Детектор прямой зарядки

Полезная модель - детектор прямой зарядки (обозначаемый далее «ДПЗ) относится к технике измерения ионизирующих излучений, является внутриреакторным датчиком контроля энерговыделения и относится к оборудованию системы внутриреакторного контроля. Детекторы прямой зарядки (ДПЗ) могут использоваться для измерения распределения энерговьщеления по объему активной зоны и применяются, преимущественно, для внутриреакторных измерений плотности потока нейтронов и флюенса нейтронов.
ДПЗ функционируют в тяжелых условиях работы: высокая температура, интенсивное у- и нейтронное излучение. При этом, ДПЗ должны обладать достаточно высокими метрологическими и надежностными характеристиками, иметь небольшие размеры и конструктивно сопрягаться с внутрикорпусными агрегатами.
ДПЗ по сравнению с другими типами нейтронно-чувствительных детекторов обладают следующими преимз цествами: а) возможность размещения в реакторе  количества детекторов вследствие малых собственных габаритов; б) срок службы детекторов может достигать не менее одной кампании реактора, а их чувствительность корректируется расчетным путем; в) простота конструкции детекторов и хорошая технологическая воспроизводимость параметров - разброс чувствительности не более ±1%.
Известен детектор прямой зарядки, состоящий из эмиттера и коллектора, между которыми находится изолятор (В .А. Брагин, И.В. Батенин, М.Н. Голованов и др.; Под ред. Г.Л. Левина. - Системы внутриреакторного контроля АЭС с реакторами ВВЭР. М.: Энергоатомиздат,
1987, с. 19-22). При облучении иейгронами эмиттер излучает электроны, которые через изолятор попадают на коллектор и образуют во внешней цепи электрический ток. По кабелю выходной сигнал ДПЗ выводится за пределы корпуса реактора. Эмиттер ДПЗ типа ДПЗ-1М представляет собой родиевую проволоку диаметром 0,5 мм и длиной 200 мм. Изолятор изготовлен из кварцевой трубки, коллектор - из нержавеющей трубки диаметром 1,3 мм. В качестве линии связи используется двухжильный кабель типа КТМС с изоляцией из окиси магния. Токоведущая жила кабеля  для вывода за пределы корпуса реактора выходного сигнала ДПЗ. Вторая (фоновая) жила вырабатывает фоновый ток вследствие воздействия на нее внутриреакторных излучений, который в измерительной аппаратуре вычитается из тока токоведущей жилы.
Выходной сигнал ДПЗ пропорционален плотности нейтронного потока в месте его расположения, который в свою очередь связан с энерговыделением в ближайших твэлах.
Суш,ественным недостатком указанной конструкции является ее низкая эксплуатационная надежность вследствие высокой вероятности разрушения изолятора при установке ДПЗ в искривленной измерительный канал реакторной установки, что может приводить к короткому замыканию эмиттера и коллектора и потере работоспособности ДПЗ.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является детектор прямой зарядки, содержащий коллектор, изготовленный из электропроводящего материала с малым сечением взаимодействЕи с нейтронами, в котором размещен эмиттер, изготовленный из материала с высоким сечением взаимодействия с нейтронами, испускающего вследствие этого электроны, изоляционный элемент, расположенный между эмиттером и коллектором и изготовленный из материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, кабель, Токоведущая жила которого присоединена к эмиттеру, а оболочка герметично присоединена к коллектору (Патент РФ № 2 138 833, оп.
