ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ В ТЕХНИЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
LASER SYSTEM FOR ATMOSPHERE MONITORING IN TECHNICAL ROOMS OF NUCLEAR POWER PLANTS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области ядерной энергетики и измерительной техники и предназначено для использования на атомных электростанциях для мониторинга атмосферы в различных технических помещениях АЭС.
Уровень техники
Обеспечение безопасной работы атомных электростанций является важной проблемой в современной ядерной энергетике и требует своевременного и надежного обнаружения аварийной ситуации. Одной из наиболее опасных аварийных ситуаций является разгерметизация тепловыделяющих элементов (твэл), при которой в помещения АЭС поступают газообразные продукты деления урана (радионуклиды). Возникновение данной аварийной ситуации характеризуется опасностью радиационного поражения персонала АЭС, а также возможностью выхода радиоактивных газов в окружающую АЭС атмосферу.
В процессе производства и эксплуатации твэлов по техническим условиям порядка 0,1% твэлов имеют дефекты в герметизации швов и допускают проникновение в окружающую среду небольших фиксированных количеств газообразных продуктов деления урана. При делении урана образуются радиоактивные изотопы ксенона, криптона и йода. Наиболее опасным являются изотопы йода, которые имеют период полураспада от нескольких часов до суток и при попадании в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом могут привести к тяжелым радиационным поражениям. Таким образом, с самого начала эксплуатации вновь загруженных твэлов в ядерный реактор в атмосферу технического помещения АЭС, в котором расположен ядерный реактор, возможно попадание небольших количеств газообразных продуктов деления ядерного топлива. По мере работы твэлов в ядерном реакторе возможно ухудшение качества герметизации твэлов, например, за счет образования микротрещин. При этом происходит увеличение количества газообразных продуктов деления урана в техническом помещении ядерного реактора.
Поэтому постоянный контроль состава атмосферы в помещениях с ядерным реактором и других технических помещениях АЭС является актуальным, так как позволяет заранее обнаружить наступление аварийной ситуации и предотвратить возможность ее дальнейшего развития, а также предотвратить проникновение радиоактивных продуктов деления в другие помещения АЭС и выбросы в окружающую атмосферу. Для непрерывного контроля уровня концентрации радионуклидов в помещениях АЭС и возможности наступления и развития аварийной ситуации достаточно осуществлять непрерывный контроль концентрации йода в атмосфере помещений, так как единственным источником образования молекулярного йода в газовой фазе является процесс деления урана, содержащегося в твэлах.
Известны различные методы обнаружения и определения йода, в том числе в газовой фазе [1]. Наиболее распространенным методом является использование реакции йода с окрашивающими растворителями, например, растворами хлороформа, бензола или крахмала. Далее используют колориметрический фотометрический метод и определяют концентрацию йода по уровню поглощения светового излучения на соответствующей длине волны света. Данные методы имеют низкую чувствительность, большую длительность осуществления измерений и непригодны для использования в условиях технических необслуживаемых помещений атомных электростанций.
Известен способ выделения радионуклидов йода из газовой среды [2], используемый для удаления йода в газообразной форме из атмосферы помещения АЭС, а также для целей дозиметрического контроля наличия йода в атмосфере технического помещения. Способ основан на адсорбции йода с помощью реагента (сорбента), содержащего серебро или соли серебра в пористом неорганическом носителе, имеющем поры диаметром порядка 50 нм. Реагент засыпают в фильтровальные патроны, через которые пропускают газовый поток из атмосферы контролируемого помещения. Данный способ характеризуется низкой точностью и ограниченной чувствительностью вследствие зависимости уровня адсорбции от давления и скорости прокачки газовой смеси через фильтрующие патроны, а также чистоты состава реагентов. Способ практически непригоден для использования в необслуживаемых помещениях АЭС и не оперативен.
Известен способ определения концентрации изотопов молекулярного йода в газовой фазе [3]. При реализации этого способа осуществляют прокачку анализируемой смеси газов через исследуемую и реперные ячейки, возбуждают в ячейках флуоресценцию посредством излучения полупроводникового лазера с соответствующей линией генерации, выделяют флуоресцентное излучение из смеси с рассеянным возбуждающим лазерным излучением, на основании измеренного выделенного флуоресцентного излучения определяют расчетным путем концентрации диоксида азота и молекулярного йода. Данный способ обладает низкой чувствительностью, вследствие необходимости регистрации короткого импульса флуоресцентного излучения на фоне рассеянного возбуждающего лазерного излучения полупроводникового лазера. Практическое применение способа в условиях необслуживаемых помещений АЭС представляет значительные трудности вследствие необходимости обеспечивать работу аппаратуры по прокачке атмосферы технического помещения через различные измерительные ячейки, осуществлять контроль работы измерительной аппаратуры при наличии радиационного фона, что существенно снижает точность и достоверность получаемых измерений.
Наиболее адекватным методом решения проблемы измерения параметров атмосферы в технических помещениях АЭС является оптический метод измерения характеристик контролируемой газовой или водной среды, предложенный авторами в работах [4], [5] и реализованный в системах измерения [6] и [7]. В указанных системах осуществляется просвечивание теплоносителя ядерного реактора зондирующим лазерным излучением и измерение характеристик излучения, прошедшего через слой теплоносителя. Измерение параметров прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения позволяет обеспечить оперативный контроль параметров теплоносителя и определить концентрацию веществ, содержащихся в нем. Аналогичным методом можно реализовать измерение параметров газовой среды - атмосферы технического помещения АЭС - при просвечивании зондирующим лазерным излучением. Указанные системы измерения предназначены для работы в условиях ядерного реактора при наличии радиоактивности, высоких температур и давления. Возможность работы в условиях ядерного реактора обеспечивается выносом измерительной аппаратуры из зоны реактора, в которой размещен лишь оптический измерительный блок, соединенный волоконной линией с измерительной аппаратурой.
