в максимуме аннигилляционного пика фонового излучения от 16N и числа импульсов в "долине".

- Разработано новое конструктивное решение устройства детектирования поканального контроля, позволяющее оценивать расход теплоносителя через топливный канал радиационным методом, контролировать и дублировать показания штатного расходомера на случай выхода его из строя.

Предложен способ стабилизации энергетической шкалы автоматизированных сцинтилляционных гамма-спектрометров, который позволяет стабилизировать энергетическую шкалу во всем рабочем диапазоне.

- Разработан метод повышения выявляемости пиков полного поглощения в приборном гамма-спектре продуктов деления на фоне который основан на вычитании из спектра, измеренного кристаллом Nal(Tl), спектра, измеренного пластмассовым сцинтиллятором, после предварительного согласования по краю комптоновского распределения и по эффективности регистрации.

Применение предлагаемых методик индикации разгерметизации позволяет:

• существенно повысить достоверность обнаружения разгерметизации; снизить количество «выбросов» экспериментальных данных над расчетными при однократных измерениях;

• снизить риск пропуска начала развития аварии.

Применение изобретения, предложенного автором диссертации, позволяет стабилизировать работу блоков детектирования в более широком ранее не доступном диапазоне.

Разработаны новые современные блоки и устройства детектирования, характеристики которых значительно лучше, чем у используемых в настоящее время.

Одновременное использование сцинтилляторов на основе сцинтиллирующей пластмассы и NaI(Tl) позволяет выделить пики полного поглощения нуклидов, образующихся при разгерметизации.

Конструкция устройства поканального контроля позволяет оценивать расход теплоносителя в технологическом канале.

Оснащение энергоблоков с реакторами типа РБМК-1000 новой штатной системой контроля герметичности оболочек ТВЭЛов СКГО-01Р позволит обеспечить более эффективное функционирование нижнего уровня системы КГО энергоблока в течение всего жизненного цикла.

Расширено количество точек контроля, что позволяет обеспечить более безопасную и эффективную работу реактора.

Обеспечен контроль работоспособности блока детектирования поканального контроля в процессе штатного измерения по реперному источнику в произвольный момент времени без вывода тележки в стояночный бокс КГО.

С участием автора диссертации разработана новая штатная система контроля герметичности оболочек ТВЭЛов СКГО-01Р для реакторов типа РБМК-1000, которая может быть применена на всех существующих энергоблоках.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Андрианов, Тимофей Викторович, 2010 год

1. Аппаратура и датчики КГО ТВЭЛов РУГ2-01. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: СНИИП, ЖШ1.287.484 ТО. 1976. - 52с.

2. Система КГО ТВЭЛов ЯГ-12. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: СНИИП, ЖШ1.289.095Т01, 1988. 57 с.

3. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. М.: Атомиздат, 1980.- 208 с.

4. Общие правила положения обеспечения безопасности атомных станций (ОПБ 88/97) (ПНАЭГ-01-011-97) Электрон. Ресурс. Режим доступа: http://lawsector.ru/data/dok59/txb59750.htm

5. IEC 61226 Ed. 3.0 b:2009 Nuclear power plants Instrumentation and control important to safety - Classification of instrumentation and control functions Электрон, ресурс. - Режим доступа: http://www.findstandards.info/

6. Овсянникова Н.В. Математическое обеспечение контроля расхода теплоносителя в канале реактора РБМК на основе информации об азотной активности: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук: 05.13.18 М., 2003.- 26 с.

7. Богачек Л.Н., Егоров А.Л., Лысенко В.В. и др. Измерение расхода теплоносителя радиационными методами и мощности на I блоке Армянской АЭС//Атомная энергия. 1979.- т.46, вып.6 - С.390-393

8. Романцов В.П. Алгоритм обнаружения и ранжирования негерметичных ТВС реактора РБМК-1000: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. физ.- мат. наук: 01.04.01 Обнинск, 1990. — 13 с.

9. Программное обеспечение внештатной системы контроля герметичности оболочек ТВЭЛ для РБМК-1000. Руководство оператора. ВШКФ.00400-01 34 01. //HiШ «Радиационный контроль. Приборы и методы» -2002. 67 с.

10. Емельянов И.Я., Константинов Л.В., Ефанов А.И. Научно-технические основы управления ядерными реакторами. М.: Энергоиздат, 1981.360 с.

11. Инженерный расчет защиты атомных электростанций./ Под ред. А.П. Веселкина, Ю. А. Егорова. М.: Атомиздат., 1976. 296 с.

12. Выход радиоактивных продуктов деления из дефектных ТВЭЛов с оксидным топливом. Обзор по отечественным и зарубежным источникам, 1964 1986 г.г. М.: ГК ИАЭ СССР, 1987.

13. Санитарные правила проектирования и эксплуатации атомных станций (СП АС-03). М.: Минздрав России, 2003. - 75 с. - (Санитарные правила и нормативы; СанПиН 2.6.1.24-03)

14. Гольданский В. И., А. В. Куценко А. В., Подгорецкий М. И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. М.: Физматгиз, 1959. -411 с.