27.09.1999, МГЖ G 01 Т 3/00, Н 01 J 47/12. Детектор нейтронов прямого заряда). В з азанной конструкции изоляционный элемент представляет собой трубку, выполненную из кварца или окисла металла. Таким образом, данная конструкция обладает тем же недостатком, что и аналог: высокой вероятностью разрушения изолятора при установке ДПЗ в искривленный измерительный канал реакторной установки, что может приводить к короткому замыканию эмитгера и коллектора и потере работоспособности ДПЗ, то есть данная конструкция ДПЗ обладает невысокой эксплуатационной надежностью. Кроме того, при установке такого ДПЗ в искривленный измерительный канал реакторной установки возможно смещение эмиттера относительно коллектора, превышающее допустимые пределы, что отрицательно скажется на метрологических характеристиках детектора, в частности, на точности определения энерговыделения в данной области реакторной установки. Это может привести, в свою очередь, к увеличению погрешности определения общего энерговыделения. При вибрациях и ударных нагрузках, сопутствующих эксплуатации энергоустановки, существует вероятность разрушения изоляционного элемента с последующем замыканием эмитгера и коллектора. Торцевое стыковое соединение эмиттера с токопроводяшей жилой кабеля х актеризуется недостаточной прочностью, а следовательно, и низкой надежностью. Кроме того, при соединении оболочки кабеля и коллектора возможно соприкосновение оболочки с эмиттером, приводящее к их замыканию и потере работоспособности ДПЗ.
Перед авторами заявленной полезной моделш стояла задача повысить технологичность изготовления ДПЗ и его надежностные характеристики за счет более качественных и прочных изоляционных элементов и более высокой надежности электрических соединений внутри ДПЗ на всех этапах жизненного цикла детектора, включая этапы испытаний, транспортировки, размещения детектора в измерительный канал реакторной установки и эксплуатации ДПЗ.
Поставленная задача достигается тем, что в детекторе нрямой зарядки (ДПЗ), содержащем коллектор, изготовленный из электропроводящего материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, в котором размещен эмиттер, изготовлеьшый из материала с высоким сечением взаимодействия с нейтронами, испускающего вследствие этого электроны, изоляционный элемент, расположенный между эмиттером и коллектором и изготовленный из материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, кабель, токоведущая жила которого присоединена к эмиттеру, а оболочка герметично присоединена к коллектору, изолящюнный элемент выполнен в виде плотной набивки, коллектор выполнен в виде цилиндра, который с одной стороны имеет герметизирующий элемент с внутрен1шм изоляционным слоем, а с другой стороны - изоляционную втулку, расположенную между эмиттером и оболочкой кабеля.
Кроме того, в эмиттере ДПЗ может быть выполнена угловая прорезь, в которую жестко установлена токоведущая жила кабеля.
Для повышения надежностных характеристик ДПЗ изоляционный элемент выполнен в виде плотной набивки, например, из мелкодисперсного порошка окисла металла методом прессования. Выполнение изоляционного элемента в виде плотной набивки, во-первых, повышает технологичность изготовления ДПЗ, а во-вторых, - повышает его надежностные характеристики за счет исключения возможности относительного перемещения эмиттера и коллектора при изгибах детектора и их возможного замыкания на различных этапах жизненного цикла детектора.
Между оболочкой кабеля и эмиттером размещают изоляционную втулку для исключения возможности короткого замыкания между ними, уменьшая тем самым отбраковку изготовленных ДПЗ и повышая технологичность изготовления.
В заявляемую констрз кцию детектора введен герметизируюпщй элемент с внутренним изоляционным слоем, например, из порошка окиси металла, который, с одной стороны, предотвращает замыкание эмиттера на
коллектор и, кроме того, позволяет подсоединять оборудование для проведения более качественной откачки среды внутри ДПЗ и для проверки герметичности детектора масс-спектрометрическим методом.
При сборке детектора возникает технологическая трудность во взаимном размещении токоведущей жилы кабеля и эмиттера для последующей их соединения. Для повышения надежности соединения токоведущей жилы и эмитгера, а также существенного повышения технологичности сборки детектора в эмиттере вьшолнена угловая прорезь, в которую размещается токоведущая жила кабеля. Токоведущая жила в прорези фиксируется по всей ее длине по линиям сопряжения, например, лазерной сваркой.
На фиг. 1 изображен обпрш вид ДПЗ. На фиг. 2 показано поперечное сечение (вид А-А) эмиттера в области угловой прорези с токоведущей жилой кабеля.