В качестве ближайшего аналога выбрана наиболее близкая по технической реализации лазерная система измерения [8]. Данная система измерения содержит первый и второй лазерные генераторы, измерительную и эталонную кюветы, три фотоприемных блока, измеритель лазерного излучения, три управляемых спектральных фильтра, адаптеры волокна, две волоконно-оптических линии, блок обработки информации и управления, блок эталонных фильтров, уголковые оптические отражатели, полупрозрачные и отражательные зеркала, три оптические линии задержки. К недостаткам данной измерительной системы следует отнести ограниченную чувствительность вследствие использования измерительной кюветы, которая имеет ограниченную длину - не более одного метра. Кроме того данная измерительная система не позволяет определить концентрацию составляющих атмосферу газов в различных участках (точках) контролируемого технического помещения. Для реализации этой задачи необходимо установить несколько измерительных кювет в различных точках технического помещения АЭС, что невозможно.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является решение проблемы непрерывного мониторинга атмосферы в технических помещениях АЭС, а также устранение указанных недостатков в методах измерения концентраций веществ в газовой фазе, что обеспечит надежное обнаружение уменьшенной концентрации газообразных продуктов деления урана в атмосфере технических помещений АЭС и своевременное обнаружение аварийных ситуаций на ранних стадиях их возникновения. Достигаемым при этом техническим результатом является повышение чувствительности и точности измерения уровня концентрации молекулярного йода и других продуктов деления урана в атмосфере технических помещений АЭС.
Для решения указанной задачи и достижения отмеченного технического результата в настоящем изобретении предложена лазерная система для мониторинга атмосферы в технических помещениях атомных электростанций, содержащая первый и второй лазерные генераторы, измеритель лазерного излучения, эталонную кювету с блоком наполнения эталонной газовой смесью, первый и второй фотоприемные блоки, первый и второй управляемые спектральные фильтры, первую и вторую волоконно-оптические линии с входными и выходными адаптерами волокна, выдвижное зеркало с блоком управления, оптическую линию задержки, блок обработки и управления, первый и второй уголковые отражатели, первое-четвертое отражательные зеркала и первое-седьмое полупрозрачные зеркала, при этом на первой оптической оси последовательно установлены оптически связанные первый уголковый отражатель, пятое полупрозрачное зеркало, эталонная кювета, оптическая линия задержки и второй уголковый отражатель, оптический вход эталонной кюветы посредством первого-третьего, пятого и шестого полупрозрачных и первого-третьего отражательных зеркал оптически связан с выходами первого и второго лазерных генераторов и посредством пятого и седьмого полупрозрачных зеркал с оптическим входом второго управляемого спектрального фильтра, оптический выход которого связан с оптическим входом второго фотоприемного блока, оптический вход эталонной кюветы дополнительно оптически связан с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра посредством пятого и седьмого полупрозрачных зеркал и выдвижного зеркала во введенном состоянии, оптический выход первого управляемого спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, выходы первого и второго фотоприемных блоков подключены к блоку обработки и управления, оптический вход измерителя лазерного излучения посредством первого и второго полупрозрачных зеркал и первого отражательного зеркала оптически связан с выходами первого и второго лазерных генераторов, управляющие входы первого и второго лазерных генераторов, измерителя лазерного излучения, первого и второго управляемых спектральных фильтров и блока управления выдвижным зеркалом подключены к блоку обработки и управления, при этом в систему введены оптический коммутатор и по меньшей мере первый и второй открытые оптические резонаторы, размещенные каждый в отдельном контролируемом техническом помещении атомной электростанции, причем каждый открытый оптический резонатор снабжен по меньшей мере двумя выдвижными уголковыми отражателями с блоками перемещения, оптический вход каждого открытого оптического резонатора посредством одноименной волоконно-оптической линии оптически связан с соответствующим оптическим выходом оптического коммутатора, оптический вход которого посредством первого полупрозрачного зеркала и первого отражательного зеркала оптически связан с выходами первого и второго лазерных генераторов и дополнительно посредством четвертого полупрозрачного зеркала и четвертого отражательного зеркала оптически связан с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра, управляющие входы оптического коммутатора и блоков перемещения уголковых отражателей всех открытых оптических резонаторов подключены к блоку обработки и управления.
Особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что оптическая линия задержки может быть выполнена на основе оптически последовательно связанных входного адаптера волокна, волоконно-оптической линии и выходного адаптера волокна.
Другая особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждый управляемый спектральный фильтр может быть выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены акустические волны, взаимодействующие с лазерным излучением, проходящим через данную акустооптическую ячейку.
Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждый лазерный генератор может быть выполнен с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.
Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что в каждом открытом оптическом резонаторе выдвижные уголковые отражатели могут быть расположены эквидистантно на оптической оси, параллельной оптической оси этого открытого оптического резонатора.
Наконец, еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что в каждом открытом оптическом резонаторе выдвижные уголковые отражатели в состоянии введения могут быть установлены на оптической оси этого открытого оптического резонатора.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые элементы имеют одни и те же ссылочные позиции.
На Фиг. 1 представлена блок-схема лазерной системы мониторинга атмосферы в технических помещениях атомных электростанций по настоящему изобретению.
На Фиг. 2 представлена схема первого открытого оптического резонатора.
На Фиг. 3 представлена схема оптического коммутатора.
На Фиг. 4 представлена схема расположения первого открытого оптического резонатора вдоль одновременно двух стен технического помещения АЭС с изломом оптической оси под 90 градусов.
На Фиг. 5 и Фиг. 6 представлены результаты моделирования работы лазерной измерительной системы при проведении измерений с различными уровнями концентрации молекулярного йода.
Подробное описание изобретения
Лазерная система для мониторинга атмосферы в технических помещениях атомных электростанций согласно настоящему изобретению (Фиг. 1) содержит первый и второй лазерные генераторы 1 и 2, в качестве которых могут быть использованы, например, выпускаемые промышленностью лазеры с перестройкой по длине волны. Измеритель 3 лазерного излучения, как и все описанные далее оптические элементы, предназначен для работы с используемым лазерным излучением.
Для осуществления мониторинга атмосферы лазерная система по настоящему изобретению содержит эталонную кювету 4 с блоком 5 наполнения эталонной газовой смесью, выполнение которых описано в разделе, раскрывающем функционирование лазерной системы.
