СИСТЕМА ДЛЯ АНАЛИЗА РАДИОАКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ (ВАРИАНТЫ)

Настоящая полезная модель касается системы, предназначенной для анализа радиоактивных объектов, в частности для измерения активности и определения состава гамма-излучающих радионуклидов в упаковках радиоактивных отходов. Система может применяться при решении задач обеспечения ядерной безопасности и использоваться для характеризации содержимого упаковок радиоактивных отходов.
Известна сегментирующая система для измерения отходов, разработанная компанией Canberra Industries, предназначенная для выполнения точного количественного анализа гамма-излучающих радионуклидов, содержащихся в продуктах деления, продуктах активации и в трансурановых отходах (Публикация Canberra, Inc. C9842 «Сегментирующая система для измерения отходов Серия WM2200». Опубликована 10.2002 в США). Известная система, в которой предусмотрен контейнер, разделенный на ряд вертикальных сегментов, и детектор из особо чистого германия для регистрации гамма-излучений от содержащихся в контейнере радионуклидов, смонтированный в горизонтальном интегральном криостате, имеет модульную конструкцию. Механическая часть системы может включать в себя один или несколько модулей, а именно: модуль вертикального перемещения детектора, модуль поворотной платформы, модуль вертикального перемещения источника для измерения ослабления, дополнительный конвейер с поворотным устройством для автоматизации процесса загрузки контейнера и снятия контейнеров с подающего и принимающего конвейеров. Система оснащена модулями управления и обработки сигналов, поступающих с детектора. Основным недостатком известного технического решения является использование
коллимированного детектора, обеспечивающего локальную регистрацию гамма-излучения в выбранном сегменте радиоактивного объекта. Для получения с использованием такой системы характеристик радиоактивного объекта в целом необходимо последовательное проведение дискретных измерений в нескольких сегментах объекта, для чего требуется многократное изменение положения объекта относительно детектора либо детектора относительно объекта.
Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки и разработать систему для анализа радиоактивных объектов, предназначенную для измерения активности и состава гамма-излучающих радионуклидов, в частности в упаковках радиоактивных отходов, с возможностью осуществления одновременной регистрации гамма-излучения в нескольких точках радиоактивного объекта и on-line обработки полученной информации с автоматизированным управлением системы.
Для решения поставленной задачи предлагается система для анализа радиоактивных объектов (два варианта).
Согласно первому варианту полезной модели предлагается система для анализа радиоактивных объектов, в частности упаковок радиоактивных отходов, содержащих гамма-излучающие радионуклиды, включающая измерительный модуль, модуль накопления и обработки информации, связанный с измерительным модулем, и модуль автоматического управления, связанный с измерительным модулем и модулем накопления и обработки информации, в которой предусмотрено средство для транспортировки радиоактивного объекта, оснащенное автоматической системой измерения веса объекта, системой центрирования объекта на платформе средства для транспортировки и системой дистанционного управления, при этом измерительный модуль, оснащенный детекторами гамма-излучения, включает платформу, приспособленную к горизонтальному перемещению и установленную, в частности, на раме с колесным приводом, на высоте, достаточной для перемещения средства для транспортировки с
радиоактивным объектом под платформой измерительного модуля, при этом платформа измерительного модуля оснащена, по меньшей мере, одним детектором, обеспечивающим регистрацию гамма-излучения по направлению от верхней поверхности радиоактивного объекта, а к нижней части платформы прикреплены приспособления для размещения детекторов гамма-излучения, обеспечивающих регистрацию гамма-излучения по направлению от боковой поверхности радиоактивного объекта.
Приспособления для размещения детекторов гамма-излучения могут быть выполнены с возможностью горизонтального перемещения по нижней поверхности платформы с последующей фиксацией приспособлений на расстоянии друг относительно друга, достаточном для размещения радиоактивного объекта внутри пространства между приспособлениями с детекторами.
В качестве детектора, обеспечивающего регистрацию гамма-излучения по направлению от верхней поверхности радиоактивного объекта, можно использовать полупроводниковый детектор, который целесообразно снабдить устройством для охлаждения полупроводникового детектора.