ДПЗ содержит коллектор 1 (см фиг. 1), изготовленный из электропроводящего материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, в котором размещен эмиттер 2, изготовленный из материала с высоким сечением взаимодействия с нейтронами, испускающего вследствие этого электроны, изолящюнный элемент 3, расположенный между эмиттером и коллектором и изготовленный из материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, кабель 4, токоведущая жила 5 которого присоединена к эмиттеру, а оболочка 6 герметично присоединена по периметру к коллекгору 1. Место присоединения обозначено на фиг. 1 стрелкой. Изоляционный элемент 3 выполнен в виде плотной набивки, коллектор 1 выполнен в виде цилиндра, который с одной стороны имеет герметизирующий элеменг 7 с внутренним изоляционным слоем 8, а с другой стороны - изоляционную втулку 9, расположенную между эмиттером 2 и оболочкой 6 кабеля 4. Герметизируюпщй элемент 7 герметично присоединен по периметру к коллектору 1. Место присоединения обозначено на фиг. 1 стрелкой. Вывод токоведущей жилы 5 кабеля 4 через узел герметизации 10
соединен с гибким проводником 11. В эмиттере 2 выполнена угловая прорезь 12 (см. фиг. 2), в которую жестко установлена токоведущая жила 5 кабеля 4. Фоновая жила 13 через узел герметизации 10 соединена с гибким проводником 14. Гибкие проводники 11 и 14 присоединяются к измерительному блоку (на фиг. 1 и 2 не показан). Поверхность токоведущей жилы при установке в угловую прорезь эмиттера не выходит за габаритные размеры боковой поверхности эмитгера за счет выбора диаметра токоведущей жилы кабеля, как правило, меньшего размера по сравнению с диаметром эмитгера (при другом соотношении диаметров эмиттера и токоведущей жилы кабеля з ловая прорезь может быть выполнена в токоведущей жиле кабеля). Токоведущая жила 5 в прорези 12 эмиттера фиксируется путем присоединения к эмитгеру 2 на длину прорези по линиям сопряжения, например, лазерной сваркой. Место присоединения обозначено на фиг. 1 и на фиг. 2 стрелками.
ДПЗ изготавливается следуюпщм образом.
Коллектор 1 детектора изготовлен из электропроводящего материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, например, из трубки диаметром от 2 до 3 мм и длиной от 70 до 120 мм из стали 12Х18Н10Т. В коллекторе 1 размещен эмитгер 2. Эмиттер 2 изготовлен из материала с высоким сечением взаимодействия с нейтронами, испускающего вследствие этого электроны, например, вез родиевой проволоки диаметром от 1 до 1,5 мм и длиной от 60 до 100 мм Изоляционный элемент 3 расположен между эмиттером 2 и коллектором 1. Изоляционный элемент 3 изготовлен из материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, например, из мелкодисперсного порошка окиси магния запрессовкой порошка между эмиттером 2 и коллектором 1. Таким образом, изоляционный элемент 3 выполнен в виде плотной набивки.
В качестве линии связи детектора нейтронов прямого заряда с измерительным блоком (на фиг. 1 и 2 не показан) используется «твистированный двухжильный кабель 4 с минеральной изоляцией и
,.
проводящей оболочкой 6, например, кабель типа КТМС диаметром 1 мм. Токоведущая жила 5 кабеля присоединена к эмиттеру 2, а оболочка 6 герметично присоединена по периметру к коллектору 1, например лазерной сваркой. Вторая жила 13 кабеля 4, изолированная от токоведущей жилы 5, является фоновой жилой для контроля фонового тока и используется для повышения точности измерения и дополнительного контроля характеристик детектора в процессе эксплуатации. Токоведзоцая жила 5 и фоновая жила 13 через узел герметизации 10 соединены с гибкими проводниками 11 и 14 соответственно, которые присоединяются к измерительному блоку. Узел герметизации 10 вьшолнен, например, на основе эпоксидной втулки с наполнителем для обеспечения герметичности внутреннего пространства детектора и изолирует между собой области присоединения токоведущей жилы 5 и фоновой жилы 13с гибкими проводниками 11 и 14 соответственно.
С одной стороны коллектор 1 присоединен герметично по периметру, например, с помощью лазерной сварки, с герметизирующим элементом 7 с внутренним изоляционным слоем 8 из напрессованной окиси магния. Герметизирующий элемент 7 представляет собой трубку диаметром, не превышаюпщм внешнего диаметра коллектора. На внутреннюю поверхность герметизирующего элемента напрессован внутренний изоляционный слой, например, из окиси магния.