Лазерная система по настоящему изобретению снабжена первым и вторым уголковыми отражателями 6 и 7. Кроме того, лазерная система включает в себя оптическую линию 8 задержки, содержащую волоконно-оптическую линию 9, снабженную входным и выходным адаптерами 10 и 11 волокна. В лазерной системе имеются первый и второй фотоприемные блоки 12 и 13, на входах которых установлены первый и второй управляемые спектральные фильтры 14 и 15, соответственно. В систему входит также выдвижное зеркало 16 с блоком 17 управления; ссылочной позицией 18 обозначено введенное состояние выдвижного зеркала 16.
Блок 19 обработки и управления может быть выполнен, к примеру, на процессоре (контроллере), запрограммированном для выполнения тех функций, которые описаны в разделе, раскрывающем функционирование лазерной системы. Электрические соединения блока 19 обработки и управления с другими блоками показаны на Фиг. 1 стрелками с соответствующими латинскими буквами, снабженными нижними индексами.
Для согласования оптических путей лазерная система содержит первое-четвертое отражательные зеркала 20-23 и первое-шестое полупрозрачные зеркала 24-29.
В лазерную систему по настоящему изобретению введены первый открытый оптический резонатор 30 и второй открытый оптический резонатор 42. Первый открытый оптический резонатор 30 включает в себя полупрозрачное зеркало 31, отражательное зеркало 32, по меньшей мере два выдвижных уголковых отражателя (на Фиг. 1 показаны три таких уголковых отражателя 33-35 с соответствующими блоками 36-38 управления), а также держатели 39 и 40, соответственно, полупрозрачного и отражательного зеркал 31 и 32, установленные на первой несущей штанге 41. Второй открытый оптический резонатор 42 включает в себя полупрозрачное зеркало 43, отражательное зеркало 44, по меньшей мере два выдвижных уголковых отражателя (на Фиг. 1 показаны три таких уголковых отражателя 45-47 с соответствующими блоками 48-50 управления), а также держатели 51 и 52, соответственно, полупрозрачного и отражательного зеркал 43 и 44, установленные на второй несущей штанге 53. Отметим, что первый и второй открытые оптические резонаторы размещены каждый в отдельном контролируемом техническом помещении атомной электростанции.
Кроме того, в лазерную систему по настоящему изобретению введены: оптический коммутатор 54, имеющий оптический вход 55 и первый и второй оптические выходы 56 и 57; первая волоконно-оптическая линия 58, снабженная адаптерами 59, 60 волокна; вторая волоконно-оптическая линия 61, снабженная адаптерами 62, 63 волокна; седьмое полупрозрачное зеркало 64.
Следует специально отметить, что на Фиг. 1 показаны два открытых оптических резонатора 30 и 42 только в качестве примера для случая контроля атмосферы в двух отдельных технических помещениях АЭС. При необходимости контролировать атмосферу в большем количестве технических помещений АЭС возможно соответствующее увеличение числа открытых оптических резонаторов с одновременным увеличением числа оптических выходов оптического коммутатора 54 и волоконно-оптических линий, соединяющих эти выходы с соответствующими открытыми оптическими резонаторами, и соответствующего программирования работы блока 19 обработки и управления.
3
4
На Фиг. 2 представлена схема первого открытого оптического резонатора 30, в котором выдвижной уголковый отражатель 33 показан во введенном состоянии и расположен на оптической оси О-О первого открытого оптического резонатора 30. При этом оптическая длина резонатора уменьшается и равна расстоянию от полупрозрачного зеркала 31 до данного уголкового отражателя 33. Ссылочной позицией 65 обозначена несущая штанга, на которой укреплены блоки 36, 37 и 38 перемещения уголковых отражателей. На Фиг. 1 данная штанга не показана.
Выполнение второго открытого оптического резонатора 42 (и любого другого, если их больше двух) не отличается от показанного на Фиг. 2, за исключением соответствующего изменения ссылочных позиций.
На Фиг. 3 представлена схема оптического коммутатора 54, который содержит перемещаемые отражательные зеркала 66, 67 и соответствующие блоки 68, 69 перемещения. Их выполнение может быть аналогично выполнению выдвижного зеркала 16 с блоком 17 управления. На Фиг. 3 отражательное зеркало 67 показано во введенном состоянии, в котором оно оптически соединяет оптический вход 55 с оптическим выходом 56 оптического коммутатора. При необходимости число перемещаемых отражательных зеркал и блоков перемещения может быть увеличено в соответствии с количеством используемых открытых оптических резонаторов (30, 41).
3
4
На Фиг. 4 представлена схема расположения первого открытого оптического резонатора 30 вдоль одновременно двух стен технического помещения АЭС с изломом оптической оси под 90 градусов. Поворот оптической оси О-О осуществляется с помощью дополнительного отражательного зеркала 70.
Принцип действия лазерной системы для мониторинга атмосферы в технических помещениях АЭС (далее лазерная измерительная система) рассматривается далее на примере измерения концентрации молекулярного йода в атмосфере технического помещения АЭС.
Лазерная измерительная система по настоящему изобретению осуществляет непрерывное автоматическое измерение концентрации радионуклидов в атмосфере двух (или более) отдельных технических помещений атомной электростанции. Для осуществления этих измерений в составе системы имеются два (или более) открытых оптических резонатора, размещаемых по отдельности в двух (или более) указанных технических помещениях вдоль стен или вдоль потолка помещений. Лазерное излучение от лазерных генераторов 1 и 2 поступает последовательно сначала на оптический вход первого, а затем второго открытых оптических резонаторов 30 и 42 посредством волоконно-оптических линий 58 и 61. Далее поступивший в открытый оптический резонатор лазерный импульс осуществляет многократное прохождение внутри резонатора между его зеркалами 31 и 32 для первого резонатора и аналогично между зеркалами 43 и 44 для второго резонатора 42.