В качестве детекторов, обеспечивающих регистрацию гамма-излучения по направлению от боковой поверхности радиоактивного объекта, можно использовать сцинтилляционные детекторы.
Система может быть снабжена системой воздушной завесы детекторов.
Количество сцинтилляционных детекторов, обеспечивающих регистрацию гамма-излучения по направлению от боковой поверхности радиоактивного объекта, предпочтительно составляет, по меньшей мере, 6 детекторов.
На каждом приспособлении целесообразно разместить, по меньшей мере, по одному детектору.
Детекторы, обеспечивающие регистрацию гамма-излучения по направлению от боковой поверхности радиоактивного объекта, могут быть размещены на
приспособлениях с возможностью вертикального перемещения, в частности по направляющим приспособлений.
В системе предпочтительно может быть предусмотрен конвейер, обеспечивающий автоматизированную погрузку радиоактивного объекта на средство для транспортировки и автоматизированную разгрузку средства для транспортировки.
Согласно второму варианту полезной модели предлагается система для анализа радиоактивных объектов, преимущественно для измерения активности и состава гамма-излучающих радионуклидов в упаковках радиоактивных отходов, включающая измерительный модуль, модуль накопления и обработки информации, связанный с измерительным модулем, и модуль автоматического управления, связанный с измерительным модулем и модулем накопления и обработки информации, при этом для транспортировки одной или более упаковки радиоактивных отходов предусмотрена рельсовая тележка, оснащенная автоматической системой измерения веса упаковки, системой центрирования упаковки на платформе тележки и системой дистанционного управления, при этом измерительный модуль, оснащенный детекторами гамма-излучения и системой воздушной завесы детекторов, включает платформу, приспособленную к горизонтальному перемещению и установленную, в частности, на раме с колесным приводом и направляющими, на высоте, достаточной для перемещения под платформой рельсовой тележки, груженой упаковкой/упаковками радиоактивных отходов, при этом платформа измерительного модуля оснащена, по меньшей мере, одним полупроводниковым детектором, обеспечивающим регистрацию гамма-излучения по направлению от верхней поверхности упаковки радиоактивных отходов, который снабжен устройством, обеспечивающим охлаждение полупроводникового детектора, в частности сосудом Дьюара с жидким азотом, а к нижней поверхности платформы измерительного модуля прикреплены приспособления для размещения сцинтилляционных
детекторов, обеспечивающих регистрацию гамма-излучения по направлению от боковой поверхности упаковки, причем сцинтилляционные детекторы размещены на приспособлениях с возможностью вертикального перемещения, в частности по направляющим приспособлений, а приспособления выполнены с возможностью горизонтального перемещения по нижней поверхности платформы измерительного модуля с последующей фиксацией приспособлений на расстоянии друг относительно друга, достаточном для размещения упаковки радиоактивных отходов внутри пространства между приспособлениями.
Количество сцинтилляционных детекторов, обеспечивающих регистрацию гамма-излучения по направлению от боковой поверхности радиоактивного объекта, предпочтительно составляет, по меньшей мере, 6 детекторов.
На каждом приспособлении целесообразно разместить, по меньшей мере, по одному сцинтилляционному детектору.
В качестве приспособлений для размещения сцинтилляционных детекторов можно использовать вертикально ориентированные этажерки.
В системе предпочтительно может быть предусмотрен конвейер, обеспечивающий автоматизированную погрузку упаковок радиоактивных отходов на рельсовую тележку и автоматизированное снятие упаковок с тележки.
Техническим результатом настоящей полезной модели является создание системы для измерения активности и состава гамма-излучающих радионуклидов, которая позволяет с высокой точностью анализировать, в частности, радиоактивные отходы различного состава в упаковках разного типа, например: сгораемые отходы, прессованные в тюки, ионообменные смолы в пластиковых контейнерах, несгораемые отходы в ISO-полуконтейнерах. Конструкция механической части системы обеспечивает безопасную погрузку и доставку объекта к измерительному модулю, автоматизированную корректировку положения радиоактивного объекта по
отношению к детекторам гамма-излучения и последующую автоматизированную доставку объекта, например, к месту хранения. Оснащение системы несколькими детекторами гамма-излучения, размещенными в определенном положении по отношению к анализируемому объекту и связанными с модулем обработки и накопления информации, позволяет осуществлять практически полную характеризацию содержимого упаковок радиоактивных отходов, включающую в себя определение пространственного распределения активности по объему объекта, определение активности трудноизмеряемых радионуклидов по заданному нуклидному вектору, подтверждение класса отходов и дополнительные операции, например автоматизированное маркирование объекта. Наличие модуля автоматического управления обеспечивает безопасность системы и повышает точность измерений.
