Способ автоматического контроля снимаемой альфа-загрязненности твэлов и устройство для его осуществления
AUTOMATIC CONTROL METHOD OF REMOVING FUEL ELEMENTS ALPHA-POLLUTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к контролю снимаемой альфа-загрязненности твэлов и может быть применено на объектах использования атомной энергии.
В известных методических указаниях «МУК2.61.016-99. Контроль загрязнений радиоактивными нуклидами поверхностей рабочих помещений, оборудования, транспортных средств и других объектов» отмечено, что метод мазков дает возможность непосредственного измерения снимаемой активности того радиоактивного вещества, и, в частности, ос-загрязненности, которое переходит контактным путем на обувь, спецодежду и участки тела работающих, и что он является наиболее качественным методом по решению задач контроля загрязненности окружающей среды. В соответствии с рекомендациями МУК2.61.016-99 контроль радиоактивной загрязненности поверхности методом сухого мазка разделяется на следующие этапы:
- подготовка взятия мазка;
- отбор пробы при помощи мазка;
- измерение активности счетного образца;
- определение уровня загрязненности.
Указана также радиометрическая установка для измерения суммарной α-активности Qa, которая включает альфа-радиометр, эталонные меры суммарной α-активности, контрольный α-источник. В данных методических указаниях раскрыт только общий подход к выполнению метода сухого мазка при определении радиоактивной альфа-загрязненности, предоставляя право выбора средств контроля самим исполнителям. (Интернет, сайт docs.cntd.ru>document/675401983).
Известен и способ определения поверхностной альфа-загрязненности металла с применением мазков путем снятия радиоактивных веществ с загрязненной поверхности ватным тампоном, марлей или фильтровальной бумагой. Мазки берут сухими или влажными (смоченными азотной кислотой) материалами. Доля снятия радиоактивных веществ с гладкой поверхности мало зависит от материала и в основном определяется видом мазка и качеством снятия. При определении качества снятия мазков используют средние коэффициенты снятия в процентах (относительных единицах), то есть при использовании для снятия мазка фильтровальной бумаги средний коэффициент снятия принимают равным 20% (0,2), при использовании марлевого (ватного) тампона, смоченного водой, этот коэффициент составляет уже 60% (0,6), а применяя ватный или марлевый тампон, увлажненный азотной кислотой, коэффициент снятия принимают уже равным 90% (0,9).
3
2
2
При взятии мазков с использованием фильтровальной бумаги ее разрезают на квадратики размером 3×3 см. При взятии же мазков влажными материалами подготовительную стадию проводят следующим образом. Первоначально готовят раствор азотной кислоты путем разбавления 70-100 см концентрированной кислоты в 11 л воды (при смачивании водой - просто берут дистиллированную воду), затем кладут в плоскую стеклянную посуду большой кусок марли или ваты, смачивают его приготовленным раствором и отжимают. Из приготовленных материалов отделяют небольшие кусочки ваты или марли и приготавливают из них тампоны размером 5×4 см толщиной 1-1,5 см. Подготовленными тампонами мазки берут с поверхности 300 см. При невозможности взять мазок с такой площади его берут с меньшей, однако впоследствии загрязненность пересчитывают на площадь 1 см, причем подготовленную фильтровальную бумагу или тампон прижимают к углу контролируемого участка поверхности металла и проводят им параллельно одному из краев, последовательно переставляя бумагу или тампон так, чтобы пройти ими один раз в одном направлении по всей поверхности. После взятия мазков тампоны помещают в полиэтиленовые пакеты и отправляют в лабораторию радиационного контроля. Там их обсушивают в тигле на электроплитке в чашке Петри и переносят в муфельную печь, в которой проводят их полное сгорание. Альфа-загрязнение озоленных мазков потом измеряют с помощью оборудования, в частности используют следующие приборы: МКС-01Р с соответствующими блоками детектирования УМФ-2000, УМФ-1500М и ДП-100-АД-М с альфа-датчиком (см. Интернет, сайт Методика радиационного контроля металлолома на территории Краснодарского края от 25.09.1998 г., docs.pravo.ru>document/view/63164084/73896461/).