Каждый из открытых оптических резонаторов 30 и 42 находится непосредственно в техническом помещении АЭС и погружен в его воздушную атмосферу. При прохождении лазерного импульса по открытому оптическому резонатору через воздушную атмосферу контролируемого технического помещения происходит ослабление уровня лазерного излучения, обусловленное поглощательной способностью (экстинкцией) газов, составляющих атмосферу помещения, включая радионуклиды (продукты деления урана). Далее в измерительной системе осуществляется измерение уровня ослабления лазерного излучения, прошедшего через атмосферу помещения, и по величине этого ослабления на соответствующей длине волны лазерного излучения осуществляется определение концентрации соответствующей составляющей газового состава атмосферы (включая радионуклиды).
Измерение концентрации газовых составляющих атмосферы технических помещений осуществляется модифицированным абсорбционно-спектральным методом, изложенным авторами в работах [4-7] и в ближайшем аналоге [8].
0
Абсорбционно-спектральный метод основан на определении величины поглощения оптического излучения определенной длины волны при его прохождении через исследуемое вещество - воздушную атмосферу технического помещения АЭС. При использовании данного метода, называемого также фотометрическим методом, осуществляется измерение величины уровня лазерного излучения I соответствующей длины волны, поступающего на оптический вход открытого оптического резонатора 30 (Фиг. 1), а также измерение уровня величины лазерного излучения I, прошедшего дважды по оптическому резонатору в прямом и обратном направлении. После измерения и регистрации двух указанных величин лазерного излучения величина концентрации С газовой составляющей, например, молекулярного йода определяется по следующей формуле:
0
где V - величина, на которую уменьшается световой поток при прохождении слоя исследуемого вещества с толщиной (длиной) L: V=I-I; К - коэффициент экстинкции конкретного газа - в данном случае газообразного молекулярного йода (параметр, характеризующий способность молекулы йода поглощать оптическое излучение определенной длины волны). Размерность К - л/г см. Размерность С - г/л. Параметр L является длиной открытого оптического резонатора.
0
Формула (1) является основной для определения концентрации вещества С в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известна в технической литературе. В лазерной измерительной системе по настоящему изобретению данное соотношение используется для измерения сравнительно больших и средних концентраций молекулярного йода в составе атмосферы контролируемого технического помещения АЭС. Для измерения малых концентраций молекулярного йода, на начальном этапе работы вновь загруженного ядерного реактора, используется специальный режим измерений. Данный специальный режим измерений является модифицированным абсорбционным методом измерений и характеризуется многократным прохождением лазерного измерительного зондирующего импульса через исследуемый слой атмосферы технического помещения АЭС в первом открытом оптическом резонаторе 30 (Фиг. 1). При этом при каждом очередном цикле прохождения зондирующего лазерного импульса через первый оптический резонатор 30 в прямом и обратном направлении осуществляется измерение уровня интенсивности I этого импульса, прошедшего через резонатор N раз, с помощью соответствующего фотоприемного блока 12. Измерение концентрации молекулярного йода в атмосфере технического помещения осуществляется на основе сравнения амплитуды импульса зондирующего лазерного излучения I(N), прошедшего через открытый оптический резонатор 30 TV раз, с амплитудой I исходного первоначального импульса лазерного излучения на оптическом входе открытого оптического резонатора 30. Формула для определения концентрации молекулярного йода С в составе атмосферы технического помещения АЭС на основе амплитуды I(N) N-го импульса зондирующего лазерного излучения приобретает следующий вид:
Здесь в качестве величины I следует подставлять значение величины измеренного импульса зондирующего лазерного излучения с номером N: I=I(N). Измерение амплитуды данного импульса осуществляет фотоприемный блок 12. Как следует из формулы (2), чувствительность лазерной системы измерений возросла в N раз, что обусловлено увеличением в N раз длины пути прохождения зондирующего импульса лазерного излучения через исследуемый слой атмосферы технического помещения. Это позволяет обеспечить измерение в техническом помещении, в котором расположен первый открытый оптический резонатор 30, весьма малых концентраций продуктов деления урана в газообразной форме, например, молекулярного йода, образующегося при возникновении аварийной ситуации. Далее работа лазерной измерительной системы по настоящему изобретению рассмотрена на примере измерения концентрации молекулярного йода, как одного из наиболее важных и опасных радионуклидов.
Измерение концентрации йода в атмосфере технических помещений в первом и во втором открытых оптических резонаторах 30, 42 осуществляется одинаковым способом следующим образом. Первый лазерный генератор 1 осуществляет генерацию зондирующего импульса лазерного излучения на фиксированной длине волны с определенными амплитудой и длительностью импульса. Длина волны генерации лазерного излучения соответствует линии наибольшего поглощения молекулой йода, при которой коэффициент экстинкции К имеет наибольшее значение (длина волны наибольшего поглощения молекулярного йода определяется электронной структурой молекулы йода, одинаковой для всех изотопов йода, и равна 532 нм). Импульс лазерного излучения (ЛИ) с выхода лазерного генератора 1 поступает с помощью полупрозрачного зеркала 24 на оптический вход 55 оптического коммутатора 54 и на вход измерителя 3 лазерного излучения посредством полупрозрачного зеркала 25. В измерителе 3 ЛИ осуществляется измерение уровня зондирующего импульса ЛИ и формируется величина этого уровня I, информация о которой поступает с выхода измерителя 3 ЛИ в блок 19 обработки и управления. Для измерения концентрации молекулярного йода с помощью первого открытого оптического резонатора 30 зондирующий лазерный импульс поступает на оптический вход этого резонатора. Оптическим входом открытого оптического резонатора 30 является полупрозрачное зеркало 31 этого резонатора. Для направления импульса лазерного излучения на оптический вход первого открытого оптического резонатора 30 оптический коммутатор 54 переводится в состояние оптического соединения его оптического входа 55 с первым оптическим выходом 56. Далее импульс ЛИ с первого оптического выхода 56 оптического коммутатора 54 поступает на вход адаптера 60 волокна первой волоконно-оптической линии 58, и далее поступает на оптический вход 31 первого открытого оптического резонатора 30. Импульс зондирующего лазерного излучения далее многократно распространяется по открытому оптическому резонатору 30 от полупрозрачного зеркала 31 до отражательного зеркала 32 и обратно до полного затухания импульса.