Со стороны кабеля между эмиттером 2 и оболочкой 6 кабеля 4 установлена изоляционная втулка 9, например, из окиси алюминия, положение которой в детекторе фиксируется с одной стороны эмиттером 2 , а с другой стороны, - оболочкой 6 кабеля 4.
В эмиттере 2 выполнена угловая прорезь 12, в которую жестко установлена токоведущая жила 5 кабеля 4. При сборке детектора угловая прорезь 12 обеспечивает технологичность изготовления детектора за счет фиксации взаимного размещения токоведущей жилы кабеля и эмиттера и повышения надежности соединения токоведущей жилы и эмиттера, например, сваркой. Угловая прорезь выполнена с углом растра 45°-г60° на
длину от 5 до 7 мм, таким образом, чтобы noBq)XHOCTb токоведущей жилы при установке в эмиттер не выходила за поверхность эмиттера. Токоведущая жила в прорези фиксируется на ее длину по линиям сопряжения с прорезью, например, лазерной сваркой.
ДПЗ работает следующим образом. В активной зоне реактора несколько ДПЗ расположены на одной вертикали и конструктивно объединены в нейтронно-измерительный канал. После воздействия потока нейтронов на эмиттер 2, его материал становится радиоактивным и испускает электроны, которые проходят через изоляционный элемент 3 и поглощаются коллектором 1. При этом эмиттер 2 заряжается положительно, коллектор 1 отрицательно, а в замкнутой цепи, образованной эмиттером 2, коллектором 1, оболочкой 6 кабеля 4 измерительным блоком (на фиг. 1 и 2 не показан), гибким проводником 11 и токоведущей жилой 5 кабеля 4, возникает электрический ток, величина которого пропорциональна величине потока нейтронов в месте расположения ДПЗ в активной зоне реактора, который в свою очередь связан с энерговыделением в ближайших твэлах. Вторая (фоновая) жила 13 кабеля 4 вырабатывает фоновый ток вследствие воздействия на нее внутриреакторных излучений, фоновый ток передается гибким проводником 14 в измерительный блок, в котором фоновый ток вычитается из тока токоведз цей жилы 5. Восстановление поля энерговьщеления по сигналам ДПЗ осуществляется на основе коэффициентов пропорциональности, значения которых находят расчетным путем.
В сравнении с известными заявленный детектор нейтронов прямого заряда характеризуется повышенной технологичностью изготовления и высокими надежностными характеристиками за счет более качественных и прочных изоляционных элементов и более высокой надежности электрических соединений внутри ДПЗ на всех этапах жизненного цикла детектора, включая этап эксплуатации, а также этап испытаний детекторов, поскольку меньше изготовленных детекторов отбраковывается, и этапы транспортировки и размещения детектора в измерительный канал реакторной
установки, так как изоляционные элементы своим выполнением и размещением сохраняют электрические цени детектора.
За счет повышенной технологичности изготовления заявленный детектор в сравнении с прототипом имеет меньшую стоимость изготовления более чем на 20%. Отбраковка заявленных детекторов после изготовления до этапа размещения в измерительный канал реакторной установки снизилась более чем на 10% в сравнении с прототипом.
ФГУП «НИИ НПО «Луч были разработаны, спроектированы и изготовлены опытные партии заявленных ДНЗ в соответствии с ГОСТ Р 15.201-2000 CPllli «Нродукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство и ОСТ 95 332-93 «Изделия ядерного приборостроения и радиационной техники. Правила приемки.
Опытные партии заявленных ДПЗ успешно пропиш следующие виды испытаний:
1. Приёмо-сдаточные испытания изготовленных нейтронноизмерительных каналов и их составных частей (ДПЗ, кабель) в объёме:
1.1. ДПЗ.
1.1.1.Контроль габаритных, установочных и присоединительных размеров, внешнего вида и маркировки.
1.1.2.Контроль электрического сопротивления изоляции (Кю) при температуре (25±10) С между выводами ДПЗ и между выводами ДПЗ и корпусом, Киз не менее .
