УСТРОЙСТВО ОНЛАЙНОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА БЫСТРЫХ И ЭПИТЕРМИЧЕСКИХ НЕЙТРОНОВ
DEVICE FOR ONLINE MEASUREMENT OF FLOW OF FAST AND EPITHERMAL NEUTRONS

min
max
Настоящее изобретение касается устройства онлайнового измерения потока быстрых и эпитермических нейтронов в интервале энергии [E, E].
Область техники и уровень техники
Например, но не ограничительно, изобретение можно применять для онлайнового измерения потока быстрых и эпитермических нейтронов в активной зоне реактора в следующих условиях:
2
- большой общий нейтронный поток (например, 1Е14 н/см/с или больше);
- большая доля тепловых нейтронов в общем нейтронном потоке;
- интенсивное гамма-излучение;
- измерение производят в режиме реального времени (он-лайн) для отслеживания изменений быстрого потока во времени;
- измерение производят в активной зоне, и его чаще называют измерением "in-core".
Вышеупомянутые условия применяют для контрольно-измерительных приборов в реакторе испытания материалов, часто называемых контрольно-измерительными приборами MTR (MTR от "Material Testing Reactor"), или для мониторинга активных зон силовых реакторов (чаще называемого «мониторингом "in-core"»).
В настоящее время измерение потока быстрых нейтронов осуществляют при помощи двух классов детекторов: периодически активируемых детекторов и онлайновых детекторов.
Периодически активируемые детекторы являются дозиметрами, материалы которых предпочтительно выбирают таким образом, чтобы обеспечивать флуктуацию нейтронных потоков в требуемом энергетическом диапазоне. Речь идет о проверенном методе (ссылка [1]), который имеет следующие недостатки:
- дозиметры необходимо извлекать из активной зоны для их анализа (то есть речь идет об измерении, которое получают апостериори после завершения цикла реактора);
- получаемой величиной является поток, интегрированный по продолжительности излучения, поэтому нет возможности получить картину изменений во времени.
В отличие от вышеупомянутых детекторов, онлайновые детекторы обеспечивают онлайновое измерение в активной зоне реактора. Как известно, онлайновые детекторы представляют собой урановые камеры деления с экраном-поглотителем тепловых нейтронов. Камеры деления являются хорошо известными нейтронными детекторами, широко распространенными в области нейтронного контроля реакторов (детекторы "ex-core" или "in-core"). Некоторые камеры, называемые миниатюрными и даже сверхминиатюрными, снаружи имеют вид цилиндров диаметром 4 мм или меньше и очень хорошо подходят для контрольно измерительных приборов "in-core", то есть вписываются в область, рассматриваемую в настоящей заявке. Французская патентная заявка, поданная на имя Комиссариата по атомной энергии 29 ноября 1994 года и опубликованная под номером 2727526 (ссылка [2]), дает подробное описание такой камеры деления. Обнаружение нейтронов происходит при помощи делящегося покрытия, в котором происходят ядерные деления. Это покрытие в большинстве случаев выполняют из урана U235, что лучше всего подходит для измерения тепловых нейтроном или для измерения быстрых нейтронов в отсутствие тепловой компоненты. Для измерения быстрых нейтронов в вышеупомянутых условиях наиболее предпочтительным является использование урана U238, в случае которого эффективное сечение деления имеет пороговое значение. Вместе с тем, в данном случае возникает следующая проблема: в результате захвата тепловых нейтронов уран U238 превращается в плутоний Рu239, который является изотопом, делящимся в присутствии тепловых нейтронов. Для преодоления этой трудности Y.Kashchuk et al. (см. ссылку [3]) предложили использовать экраны (В10, Cd, Gd …), которые призваны поглощать тепловые нейтроны, пока они не достигли самого детектора. Однако это решение связано с существенными проблемами: габариты, мало совместимые с использованием "in-core", локальное возмущение от теплового потока, механическая прочность, износ под действием излучения, нагрев детектора.