При этом осуществляется многократное прохождение зондирующего импульса через атмосферу технического помещения и, соответственно, увеличение длины прошедшего пути импульса через исследуемое вещество (молекулярный йод), что обеспечивает повышение чувствительности модифицированного абсорбционно-спектрального метода измерения концентрации молекулярного йода. На каждом цикле прохождения импульса ЛИ через открытый оптический резонатор 30 с помощью полупрозрачного зеркала 31 осуществляется ответвление части прошедшего через открытый резонатор импульса ЛИ обратно на вход адаптера 59 волокна и в волоконно-оптическую линию 58. Далее ответвленный обратный импульс ЛИ после прохождения волоконно-оптической линии 58 и адаптера 60 волокна поступает обратно на первый оптический выход 56 оптического коммутатора 54 и далее через его оптический вход 55, а также посредством полупрозрачного зеркала 27 и отражательного зеркала 23 поступает на оптический вход первого управляемого спектрального фильтра 14.
1
С оптического выхода последнего импульс обратного зондирующего ЛИ поступает на оптический вход первого фотоприемного блока 12, в котором осуществляется прием и регистрация, а также оцифровка данного импульса ЛИ. При этом выдвижное зеркало 16 находится в выведенном состоянии, как это и показано на Фиг. 1. Информация об амплитуде I импульса зондирующего ЛИ поступает в цифровой форме с выхода фотоприемного блока 12 в блок 19 обработки и управления. По очереди поступления в блок 19 каждому поступающему обратному импульсу в этом блоке присваивается свой порядковый номер N Таким образом, в блоке 19 обработки и управления образуется серия величин импульсов I(N) зондирующего ЛИ, многократно прошедших через первый открытый оптический резонатор 30, с порядковыми номерами от одного до N. Для каждого из этих импульсов по формуле (2) в блоке 19 вычисляется величина С концентрации молекулярного йода в техническом помещении АЭС, в котором расположен первый открытый оптический резонатор 30. Одновременно с измерением параметров атмосферы помещения в первом открытом оптическом резонаторе 30 лазерное излучение от первого лазерного генератора 1 поступает на вход эталонной кюветы 4 посредством полупрозрачного зеркала 26, отражательных зеркал 22 и 21, полупрозрачных зеркал 29 и 28.
Импульс ЛИ многократно проходит через эталонную кювету 4 с известной концентрацией молекулярного йода в газовой фазе. При этом посредством полупрозрачного зеркала 28 на вход второго управляемого спектрального фильтра 15 и далее на вход второго фотоприемного блока 13 поступает последовательность импульсов зондирующего лазерного излучения, прошедших N раз через газовую среду эталонной кюветы 4 с известной концентрацией молекулярного йода. Данная серия импульсов используется в блоке 19 обработки и управления в качестве эталонной серии для точного измерения и коррекции измерений концентрации йода, осуществляемой с помощью первого открытого оптического резонатора 30.
Аналогичным образом осуществляется измерение концентрации молекулярного йода с помощью второго открытого оптического резонатора 42, расположенного в другом техническом помещении АЭС. Для этого оптический коммутатор 54 переводится в состояние оптического соединения оптического входа 55 со вторым оптическим выходом 57. Лазерный импульс зондирующего ЛИ с выхода первого лазерного генератора 1 поступает на оптический вход 55 и далее на выход 57 оптического коммутатора, далее поступает во вторую волоконно-оптическую линию 61 и после ее прохождения поступает на оптический вход 43 второго открытого оптического резонатора 42. Дальнейший ход прохождения лазерного зондирующего импульса и проведения измерений с помощью второго открытого оптического резонатора 42 аналогичен измерениям с помощью первого открытого оптического резонатора 30. В результате в блоке 19 обработки и управления накапливается информация о параметрах TV импульсов зондирующего лазерного излучения, прошедших многократно через второй открытый оптический резонатор 42. Для каждого из этих импульсов вычисляется величина концентрации молекулярного йода, находящегося в атмосфере второго технического помещения, в котором расположен второй открытый оптический резонатор 42.
Для оценки концентрации С молекулярного йода используется величина обратного импульса I(N), прошедшего некоторое фиксированное количество циклов N через первый и, соответственно, через второй открытый оптический резонатор.
При этом, чем большее количество циклов N прохождения импульса ЛИ через измерительную кювету 4 используется для измерения и оценки концентрации С молекулярного йода, тем обеспечивается более высокая точность измерения, а также реализуется измерение меньших значений концентрации молекулярного йода.
3
4
3
4
1
3
4
1
После измерения концентрации молекулярного йода при максимальной длине открытых резонаторов 30 и 42 при выведенных выдвижных уголковых отражателях 33-35 и 45-47 осуществляется режим измерений при последовательном вводе указанных выдвижных уголковых отражателей и последовательном уменьшении действующей длины открытых оптических резонаторов 30 и 42. Для этого в первом открытом оптическом резонаторе 30 по команде от блока 19 обработки и управления осуществляется ввод в оптическую схему резонатора 30 выдвижного уголкового отражателя 33 и установление его на оптической оси О-О открытого оптического резонатора 30 с помощью блока 48 перемещения. В результате этого выдвижной уголковый отражатель 33 устанавливается на оптической оси O-O резонатора 30, как это показано на Фиг. 2. Далее импульс зондирующего лазерного излучения от первого лазерного генератора 1 запускается на оптический вход 31 первого открытого оптического резонатора 30 и осуществляется цикл измерений с помощью этого резонатора, аналогичный рассмотренному выше. При этом реализуются измерения концентрации молекулярного йода при меньшей длине L открытого оптического резонатора, которая при этом равна расстоянию от полупрозрачного зеркала 31 до выдвижного уголкового отражателя 33, установленного на оптической оси O-O на Фиг. 2. В этом случае реализуется измерение концентрации молекулярного йода С в пределах области пространства открытого оптического резонатора 30 от полупрозрачного зеркала 31 до выдвижного уголкового отражателя 33.
