Высокотемпературная ионизационная камера деления для систем управления и защиты ядерных реакторов
HIGH-TEMPERATURE FISSION IONIZATION CHAMBER FOR REACTOR CONTROL AND PROTECTION SYSTEMS

Изобретение относится к устройствам контроля ядерных реакторов (ЯР), которые осуществляют преобразование плотности потока нейтронов (ИНН) от активной зоны ЯР в выходные электрические сигналы на всех режимах работы реакторной установки (РУ).
Изобретение предназначено для контроля относительной мощности РУ по плотности потока нейтронов в составе системы управления и защиты (СУЗ) ядерного реактора преимущественно при температуре в месте размещения ионизационной камеры (ИК) выше 500°С. Такие условия могут иметь место при эксплуатации ионизационных камер деления (ИКД) в составе СУЗ РУ на быстрых нейтронах. Область техники, к которой относится изобретение - регистрация ядерных излучений, преимущественно регистрация нейтронов в СУЗ РУ.
Известны ИКД для контроля потоков нейтронов, являющиеся датчиками сигналов в СУЗ ЯР (см. Е.К. Малышев, Ю.Б. Засадыч, С.А. Стабровский. «Газоразрядные детекторы для контроля ядерных реакторов», Москва, Энергоатомиздат, 1991; см. И.П. Гурьев, Ю.П. Бородулин, М.С. Вольберг, И.А. Горелов, Н.В. Веселовский, А.Б. Дмитриев, H01J 47/02, патент №RU 2384913 «Ионизационная камера для системы управления и защиты ядерного реактора»).
Отличительной особенностью всех ИКД является наличие у них радиатора - слоя, содержащего элементы, ядра которого делятся при взаимодействии с нейтронами, с вылетом части осколков деления в пространство между электродами, что приводит к ионизации газа и, при подаче на электроды разности электрических потенциалов, к появлению тока между электродами, величина которого пропорциональна плотности потока нейтронов. Делящийся материал наносится на поверхность по крайней мере одного из электродов, обращенную к зазору между электродами. Например (и как правило) радиатором служит слой оксида урана, обогащенного изотопом уран-235.
2
Поверхностная плотность такого радиатора от одного до двух мг/см.
Схема ИКД показана на фиг. 1, где 1 и 2 - электроды; 3 - зазор между электродами; 4 - герметичный корпус; 5 - опорные изоляторы электродов; 6 - проходные изоляторы выводов электродов; 7 - трубка для откачки и наполнения ИКД газом; 8 - радиатор на поверхности электрода.
Работа ионизационной камеры происходит следующим образом. Вывод одного из электродов соединяется с источником постоянного напряжения (обычно в диапазоне +200…+500 В). Вывод другого электрода через входное сопротивление вторичной аппаратуры электрически соединяется с заземленным корпусом ИКД и "-" выводом источника постоянного напряжения. При воздействии на ИКД нейтронного потока газ в межэлектродном промежутке ионизуется осколками от деления ядер урана и в электрической цепи выводов от электродов возникает электрический ток, величина которого является мерой плотности нейтронного потока.
235
-11
-2
2
-8
Все ИКД имеют небольшой ложный выходной сигнал (ЛВС) - ток, вызванный альфа-излучением радиатора, величина которого зависит от делящегося вещества радиатора. Так, для ИК, имеющих радиатор, обогащенный по изотопу U до 90%, удельный ток ЛВС для одного квадратного сантиметра площади радиатора составляет около 0,5⋅10А⋅см. Существующие ИКД имеют площадь покрытия 1000 см и более. Аппаратура СУЗ допускает значения тока ЛВС не более 5⋅10 А.
При увеличении температуры ИКД ЛВС от альфа-излучения остается в допустимых пределах до 600°С. При дальнейшем росте температуры ЛВС быстро увеличивается термоэлектронной эмиссией с поверхности радиатора и контроль ППН с помощью ИКД в составе СУЗ невозможен для всех режимов работы РУ.
Величина тока термоэлектронной эмиссии с поверхности радиатора определяется работой выхода электронов для материала этой поверхности. Работа выхода электронов из уран-оксидного радиатора при температуре около 600°С составляет величину ϕ=3,1 эВ (см. Haas G., Jensen J. - Appl. Phys., 1963, 34, Ν7, p. 1231-1233).
-2
1/2
ш
Удельный ток (j, А⋅см) термоэлектронной эмиссии, связанной с абсолютной температурой (Т, К) и работой выхода электронов (ϕ, эВ) с учетом эффекта Шоттки (ϕ=е(еЕ), эВ), рассчитывается по в формуле Ричардсона-Шоттки (см. Г.Г. Владимиров - Физическая электроника. Часть 1):
, где
j(T) - удельный ток термоэлектронной эмиссии;
Τ - температура;
ϕ - работа выхода;
ш
ϕ - изменение работы выхода, вызванное эффектом Шоттки;
k - постоянная Больцмана.
ш
Расчетные значения удельного тока термоэмиссии электронов с учетом эффекта Шоттки (ϕ=0,025 эВ) для напряжения питания 300 В и межэлектродного зазора 1,8 мм плоскопараллельной электродной системы в диапазоне температур от 500°С до 600°С для уран-оксидного радиатора и покрытого платиновым слоем того же радиатора приведены в таблице 1. Эмиссия термоэлектронов в газ-наполнитель ИКД уменьшает удельный ток не более, чем на 20% за счет обратного рассеяния вследствие диффузии, что находится в хорошем согласии с экспериментом.
Для увеличения допустимой температуры эксплуатации высокотемпературной ИКД радиатор предлагается изготавливать двухслойным. Первый слой - на поверхности электродов (электрода) - слой оксида урана. Второй слой - на поверхности оксида урана - слой металла с работой выхода электронов большей 3,1 эВ, например, слой платины, с работой выхода электронов 5,12 эВ (см. B.C. Фоменко, Т.А. Подчерняева «Эмиссионные и адсорбционные свойства веществ и металлов». Москва, Атомиздат, 1975).
2
Слой платины на поверхности урана будет сокращать выход осколков деления ядра урана в межэлектродное пространство, уменьшая полезный сигнал ИКД. Для уменьшения этого паразитного эффекта поверхностная плотность слоя платины на оксиде урана должна быть не более 0,1 мг/см.
Технические результаты, получаемые при реализации предлагаемого технического решения, заключаются в обеспечении возможности контроля плотности потока тепловых нейтронов при температурах более 500°С.
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в конструкции предлагаемой ИКД применяются по крайней мере два электрически изолированных электрода, размещенных в герметичном корпусе, снабженном электрическими выводами от каждого электрода и трубкой, через которую полость корпуса откачивается и наполняется инертными газами. При этом электродная система ИК изготовлена таким образом, что на поверхность электродов, обращенной к межэлектродному пространству, по крайней мере одного из электродов, нанесен слой делящегося вещества (радиатора), на поверхность которого нанесен слой материала, например платины, с работой выхода электронов больше работы выхода электронов из материала делящегося покрытия, толщиной, недостаточной для полного препятствия выходов продуктов реакции деления урана в межэлектродное пространство. Технический результат - уменьшение ложных выходных сигналов ИКД, обусловленных эмиссией термоэлектронов с поверхности радиатора, заметных при температуре выше 500°С.