Следует отметить, что в рассматриваемом способе, ввиду его специфичности, все проводимые операции по подготовке и взятию мазков на определение загрязненности металла выполняются вручную. Кроме того, кислые мазки допускаются в крайних случаях, поскольку любая кислота разъедает внешний слой ряда поверхностей, и результат измерений может исказиться за счет смешения фиксированного и нефиксированного загрязнений, и тем более при механизации ручных операций этого способа с использованием оборудования применение кислых мазков из-за коррозионных явлений вообще неприемлемо.
Известна установка для контроля радиоактивности материалов, которая включает рабочий стол, состоящий из эталонной секции, предназначенной для размещения заранее изученного образца, и рабочей секции, предназначенной для размещения исследуемого образца материала. Эти секции разделены защитными экранами, непроницаемыми для излучения. На рабочем столе на стойках и путевых балках подвижно установлена кран-балка с тельфером. На тельфере посредством тягового троса и стабилизатора закреплена измерительная плита. Измерительная плита включает центральную панель, шарнирно закрепленную на стабилизаторе, левую и правые панели, шарнирно связанные с боковыми поверхностями центральной панели.
Кроме того, все панели связаны между собой посредством фиксирующего устройства, обеспечивающего возможность измерительной плите принимать фиксированное положение, когда все панели расположены в одной плоскости параллельно плоскости стола, и свободное, когда все панели могут колебаться в шарнирах независимо друг от друга. На панелях установлены блоки детекторов, соединенных посредством коммутации с ЭВМ. Установка предназначена для контроля радиоактивной загрязненности рассыпных и затаренных материалов (см. патент РФ №2113719, G01T 1/16, G01T 7/00, опубликован 20.06.1988 г.).
Известен также способ определения поверхностной загрязненности и устройство отбора проб с загрязненной поверхности. Способ определения загрязненности исследуемой поверхности основан на создании тракта нагнетания-отсоса воздуха. При этом нагнетают воздух в замкнутый объем под углом к исследуемой поверхности, сдувают с исследуемой поверхности и осаждают загрязнения, пропуская поток воздуха через фильтр. Затем анализируют количество и активность радионуклидов, осажденных на фильтре, и пересчитывают их на единицу площади исследуемой поверхности. Для реализации этого способа предложено устройство для отбора проб с загрязненной поверхности, состоящее из корпуса, внутри которого установлен фильтрующий элемент с подводящими и отводящими патрубками, отсасывающего насоса. Нижняя часть корпуса выполнена открытой. Кроме того, подводящие патрубки соединены с отверстиями, выполненными в нижней части корпуса и расположенными под углом к исследуемой поверхности. Способ и устройство предназначены для выполнения контроля за окружающей средой, в том числе для контроля загрязненности различных твердых поверхностей (см. патент РФ на изобретение №2408003, G01N 15/00, опубликован 27.12.2010 г.).
Все вышеперечисленные способы и устройства решают задачи контроля радиоактивной зараженности окружающей среды и не предназначены для определения альфа-загрязненности находящихся в производстве длинных и тонких твэлов. Технические решения, касающиеся контроля снимаемой альфа-загрязненности твэлов, отсутствуют.
Задача предложенной группы изобретений, объединенной единым авторским замыслом, состоит в создании способа и реализующего его устройства, позволяющих автоматизировать процесс контроля альфа-загрязненности поверхности твэлов.
2
Технический результат - автоматизация технологического процесса контроля альфа-загрязненности поверхности находящихся в производстве длинных и тонких твэлов, обеспечивается тем, что в результате созданного принципиально нового процесса контроля наличия радиоактивности методом сухого мазка твэл подают пошагово на позицию контактирования его поверхности с материалом, выполненным в виде тканевой ленты, которую также пошагово поперечно направляют к твэлу. При этом поверхность твэла механически плотно обжимают лентой снизу с нормированным усилием, не превышающим предела прочности тканевой ленты и твэла, но достаточным для абсорбции в нее альфа-частиц. Затем твэл протягивают через обжатую ленту до получения сухого мазка (пятна), снимают механическое усилие и перемещают ленту с полученным пятном на шаг под установленный над ней α-детектор, который регистрирует наличие загрязненности. При этом следует исключить необходимость перерасчета на площадь 1 см, чтобы обзорная возможность детектора превышала размер пятна контакта. Уровень же загрязненности твэла определяют в дальнейшем с использованием известного оборудования.