Ниже сущность полезной модели поясняется более подробно со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 представляет схематический перспективный вид измерительного модуля, установленного на направляющих, закрепленных на стенах помещения, в котором проводится анализ радиоактивного объекта; средства для транспортировки радиоактивного объекта и таль для погрузки радиоактивного объекта на средство для транспортировки (для 2-х вариантов полезной модели);
фиг.2 представляет схематический вид спереди измерительного модуля второго варианта полезной модели, в котором полупроводниковый детектор снабжен охлаждающим устройством, а приспособления для сцинтилляционных детекторов выполнены в виде вертикально ориентированных этажерок;
фиг.3 представляет схематический вид спереди системы для анализа радиоактивных объектов; платформа измерительного модуля установлена на раме с направляющими; полупроводниковый детектор снабжен
охлаждающим устройством; радиоактивный объект погружен на рельсовую тележку; часть модуля автоматического управления конструктивно объединена в один корпус с модулем обработки и накопления информации (для 2-х вариантов полезной модели);
фиг.4 представляет перспективный вид измерительного модуля, установленного на направляющих, закрепленных на стенах помещения; груженой рельсовой тележки; ручной тали для погрузки/выгрузки радиоактивного объекта (для 2-х вариантов полезной модели).
Позиции на чертежах обозначают: 1 - средство для транспортировки радиоактивного объекта; 2 - фиксаторы положения радиоактивного объекта на тележке; 3 - рельсовый путь; 4 - корпус, в котором размещена часть модуля автоматического управления и модуль обработки и накопления информации; 5 - подвижная горизонтальная платформа измерительного модуля; 6 и 7 - детекторы гамма-излучения (согласно второму варианту полезной модели 6 - полупроводниковый детектор, снабженный устройством охлаждения, 7 - сцинтилляционные детекторы); 8 - опорные направляющие; 9 - привод подвижной платформы измерительного модуля; 10 - приспособления для размещения детекторов гамма-излучения; 11 - ограждение рабочей площадки подвижной платформы; 12 - опорные колеса подвижной платформы; 13 - ручная таль.
Средство 1 для транспортировки радиоактивного объекта, в частности упаковки/упаковок радиоактивных объектов (далее по тексту - УРО), показанное на фиг.1, 3 и 4, является только примером средства для транспортировки. На фиг.1, 3 и 4 изображено средство 1 для транспортировки согласно частному случаю реализации первого варианта и второму варианту полезной модели, т.е. в виде рельсовой тележки 1. Для корректировки положения УРО на платформе тележки 1 тележка 1 снабжена системой центрирования УРО в продольном и поперечном направлении, в частности подвижной установочной платформой (на фиг. не показана). Для
обеспечения необходимой точности положения УРО на тележке 1 платформа предпочтительно снабжена фиксаторами 2 положения УРО, компенсирующими возможную погрешность размещения УРО на тележке 1. Тележка 1 снабжена автоматической системой измерения веса УРО (на фиг. не показана), представляющей собой, например, несколько тензодатчиков, смонтированных на тележке 1, снабженных измерительным блоком. Движение тележки 1 корректируется с использованием пульта дистанционного управления. Частотно регулируемая система привода (на фиг. не показана) тележки 1 обеспечивает оптимальные скорости перемещения и требуемую точность положения тележки 1 как при погрузке УРО, так и в помещении, где выполняются измерения и проводится характеризация УРО. Электропитание двигателя привода тележки 1 осуществляется с помощью кабеля, который намотан на барабан устройства укладки кабеля (на фиг. не показано). Устройство укладки кабеля снабжено направляющим механизмом, который укладывает кабель на пол в специально организованное место.