15. Поликарпов В.И., Филонов B.C., Чубакова О.В., Юзвук Н.Н. Контроль герметичности тепловыделяющих элементов. М.: Госатомиздат, 1962.- 39 с.

16. Устройство группового контроля УГК-02Р. Руководство по эксплуатации. АБЛК.468789.400 РЭ 54 с.

17. Устройство поканального контроля УПК-04Р. Руководство по эксплуатации. АБЛК.412151.400 РЭ 62 с.

18. Андрианов Т.В., Волков, С.В., Володин В.П. Экспериментальное определение радиометрических и спектрометрических характеристик блоков детектирования БДРС-05Р и БДРС-05Р1 // Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. 2005. - № 8.- С. 37-41

19. ГОСТ 17138-81. Аппаратура контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов атомных электростанций. Общие технические требования и методы испытаний.- Введ.01.01.82. М.: Изд-во стандартов, 2001. — 6 с.

20. Устройство детектирования УДЕГ-14Р. Руководство по эксплуатации. АБЖ.418271.413 РЭ. 58 с.

21. Блок детектирования БДЕГ-ОГК-ЗК. Технические условия УЖА.418257.013 ТУ. 63 с.

22. Устройство детектирования УДЕГ-15Р. Руководство по эксплуатации. АБЛК.418257.413 РЭ. 54 с.

23. Устройство детектирования УДЕГ-1 ЗР. Руководство по эксплуатации. АБЛК.418271.412 РЭ.- 57 с.

24. Устройство контроля УХ-97. Руководство по эксплуатации. АБЛК.412131.407РЭ. — 53 с.

25. Блоки детектирования БДРС-05Р. Руководство по эксплуатации. АБЛК.412151.400 РЭ. 62 с.

26. Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции. Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1994.-291 с.

27. Сельдяков Ю. П., Дорин А. Б. Состояние и перспективы развития спектрометрической аппаратуры. Практика решения прикладных задач. //Ядерные измерительно-информационные технологии. 2002.- № 1.-С.58- 65

28. Андрианов Т.В., Волков С.В., Володин В.П., Кутелев А.С. Экспериментальное сравнение чувствительности устройства УПК-04Р к гамма-излучению точечных и объемных источников // Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. 2006. - № 1. — С. 40-42

29. ГОСТ 8.355-79. Радиометры нейтронов. Методы и средства поверки. -Введ.01.07.80. М.: Изд-во стандартов, 1979. - 29 е.- ( Государственная система обеспечения единства измерений).

30. Бак М.А., Шиманская Н.С. Нейтронные источники. М.: Атомиздат, 1969.- 167 с.

31. Вяземский В.О. и др. Сцинтилляционный метод в радиометрии. М.: Госатомиздат, 1961. — 430 с.

32. Машкович В.П. Справочник. Защита от ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1982.- 296 с.

33. Типовая методика контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов на основе программно-технического комплекса. Концерн «РОСЭНЕРГОАТОМ». РД ЭО 0565-2004. 29 с.

34. Типовая методика контроля эксплуатационных пределов безопасной эксплуатации по повреждению тепловыделяющих элементов на основе устройств автоматической регистрации активности теплоносителя. Концерн «РОСЭНЕРГОАТОМ». РД ЭО 0635-2005. 19 с.

35. ГОСТ 26652-85. Блоки детектирования сцинтилляционные. Общие технические требования и методы испытаний. — Введ.01.01.87. — М.: Изд-во стандартов, 1986. 14 с.

36. Пронкин Н.С. Первичные преобразователи радиоизотопной аппаратуры. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 73 с.

37. Бронштейн И.Н., Семендаев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВУЗов. М.: Наука, Изд-е 15-е, 1998. 608 с.43. «Бутея» Образцовый радиометр РБГ-07. ЖШ2.807.552 ТУ 62 с.

38. Микронагнетатель МР2-2Г. ТУ N333-1054. 57 с.

39. ГОСТ 21496-89. Средства измерений объемной активности радионуклидов в газе. Общие технические требования и методы испытаний.-Введ.01.01.91. — М.: Изд-во стандартов, 1989. 12 с.

40. Бета- и гамма-спектрометрия. /Под ред. К. Зигбан М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.-894с.

41. Хайн Дж., Браунелл Г. Радиационная дозиметрия. М.: Издательство иностранной литературы, 1958. — 602 с.

42. Антонов В.П., Груздева А.А., Жернов В.С.и др. Контроль за распространением радионуклидов по технологическим контурам АЭС // Атомная энергия. Т. 53. Вып. 3 (сентябрь 1982). С. 138-143

43. Тодоров Н., Велчев Г. и др. Радиационная обстановка в период пуска и освоения мощности 5-го блока АЭС «Козлодуй» // Атомная энергия. Т. 69. Вып. 5 (Ноябрь 1990). С. 339-341

44. Сивинцев Ю.В. Радиационная безопасность на ядерных реакторах. М.: Атомиздат, 1967. 640 с.