3
4
2
3
4
3
Далее осуществляют вывод выдвижного уголкового отражателя 33 из оптической схемы первого открытого оптического резонатора 30 и ввод в оптическую схему и установление на оптической оси O-O резонатора следующего выдвижного уголкового отражателя 34 и осуществление цикла измерений молекулярного йода с новой длиной L открытого резонатора, которая в этом случае будет равна расстоянию от полупрозрачного зеркала 31 до выдвижного уголкового отражателя 34, установленного на оптической оси O-O открытого оптического резонатора 30. Далее данный цикл измерений с последовательным изменением действующей длины первого открытого оптического резонатора 30 осуществляется при введенном в оптическую схему резонатора следующего выдвижного уголкового отражателя 35 и, соответственно, при действующей длине L резонатора. В результате в блоке 19 обработки и управления накапливается информация о концентрациях молекулярного йода в последовательно расширяющихся областях пространства вдоль расположения первого открытого оптического резонатора 30.
Это позволяет определить распределение концентрации молекулярного йода вдоль расположения открытого резонатора, определить места (области) в контролируемом техническом помещении АЭС с наибольшим и наименьшим загрязнением молекулярным йодом контролируемого помещения, в том числе в динамическом режиме. Такая информация о распределении молекулярного йода в пространстве помещения имеет важное значение при обнаружении аварийной ситуации, контроле динамики развития и возможности быстрого реагирования и предотвращения аварийной ситуации. Рассмотренный цикл измерений с изменением действующей длины резонатора повторяют далее для второго открытого оптического резонатора 42. Далее лазерная измерительная система осуществляет непрерывный автоматический мониторинг атмосферы технических помещений АЭС в соответствии с рассмотренной последовательностью действий.
Для повышения точности измерений и эффективности обнаружения аварийной ситуации в лазерной измерительной системе по настоящему изобретению осуществляется измерение концентрации молекулярного йода на нескольких длинах волн ЛИ. Для осуществления этого используется лазерный генератор 1 с перестройкой длины волны генерируемого лазерного излучения. После осуществления измерения концентраций молекулярного йода на второй длине волны, лежащей также в видимом диапазоне, в блоке 19 осуществляется сравнение полученных оценок величин концентрации, измеренных на двух длинах волн, и вычисляется средняя величина оценки уровня концентрации молекулярного йода, информация о которой поступает в центральный пульт управления ядерным реактором.
1
В лазерной измерительной системе по настоящему изобретению возможно измерение концентрации различных составляющих атмосферы технических помещений АЭС. Для реализации измерений концентрации конкретной газовой составляющей осуществляется перестройка лазерного генератора 1 на генерацию соответствующей длины волны λ лазерного излучения, соответствующей длине волны наибольшего поглощения оптического излучения данной составляющей атмосферы, например, молекулярного йода, молекулярного радиоактивного ксенона и других составляющих. Одновременно на эту длину волны настраивается и управляемый спектральный фильтр 14. Далее на этой длине волны и осуществляется измерение поглощения лазерного излучения в атмосфере помещения АЭС с помощью открытых оптических резонаторов. Для осуществления калибровки фотоприемного блока 12 на этой длине волны в эталонную кювету 4 вводится известная концентрация данной газовой составляющей, например, молекулярного йода или ксенона. Далее осуществляется калибровка фотоприемного блока 12 на этой длине волны (см. далее).
Для повышения точности измерений в предлагаемой лазерной системе осуществляется непрерывный функциональный контроль режимов работы лазерной измерительной системы, калибровка фотоприемных блоков 12, 13 и контроль параметров оптического тракта прохождения зондирующего лазерного излучения через первый и второй открытые оптические резонаторы 30, 42.
3
4
эт
Для выполнения этих вспомогательных контрольных функций в лазерной измерительной системе по настоящему изобретению предусмотрен дополнительный оптический канал, содержащий установленные на первой оптической оси O-O (Фиг. 1) эталонную кювету 4 и элементы 6, 28, 8, 7. Данные элементы образуют оптический резонатор. Основным элементом здесь является эталонная кювета 4, в которую с помощью блока 5 наполнения вводится эталонная газовая воздушная смесь, содержащая молекулярный йод с известной эталонной концентрацией. Эталонная кювета 4 обеспечивает эталонное поглощение проходящего через нее зондирующего лазерного импульса в соответствии с установленной в кювете точно известной концентрацией молекулярного йода. Зондирующий лазерный импульс с выхода первого лазерного генератора 1 поступает на вход эталонной кюветы 4 посредством полупрозрачных зеркал 24, 26, 29, 28 и отражательных зеркал 22 и 21. В результате далее на оптический вход второго управляемого оптического фильтра 15 и далее на вход второго фотоприемного блока 13 поступает серия лазерных импульсов, прошедших через эталонную кювету 4 N раз. В блоке 19 регистрируется последовательность I(N) амплитуд указанных лазерных импульсов, которая принимается за эталон при известной концентрации С молекулярного йода в эталонной кювете 4. Для калибровки первого фотоприемного блока 12 с помощью сформированной последовательности лазерных импульсов, поступающих после многократного прохождения через эталонную кювету 4, выдвижное зеркало 16 переводится во введенное состояние 18 (Фиг. 1). При этом серия лазерных импульсов, идущих от эталонной кюветы 4, отражается от полупрозрачного зеркала 64 и после отражения от выдвижного зеркала 16 в положении 18 поступает на оптический вход первого управляемого спектрального фильтра 14 и далее на вход первого фотоприемного блока 12. Таким образом, на фотоприемные блоки 12 и 13 одновременно поступает серия эталонных лазерных импульсов, которая регистрируется и используется далее в блоке 19 для калибровки и коррекции параметров регистрации излучений в первом фотоприемном блоке 12.