При реализации способа размер пятна с α-излучением на ленте получают в пределах 40×30 мм, а тканевую ленту относительно позиции контактирования с тканевой лентой перемещают на шаг L, равный 90-100 мм.
Предлагаемый способ реализуют с помощью устройства автоматического контроля альфа-загрязненности твэлов, которое содержит установленную в лоток на позицию контакта кассету, в корпусе которой смонтированы две катушки с тканевой лентой, каждая из них с датчиком количества ленты, направляющие ролики, датчик натяжения ленты, а также размещенный над лентой со смещением на шаг от позиции контактирования ленты с твэлом связанный с измерительной аппаратурой α-детектор и размещаемый под лентой механизм обжима ленты к поверхности твэла. Механизм обжима ленты включает два подвижных фигурных сегмента длиной, равной ширине ленты, и с внутренним диаметром по диаметру твэла с упругими прокладками. Фигурные сегменты соединены штоком с пружинным блоком, связанным через датчик усилия с электроприводом, имеющим шаговый двигатель, управляемый измерителем силы прижима сегментов. Для нормированного пошагового перемещения ленты в кассете механизм вращения катушек снабжен шаговыми двигателями, а измерительная аппаратура и измеритель сил связаны с логическим контроллером, соединенным с промышленным компьютером.
Устройство также характеризуется тем, что для обеспечения надежности его работы кассета снабжена электрическим разрывным разъемом, обеспечивающим соединение датчиков кассеты с контроллером управления при установке кассеты в лоток, а также свидетельствует о наличии кассеты в лотке, а в качестве тканевой ленты применена бязевая ткань по ГОСТ 29298-2005. Для фиксации кассеты в лотке она снабжена ручкой и защелкой.
Предлагаемая группа изобретений обладает новизной, поскольку совокупность существенных признаков как способа по изобретению, так и устройства его реализующего заявителем в источниках общетехнической и патентной информации не выявлена.
Заявляемые в качестве изобретения способ и устройство его осуществляющее обладают также изобретательским уровнем, поскольку подход к решению проблемы автоматизации контроля альфа-загрязненности удлиненных и тонких твэлов не является очевидным, что подтверждается полным отсутствием какой-либо информации по данному вопросу.
Промышленная применимость группы изобретений не вызывает сомнения, поскольку технических проблем в их осуществлении не имеется, а конструкция устройства может быть реализована с использованием известных промышленных технологий и комплектующих узлов и механизмов.
Предлагаемая группа изобретений проиллюстрирована чертежами, где на фиг. 1 изображен схематично общий вид устройства, на фиг. 2 - его вид сверху, общий вид кассеты с катушками и датчиками изображен на фиг. 3, а на фиг. 4 изображена схема движения твэла и тканевой ленты на шаг относительно друг друга, на фиг. 5 показана схема охвата твэла лентой кассеты с помощью механизма обжима, на фиг. 6 - устройство УКС-М-0,2, на фиг. 7 - измеритель счета импульсов УИМ2-2Д, а на фиг. 8 показана блок-схема автоматического управления работой устройства.
2
2
2
2
Способ автоматического контроля альфа-загрязненности твэлов заключается в том, что проверяемый твэл 11 подают по стрелке А пошагово с помощью любого транспортного средства, например роликового, на позицию контактирования его поверхности с тканевой бязевой лентой 5, которую также пошагово поперечно по стрелке Б направляют к твэлу 11 (фиг. 4). При этом поверхность твэла 11 механически плотно обжимается снизу с нормированным усилием, не превышающим предела прочности тканевой ленты 5 на разрыв, равным 1,77-2,11 кгс/см (ГОСТ 29298-2005), а рекомендуемое пунктом 2.5 методических указаний МУК2.61.016-99 достаточное усилие для снятия α-загрязненности с поверхности оборудования с использованием листов фильтровальной бумаги составляет 0,3 кгс/см, следовательно, нагрузка, производимая в пределах от 0,3 до 1,5 кгс/см, гарантирует целостность тканевой бязевой ленты и обеспечивает при этом качественный съем альфа-загрязненности с поверхности твэла 11, пределы прочности которого составляют от 8700 до 9000 кгс/см. Далее, после обжатия твэла 11 лентой 5, его протягивают с получением сухого мазка 45 (пятна) на ленте 5, затем усилие снимают, а ленту 5 с полученным пятном перемещают на шаг под установленный над ней α-детектор, регистрирующий наличие загрязнений с дальнейшим определением уровня загрязненности твэла с помощью известного измерительного оборудования.