Измерительный модуль, показанный на фиг.1-4, является только примером измерительного модуля. На фиг.1, 3 и 4 показан измерительный модуль согласно частному случаю реализации первого варианта и второму варианту полезной модели, на фиг.2 показан измерительный модуль согласно второму варианту полезной модели. Подвижная горизонтальная платформа 5 измерительного модуля служит для размещения детекторов гамма-излучения 6 и 7 в пространственных координатах помещения и для перемещения детекторов 6 и 7 в горизонтальном направлении. Перемещение подвижной платформы 5 осуществляется, в частности, по опорным направляющим 8. Требуемая точность положения платформы 5 и необходимая скорость ее перемещения обеспечиваются наличием частотно регулируемого привода 9. Подвижная платформа 5 с прикрепленными к ее нижней поверхности приспособлениями 10 для размещения детекторов 7 установлена и перемещается вдоль всего помещения по направляющим 8, закрепленным на
стенах/опорах. Подвижная платформа 5 может быть выполнена в виде сварного каркаса из стальных продольных и поперечных профилей, к которым сверху приварен профлист, формирующий рабочую площадку для размещения детектора/детекторов 6 и для обслуживания измерительной аппаратуры рабочим персоналом. По периметру рабочей площадки платформы 5 установлено ограждение 11. В крайних правом и левом поперечных профилях каркаса платформы 5 установлены опорные колеса 12. Опорные колеса 12 кинематически связаны с приводом 9 подвижной платформы 5. Конструкция приспособлений 10 для размещения детекторов 7 позволяет регулировать положение детекторов 7 относительно УРО в вертикальном направлении. Измерительный модуль может включать шесть сцинтилляционных детекторов 7 (например, типа БДКГ-11), один полупроводниковый детектор 6 с относительной эффективностью 20%, устройство для охлаждения (на фиг. отдельной позицией не обозначено) полупроводникового детектора 6, систему воздушной завесы детекторов 6 и 7. Система воздушной завесы (на фиг. не показана) детекторов 6 и 7 представляет собой комплекс технических средств для обдувки рабочей поверхности детекторов 6 и 7 для исключения температурного дрейфа при регистрации гамма-излучения. Охлаждение полупроводникового детектора 6 обеспечивается, в частности, сосудом Дьюара с жидким азотом. Управление измерительным модулем осуществляется от модуля автоматического управления, связанного с модулем накопления и обработки информации, а также при помощи ручного пульта управления при обслуживании на месте рабочим персоналом.
Модуль автоматического управления включает контроллер управления, релейные элементы управлением приводами, блок корректировки (на фиг. не показаны) положения УРО на тележке 1 и позиции самой тележки 1 относительно измерительного модуля, а также блок телеметрии (на фиг. не показан), который позволяет получать достоверную и оперативную информацию о состоянии всей системы, определять причины возникновения
опасности и предотвращать угрозу безопасности жизни людей. Блок телеметрии содержит несколько цветных видеокамер (на фиг. не показаны), закрепленных по на стенах помещения. Информация, поступающая с видеокамер, накапливается на видеосервере модуля накопления и обработки информации. Каждая видеокамера размещена в пылезащитном и влагонепроницаемом корпусе и оснащена zoom-объективами, что позволяет выполнять не только общий обзор помещения, но и производить визуальное подтверждение правильности положения подвижных элементов системы. Монитор, которым может быть снабжен модуль накопления и обработки информации, обеспечивает возможность просмотра данных, поступающих с любой из выбранных или всех видеокамер одновременно. Блок телеметрии включает датчики, контролирующие работоспособность систем обеспечения тепловой завесы (в холодное время при открытии ворот) и обеспечения климатических условий для нормальной эксплуатации системы.