Для контроля состояния оптической схемы лазерной измерительной системы используется второй лазерный генератор 2, обеспечивающий генерацию импульсов лазерного излучения на длине волны, не поглощаемой молекулярным йодом и другими составляющими и продуктами деления урана в газовой фазе. Для этого используется генерация лазерного излучения, например, в зеленой части видимого диапазона или в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Одновременно на эту длину волны осуществляется настройка управляемых спектральных фильтров 14 и 15. Далее осуществляется проведение цикла измерений импульсов лазерного излучения, многократно прошедших через открытые оптические резонаторы аналогично проведению измерений импульсов лазерного излучения от первого лазерного генератора, рассмотренных выше. Полученная информация отражает состояние оптической схемы и оптических элементов и используется далее для постоянного контроля состояния оптической схемы и обнаружения возможных неисправностей оптических элементов. В данном режиме просвечивания атмосферы технического помещения контрольным лазерным излучением с длиной волны вне полос поглощения продуктами деления урана возможно измерение некоторых физических параметров атмосферы, например, влажности технического помещения. Для этого используется второй лазерный генератор 2 с перестройкой длины волны генерации лазерного излучения, которая устанавливается в соответствии с длиной волны поглощения излучения парами воды, например, в ближнем ИК диапазоне.
Размещение открытых оптических резонаторов в технических помещениях АЭС осуществляется вдоль стен или на потолке помещения на специальных крепежных и несущих элементах. Возможно размещение удлиненного открытого резонатора вдоль нескольких стен с изломом оптической оси, как это показано на Фиг. 4. Открытый оптический резонатор может быть размещен вдоль всех четырех стен помещения в виде замкнутой круговой (кольцевой) конструкции. Возможно размещение открытого оптического резонатора в техническом помещении при непосредственном прохождении лазерного луча над верхней крышкой ядерного реактора, или над бассейном выдержки тепловыделяющих элементов. Возможно размещение открытого оптического резонатора на открытом воздухе вблизи зданий АЭС, вблизи охлаждающих бассейнов или в местах выброса атмосферы из помещений АЭС в окружающую атмосферу. В этом случае осуществляется контроль выбросов вредных и опасных веществ и радионуклидов непосредственно в атмосферу территории расположения АЭС. Открытый оптический резонатор размещается в специальном защитном коробе, диаметр которого составляет порядка 5 см, а длина соответствует общей длине открытого резонатора. В коробе имеются отверстия для прохождения воздуха. Возможно использование отдельных небольших пеналов - коробов для размещения каждого отдельного элемента открытого оптического резонатора (31, 32, 33, 34, 35). При этом лазерный луч распространяется по открытому пространству контролируемого помещения. Собственно диаметр зондирующего лазерного луча составляет 2-3 мм. Длина открытого оптического резонатора может составлять от одного метра до десяти или двадцати метров в зависимости от размеров контролируемого технического помещения АЭС.
Лазерная измерительная система по настоящему изобретению, как уже отмечено, может содержать более двух открытых оптических резонаторов, размещенных в различных технических помещениях АЭС. При этом оптический коммутатор 54 выполнен с возможностью коммутации соответствующего количества оптических каналов и имеет необходимое количество оптических выходов.
0
0
Авторами проведены экспериментальные исследования и моделирование работы лазерной измерительной системы. На Фиг. 5 и Фиг. 6 представлены серии импульсов зондирующего ЛИ, прошедших N циклов распространения через открытый оптический резонатор при различных концентрациях С молекулярного йода. Для Фиг. 5 С=1 ПДК (ПДК - предельно-допустимая концентрация молекулярного йода в атмосфере помещения) для длины резонатора L=1,5 м и N=30. Для Фиг. 6 при L=5 м, N=30, С=0,1 ПДК. При этом на представленных осциллограммах показано отношение амплитуд импульсов I(N), прошедших через открытый оптический резонатор с концентрацией С молекулярного йода, к амплитудам I(N) импульсов при нулевой концентрации С=0 молекулярного йода: I(N)/I(N). Серия амплитуд импульсов при нулевой концентрации получена при проведении измерений с пустой эталонной кюветой 4. При расчете использованы параметры молекулы йода и ПДК йода в атмосфере окружающей среды и в жилых помещениях из известной справочной литературы [11]. Таким образом, лазерная измерительная система по настоящему изобретению позволяет обнаруживать молекулярный йод, появившийся в атмосфере в результате работы ядерного реактора, при его концентрации, начиная от долей ПДК.
Следует отметить возможность реализации в лазерной измерительной системе по настоящему изобретению различных алгоритмов обнаружения и измерения различных молекулярных составляющих атмосферы технических помещений АЭС, для чего первый лазерный генератор 1 настраивается на генерацию длины волны, отвечающей наибольшему поглощению лазерного излучения соответствующей конкретной составляющей продуктов деления урана.
В лазерной измерительной системе по настоящему изобретению использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Лазерные генераторы и фотоприемники выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Оптические приборы и элементы, входящие в состав данной измерительной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические отражательные и полупрозрачные зеркала, выдвижные уголковые отражатели с приводом на основе шаговых электродвигателей, волоконно-оптические линии с входящими в их состав адаптерами волокна на диапазон от 200 нм до ИК диапазона, управляемые спектральные фильтры, выполненные на основе акустооптических ячеек, работающие в широком диапазоне длин волн от видимого до ультрафиолетового диапазона [9, 10]. Управляемые спектральные фильтры обеспечивают спектральную узкополосную фильтрацию зондирующего ЛИ перед его поступлением на входы фотоприемных блоков. Длина волны спектральной фильтрации задается сигналом управления от блока 19 и соответствует длине волны лазерного излучения, генерируемого в этот момент времени соответствующим лазерным генератором. Управляемые спектральные фильтры выполняют также функцию необходимого ослабления поступающего лазерного излучения, а также обеспечивают защиту фотоприемных блоков от высокого уровня интенсивности лазерного излучения в первый момент генерации импульса излучения лазерным генератором. Фотоприемные блоки выполнены на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя, работающего в диапазоне 200-800 нм. В состав фотоприемных блоков входят электрические усилители импульсных сигналов, блоки оцифровки и сопряжения со входом ЭВМ.
Блок 19 обработки и управления выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 19 выполняет функции обработки поступающей с выходов фотоприемных блоков информации, на основе которой осуществляется расчет и определение концентрации молекулярного йода или других составляющих атмосферы контролируемых технических помещений. Одновременно блок 19 осуществляет управление работой всех элементов и устройств лазерной системы измерений по соответствующей программе. Блок 19 содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами лазерной измерительной системы.