1.1.3.Контроль электрического сопротивления изоляции (Киз) при температуре (350-30)°С между выводами ДПЗ и между выводами ДПЗ и корпусом, Киз не менее .
1.1.4.Контроль электрической ёмкости (С) при температуре (25±10)°С между выводами ДПЗ и между выводами ДПЗ и корпусом, фактические значения.
1.1.5. Контроль герметичности, натекание по гелию не более 6,65-10 м1Па/с.
1.2. Кабель.
1.2.1.Контроль габаритных, установочных и присоединительных размеров, внешнего вида и маркировки.
1.2.2.Контроль электрического монтажа и целостности электрических цепей.
1.2.3.Контроль электрического сопротивления изоляции (Диз) при температуре (25±10)С между контактами электросоединителей и между контактами электросоединителей и экранов, Киз не менее .
1.2.4.Контроль электрической ёмкости (С) между контактами электросоединителей и экранами, фактические значения.
1.2.5.Контроль герметичности оболочки кабеля, натекание по гелию не более 6,65-10- .
2. Предварительные испытания изготовленных нейтронноизмерительных каналов и их составных частей (ДПЗ, кабель) в объёме: 2.1. ДПЗ.
2.1.1.Контроль электрического сопротивления изоляции и ёмкости в соответствии с п.п. 1.1.2,1.1.3,1.1.4.
2.1.2.Устойчивость к изгибам части ДПЗ с наружным диаметром 7,5 мм (радиус изгиба 1000 мм, угол изгиба - 30°), количеств изгибов - не менее 15, с последующим контролем электропараметров по п. 2.1.1.
2.1.3.Контроль герметичности ДПЗ при температуре (25±10)°С, сопротивление изоляции Кш не менее , натекание по гелию не более 6,65-10- м1Па/с.
2.1.4.Контроль герметичности ДПЗ при температуре (350-30)°С,
натекание по гелию не более 6,65-10 м .Па/с.
2.1.5.Контроль герметичности ДПЗ при температуре (150±10)С, натекание по гелию не более 6,65-10 м.Па/с.
Т  --
2.1.6.Испытания на устойчивость ДПЗ к виепшему давлению 24 МПа при (25±10)°С, сопротивление изоляции после воздействия давления не менее .
2.1.7.Испытания на чувствительность к потоку тепловых нейтронов (коэффициент преобразования 3.0-10 ±2% Кл.м /нейтрон), разброс чувствительности к потоку тепловых нейтронов (не более ±1%), погрешность определения абсолютной чувствительности ДПЗ к линейному энерговыделению (не более 5% при доверигельной вероятности 0,95) и эффективность циркониевых экранов.
2.1.8.Испытания на устойчивость ДПЗ к воздействию температуры (350-30)°С, сопротивление изоляции при температуре испытаний Киз не менее .
2.1.9.Ф)шкционирование датчика контроля герметичности, сопротивление изоляции при установке в нейтронно-измерительный канал не менее , при погружении в воду .
2.2.Кабель.
2.2.1.Испьггания на устойчивость к изгибам кабеля (радиус изгиба 150 мм 10 изгибов). Проверка целостности электрических цепей и сопротивления поп. 1.2.3.
2.1.2.Испытания на помехоустойчивость по методике и на оборудовании РПЦ «Курчатовский институт.
2.3.Пейтронно-измерительный канал.
2.3.1. Испытания на устойчивость к механическим (вибрационным) воздействиям и сейсмостойкость, вибропрочность по ГОСТ 30630.1.2-99 метод 103-1.1, сейсмостойкость по ГОСТ 17516.1-90 - метод фиксированных частот. При проведении испытаний контроль электропараметров по п. 1.1.2. и 1.1.4., по окончании испытаний по п.п. 1.1.2, 1.1.3,1.1.4.
2.3.2 Контроль внешнего вида и габаритных размеров нейтронноизмерительного канала и его составных частей.
,
Результаты испытаний положительные. Установлено, что заявленный детектор прямой зарядаи соответствует своему функциональному назначению в качестве внутриреакторного датчика контроля энерговыделения и превосходит известные аналоги и прототип по технологичности изготовления и надежностным характеристикам.