Блок корректировки положения УРО на тележке 1 и положения тележки 1 относительно измерительного модуля представляет совокупность датчиков, регистрирующих положение тележки (датчики положения тележки), и инфракрасных оптопар, контролирующих наличие и тип УРО, соответствие геометрических размеров УРО допустимым безопасным габаритам. Датчики положения тележки выполнены в виде элементов типа «сухой контакт» и объединены в блок обратной связи с двигателем привода тележки 1. Инфракрасные оптопары расположены на стенах помещения в соответствии с типами и размерами УРО и допуском по отклонению от допустимых безопасных габаритов. Таким образом, комбинация сработавших оптопар однозначно определяет наличие и тип УРО.
Модуль автоматического управления связан с комплексом технических средств (на фиг. не показан), обеспечивающим безопасность системы, состоящим из:
- совокупности сигнальных средств, работающих при движении;
- системы блокировок для предотвращения возникновения опасных ситуаций или ситуаций, приводящих к выходу из строя оборудования;
- средств светозвуковой сигнализации срабатывания блокировок;
- средств экстренной остановки.
Модуль накопления и обработки информации представляет собой промышленный компьютер, на который коммутируются детекторы 6 и 7, цветные видеокамеры, датчики блока телеметрии, датчики блока корректировки положения УРО на тележке 1 и позиции тележки 1.
Характеризацию УРО проводят в помещении, снабженном автоматизированными воротами с электронным и ручным управлением, которые представляют собой электромеханические ворота с датчиками крайних положений. Для проведения точных измерений и получения достоверных результатов помещение должно быть обеспечено системой стабильности климатических условий с приточной вентиляцией и рециркуляцией (с электроподогревом и кондиционером).
Анализ УРО осуществляют следующим образом.
Погрузку УРО на средство для транспортировки 1 (по второму варианту полезной модели - на рельсовую тележку) осуществляют при помощи специального конвейера (на фиг. не показан) или ручной тали 13. После погрузки УРО, ее центрирования на платформе тележки 1 и измерения веса УРО тележка 1 перемещается по вмонтированным в пол горизонтальным участкам рельсового пути 3 и останавливается, например, в хранилище радиоактивных отходов, под платформой 5, оснащенной, по меньшей мере, одним полупроводниковым детектором 6. К этому моменту приспособления 10 с установленными сцинтилляционными детекторами 7 передвинуты с помощью модуля автоматического управления на расстояние, достаточное для размещения УРО в пространстве между детекторами 7. После регулировки вертикального положения детекторов 7 проводится регистрация гамма-излучения и обработка полученных результатов. При измерении
производится учет поглощения гамма-излучения в радиоактивных отходах и в упаковке (контейнере). Тележка 1 транспортируется к месту разгрузки; разгрузка УРО с тележки 1 осуществляется с помощью конвейера или иных разгрузочных средств. УРО размещается в хранилище, а тележка возвращается к месту парковки. По результатам измерений проводится оценка состава гамма-излучающих радионуклидов в УРО для подтверждения корректности назначенного нуклидного вектора. Оценка позволяет устранить, при их наличии, ошибки в информации, полученной от поставщика отходов, и повысить рациональность использования хранилища радиоактивных отходов.
Система для анализа радиоактивных объектов (варианты) позволяет измерять, регистрировать и принимать на хранение следующее количество упакованных радиоактивных отходов в день:
- два стандартных полуконтейнера ISO;
- или пять упаковок сгораемых отходов;
- или пять контейнеров с ионообменными смолами.
Это обеспечивается при следующих условиях эксплуатации:
- 20 минут на одно измерение стандартного полуконтейнера ISO;
- шесть точек измерения одного стандартного полуконтейнера ISO;
- 40 минут на одно измерение упаковки со сгораемыми отходами или контейнера с ионообменными смолами;
- одна точка измерения одной упаковки со сгораемыми отходами или одного контейнера с ионообменными смолами;
- 10 минут на подготовительные и заключительные операции при выполнении измерений;
- одна рабочая смена в день;
- 6 эффективных рабочих часов в смене;
- 245 рабочих дней в год.
Полезную модель можно эффективно применить для управления измерениями и характеризации упаковок радиоактивных отходов в буферном
хранилище комплекса захоронения отходов «Landfill» (проект В-19 Игналинской АЭС), оборудованном комплексом технических средств, необходимых для создания нормальных эксплутационных условий описанной системы.