Оптическая линия задержки 8 выполнена на основе волоконно-оптической линии 9 и обеспечивают необходимую задержку зондирующего импульса лазерного излучения за счет увеличения пути распространения импульса ЛИ в волоконно-оптической линии соответствующей длины. Введение данной временной задержки импульсов лазерного излучения необходимо для разделения этих импульсов по времени при их регистрации в фотоприемном блоке. Волоконно-оптические линии 58 и 61 позволяют расположить основную измерительную аппаратуру лазерной измерительной системы на расстоянии порядка 1000 метров от контролируемого технического помещения с ядерным реактором в безопасном помещении. Оптический коммутатор 54 может быть выполнен на основе использования оптоэлектронных акустооптических мультипликаторов оптических сигналов [9].
Настоящее изобретение, во-первых, реализует непрерывный контроль состава атмосферы в двух (или более) технических помещениях атомной электростанции. Это позволяет обеспечить мониторинг параметров атмосферы технических помещений и своевременное обнаружение опасных концентраций молекулярного йода и других составляющих, образующихся при длительной работе ядерного реактора. Применение для измерений состава атмосферы метода многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через контролируемый слой атмосферы позволяет увеличить чувствительность и точность измерений параметров атмосферы. При этом для измерения концентрации газовых составляющих атмосферы помещений АЭС используются открытые оптические резонаторы, размещенные непосредственно в указанных контролируемых помещениях. Это исключает необходимость использования каких-либо дополнительных измерительных кювет и позволяет существенно удлинить путь прохождения зондирующего лазерного излучения через контролируемый слой атмосферы технического помещения. Тем самым обеспечивается дополнительное увеличение чувствительности лазерной измерительной системы.
Во-вторых, в настоящем изобретении реализуется измерение уровня концентрации молекулярного йода в отдельных точках технического помещения путем дистанционного управляемого изменения длины открытого оптического резонатора. Это позволяет определить область наибольшей концентрации опасных веществ и место возникновения протечки твэлов и проникновения опасных веществ в атмосферу технического помещения. Реализация высокого уровня чувствительности лазерной измерительной системы позволяет обеспечить мониторинг параметров атмосферы на самых ранних стадиях начала и развития протечки твэлов и своевременно предотвратить возможность наступления аварийной ситуации высокого уровня.
Лазерная измерительная система по настоящему изобретению позволяет с высокой точностью определять присутствие химического элемента -урана, попадающего в атмосферу и в помещение при возникновении разгерметизации и других технологических дефектах твэлов. Обнаружение урана может быть реализовано при использовании лазерных генераторов соответствующей длины волны генерируемого лазерного излучения. Высокая чувствительность предлагаемой лазерной измерительной системы позволяет на основе измерения весьма малой концентрации урана в составе исследуемых сред осуществлять обнаружение протечек твэлов и реализовать обнаружение предаварийного состояния тепловыделяющих сборок.
Использование лазерной измерительной системы по настоящему изобретению в составе ядерного энергетического реактора позволяет реализовать следующие преимущества и обеспечить решение следующих проблем в области эксплуатации современных ядерных реакторов:
1) Обеспечение возможности проведения контроля состава атмосферы непосредственно в помещениях расположения первого и второго контуров ядерного реактора, а также в других необслуживаемых помещениях, например, помещениях бассейнов для выдержки твэлов. При этом возможно определение концентрации не только молекулярного йода, но и других радионуклидов, образующихся при длительной работе ядерного реактора и воздействии радиации. Для обнаружения указанных веществ возможно использование всего спектра лазерного излучения от короткого ультрафиолета до инфракрасного излучения.
2) В необслуживаемых и полуобслуживаемых помещениях первого контура (зона строгого режима) устанавливаются только открытые оптические резонаторы, выполняющие роль оптических датчиков параметров атмосферы помещения. Вспомогательное оборудование лазерной измерительной системы и устройства отображения информации могут быть вынесены в любое помещение АЭС на расстояние порядка 1000 метров от ядерного реактора за счет использования волоконно-оптической линии связи. Такая структура при высоком ресурсе работы оптических элементов позволит снизить радиационные нагрузки обслуживающего персонала АЭС.
3) Применение лазерной измерительной системы по настоящему изобретению позволяет своевременно организовать работы по предотвращению аварийной ситуации высокого уровня.
Лазерная измерительная система по настоящему изобретению может быть использована для мониторинга атмосферы окружающей среды и оперативного определения концентрации следующих молекулярных составляющих газов: сероводорода, двуокиси серы, двуокиси азота, окиси углерода, метана и метилмеркаптана. При этом обеспечивается чувствительность при определении указанных газовых компонентов в 10-50 раз более высокая, чем при использовании известных газоанализирующих средств.
Лазерная измерительная система по настоящему изобретению вследствие высокой точности измерений, широкого диапазона измерений концентраций исследуемых веществ и высокой оперативности выполнения измерений найдет применение в различных областях производства, химической, нефтеперерабатывающей промышленности и системах мониторинга окружающей среды и экологического контроля.
Источники информации
1. Марченко З.И. Фотометрическое определение элементов. М.: Мир, 1971.
2. Патент США №5750461, опубл. 12.05.1998.
3. Патент РФ №2587642, опубл. 10.1.2015.
4. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектралъный фотометрический метод измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе контура охлаждения энергетического ядерного реактора. Атомная энергия, 2016, т. 121, вып. 5, с. 265-269.
5. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектралъный метод контроля характеристик теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Препринт ФИАН №12. М., 2015 г., 34 с.
6. Патент РФ №2594364, опубл. 20.08.2016.
7. Патент РФ №2606369, опубл. 10.01.2017.
8. Патент РФ №2705212, опубл. 06.11.2019 (ближайший аналог).
9. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985, с. 134-234.
10. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985, т. 12, №4.
11. Лазарев Н.В., Астраханцев П.И. Химически вредные вещества в промышленности. Справочник Т.1 и Т.2. Госхимтехиздат. Ленинград, 1933 г.