Способ осуществляется с помощью устройства автоматического контроля альфа-загрязненности твэлов, содержащего устанавливаемую в лоток 1 на позицию контакта 2 кассету 3, в корпусе 4 которой смонтированы с тканевой лентой 5 две катушки 6 и 7, каждая с датчиком 8 количества ленты, направляющие ролики 9, датчик 10 натяжения ленты, а также размещенный над лентой со смещением на шаг от позиции контактирования ленты 5 с твэлом 11 связанный с измерительной аппаратурой 12 α-детектор 13 и размещаемый под лентой 5 механизм 14 обжима ленты к поверхности 15 твэла 11. Механизм 14 обжима ленты включает в свой состав два подвижных фигурных сегмента 16 длиной, равной ширине ленты 5, и с внутренним диаметром 17 по диаметру твэла 11 с упругими прокладками 18. Фигурные сегменты 16 соединены штоком 19 с пружинным блоком 20, связанным через датчик 21 усилия с электроцилиндром 22, имеющим шаговый двигатель 23, управляемый измерителем 24 силы прижима сегментов 16. Для нормированного перемещения ленты 5 в кассете 3, каждая катушка 6 и 7 снабжена механизмом 25 их вращения с шаговыми двигателями 26, а измерительная аппаратура 12 и измеритель сил 24 связаны с логическим контроллером 27, соединенным с промышленным компьютером 28.
Блок пружин 20 состоит из пружины 29 большого диаметра, смонтированной у основания 30 штока 19 и малой пружины 31, размещенной в вилке 32, на который опирается малый шток 33, поддерживающий твэл 11, а края 34 вилки 32 контактируют с подвижными сегментами 16. Столешница 35 удерживает вилку 32 от смещения по вертикали. Для надежной работы устройства кассета 3 снабжена электрическим разрывным разъемом 36, обеспечивающим соединение датчиков - 8 количества ленты, 10 натяжения ленты и 21 усилия - с программно-логическим контроллером 27 управления при установке кассеты в лоток 1, а также свидетельствующим о наличии кассеты 3 в лотке 1.
2
Ручка 37 и защелка 38 обеспечивают фиксацию кассеты 3 по месту ее установки в лотке 1. При выборе тканевой ленты 5 предпочтение отдано бязевой ткани по ГОСТ 29298-92, ЗАО «Промтекстиль», г. Воронеж, шириной а=40 мм. В качестве α-детектора 13 выбран детектор БДЗА-100С с обзорной площадью, равной 28 см, с длиной кабеля связи до 20 м и диапазоном рабочих температур от минус 40 до плюс 50°C, а в качестве измерителя 24 силы прижима сегментов 16 определен задатчик-индикатор устройства контроля сил УКС-М-0,2.
В качестве измерительной аппаратуры 12 может быть применен измеритель скорости счета импульсов двухканальный УИМД2-2Д - стационарный прибор, обеспечивающий решение разных задач радиационного контроля, в том числе и контроля альфа-загрязненности.
Автоматизация процесса определения загрязненности твэлов обеспечивается совокупностью контрольно-измерительных средств, составляющих блок-схему управления работой устройства, осуществляющего этот способ. Так, работу датчиков 8 количества ленты 5 на катушках 6 и 7 и датчика 10 натяжения этой ленты контролирует через модуль аналогового ввода 39, интерфейс 40 RS485 программно-логический контроллер 27, соединенный с промышленным компьютером 28. Подача ленты 5 с катушки 6 на катушку 7 шаговыми двигателями 26 также управляется контроллерами 41 и 42, в свою очередь соединенными через интерфейс 40 с общим программно-логическим контроллером 27 управления и вычисления, также соединенным с компьютером 28. Шаговый двигатель 23 электроцилиндра 22 также имеет свой контроллер 43, взаимодействующий посредством интерфейсов 40 с программно-логическим контроллером. Регистрирующий усилие на штоке 19 от электроцилиндра 22 датчик усилия - тензодатчик 21 - через нормирующий преобразователь 44 соединен с измерителем 24 силы прижима сегментов 16, тоже связанным с программно-логическим контроллером 27. Детектор 13, зафиксировав наличие альфа-загрязненности, посылает сигнал в измеритель счетных импульсов, откуда он поступает в компьютер 28.
Таким образом, программно-логический контроллер 27 обеспечивает в режиме реального времени сбор сигналов с датчиков 8, 10, 21, 24 и организует вывод требуемых технологических сигналов на исполнительные органы - шаговые двигатели 26 катушек 6 и 7, на устройство 24 прижима сегментов, программно согласуя их совместные действия.
Устройство автоматического контроля снимаемой альфа-загрязненности твэлов работает следующим образом.
2
Лоток 1 с кассетой 3 при помощи ручного механизма (не показан) дистанционно заводится по ходу твэла 11 на позицию 2 его контакта с лентой 5 катушек 6 и 7. При подаче электропитания датчики 8 регистрируют имеющееся технологическое натяжение ленты 5. Перемещающийся с помощью роликового конвейера (не показан) устанавливается на позиции 2 над механизмом 14 обжатия ленты, при этом на шаговый двигатель 23 электроцилиндра 22 от программно-логического контроллера 27 через измеритель 24 силы поступает сигнал на приведение его в действие. Электроцилиндр 22 воздействует с заданным нормированным усилием на шток 19, приводя в действие тензодатчик 21, пружинный механизм 20 и через вилку 32 пружину 31, а малый шток 33 смыкает подвижные сегменты 16, плотно через упругие прокладки 18 обжимая поверхность неподвижного твэла 11. При протяжке обжатого механизмом 14 твэла 11 лентой 5 и его последующем раскрытии получается пятно 45 контакта (мазок) с размерами 40×30 мм, загрязненное альфа-частицами с учетом коэффициента снятия, равного 0,2 для сухого метода снятия мазков. Лента 5 при помощи шаговых двигателей 26 катушек 6 и 7 перемещается на величину шага подачи L=90-100 мм таким образом, чтобы пятно контакта со стороной а=30 мм и b=40 мм оказалось под α-детектором 13, например, типа БДЗА-100С площадью детекции (обзорности), равной 28 см, измеренный результат с которого поступает в измерительную аппаратуру 12, которая может быть представлена, в частности, измерителем скорости счета импульсов двухканальным УИМД2-2Д - стационарный прибор, обеспечивающий решение разных задач радиационного контроля, в том числе и контроля альфа-загрязненности. Для заполнения протокола измерений альфа-загрязненности твэла результаты их уровня загрязненности направляются в промышленный компьютер 28. Результаты измерения используются для отбраковки твэлов 11 с повышенным уровнем альфа-загрязненности как наиболее опасным для окружающей биологической среды.
Предлагаемый способ и устройство впервые в отечественной практике позволяют автоматизировать контроль снимаемой альфа-загрязненности твэлов, полностью исключить участие человека в этом вредном для здоровья процессе.
Источники информации
1. Полезная модель РФ №120498, G01T 1/167, опубл. 20.09.2012 г.
2. Полезная модель РФ №110507, G01T 1/167, опубл. 20.11.2011 г.
3. Заявка на изобретение РФ №94008278, G01T 1/116, опубл. 10.02.1996 г.
4. Патент РФ №2316064, G21C 1/00, опубл. 27.01.2008 г.
5. Патент РФ №2092917, G21C 17/06, опубл. 10.10.1997 г.
6. Патент РФ №2256248, G21C 17/06, В07С 5/00, опубл. 10.07.2005 г.
7. Патент РФ №2170961, G21C 17/06, В07С 5/00, опубл. 20.07.2001 г.
8. Патент РФ №2155394, G21C 17/06, опубл. 27.08.2000 г.
9. Патент РФ №2261489, G21C 17/06, G21C 21/02, опубл. 27.09.2005 г.
10. Патент РФ №2387988, G01N 30/00, опубл. 27.04.2010 г.
11. Патент США №4728483, G21C 17/06, опубл. 01.03.1988 г.
12. Патент США №4847037, G21C 17/06, опубл. 11.07.1989 г.
13. Патент ЕР 192137, G21C 21/02, опубл. 28.09.1990 г.
14. Патент ФРГ №4334320, G01T 1/169, опубл. 20.06.1995 г.