Заявителю известен другой тип онлайнового детектора. Этот другой тип детектора представляет собой решение, описанное в еще не опубликованной французской патентной заявке, поданной на имя заявителя 21 декабря 2007 года под национальным регистрационным номером 0760229. Этот другой тип детектора представляет собой камеру деления, содержащую плутоний Рu242 чистотой не менее 99,5%. На фиг.1А и 1В показаны два примера такой камеры деления и на фиг.2 показано устройство, выполненное с возможностью нанесения покрытия из плутония Рu242 в этих камерах деления. Преимуществом такой камеры деления является то, что она отвечает вышеупомянутым потребностям без использования экрана для тепловых нейтронов.
На фиг.1А показан первый пример камеры деления, содержащей плутоний Рu242 чистотой не менее 99,5%. С точки зрения механической конструкции эта камера деления идентична камере, описанной в заявке, опубликованной под номером 2727526.
Позицией 20 обозначена трубка с наружным диаметром, по существу равным, например, 1,5 мм, которая служит одновременно кожухом для камеры деления и, по меньшей мере, в части, обозначенной позицией 21, - катодом. Эта трубка выполнена, например, из инконеля или из нержавеющей стали.
Внутри камеры в двух изоляторах 22, 24, например, рубиновых, установлен центральный анод 26 с делящимся покрытием с пороговым значением, например, из плутония Рu242, имеющего степень чистоты, по меньшей мере, равную 99,5%.
Трубка 20 закрыта на одном из своих концов 23 пробкой 28, например, из нержавеющей стали. Во время использования камеру заполняют инертным газом, например, аргоном или аргоном с добавлением небольшого количества (например, 4%) азота, под давлением в несколько бар (например, 5 бар), и пробка 28 одновременно служит для заполнения и для обеспечения герметичности камеры. Анод 26 соединен с проводящими элементами 32, 36 для передачи электрического сигнала наружу камеры. В свою очередь, эти проводящие элементы 32, 36 соединены с проводящим элементом 44 соединительного провода 11, который соединяет весь узел с соединительным устройством, как описано в патентной заявке 2727526.
Проводник 32 соединен с концом 35 проводника 36 внутри трубки 20, которая ограничивает камеру деления, тогда как другой конец 37 проводника 36, который проходит через пробку 34 и выполнен из сверхчистого глинозема, соединен с проводником 44 внутри продолжения наружной металлической оболочки 30 провода 11. Пробка 34, по меньшей мере, частично запрессована в металлический кожух 38, который можно закрепить сваркой на конце 40 трубки 20.
На фиг.1В показан второй пример камеры деления, содержащей плутоний Рu242 со степенью чистоты не менее 99,5%.
Она содержит корпус 1 камеры из электропроводящего материала, который является наружным кожухом устройства. Камеру можно также выполнить из любого другого материала и нанести слой электропроводящего материала на внутреннюю поверхность стенок камеры для получения наружного электрода 1. Средства 2, тоже выполненные из электропроводящего материала, образуют подложку, на которой нанесен тонкий слой 120 радиоактивного элемента, то есть, в рамках настоящего изобретения, плутония Рu242 со степенью чистоты не менее 99,5%. Во время работы эти средства 2 выполняют функцию анода, а корпус 1 является катодом. Между катодом и анодом находится ионизируемый газ, например, аргон под давлением 1,5 бар.
Герметичный канал 3 (металл и глинозем) удерживает подложку 2 и обеспечивает электрическое соединение с наружным пространством, а также герметичность конца камеры.
Винт 4 позволяет закрепить подложку на герметичном канале.
Позицией 5 обозначена пробка, а позицией 6 обозначен наконечник, закрепленный сваркой на проводе герметичного канала и предназначенный для облегчения электрического соединения.
Такая камера деления может иметь, например, наружный диаметр порядка 4 мм.
Независимо от варианта выполнения камеры деления с плутонием Рu242, на один из электродов или на оба электрода наносят тонкий слой делящегося материала, содержащего плутоний Рu242. Камера является прозрачной для нейтронов, то есть пропускает нейтроны через свои стенки. Иначе говоря, камера имеет слабое эффективное сечение захвата нейтронов. Электроды выполнены либо полностью из электропроводящего материала, либо покрыты слоем электропроводящего материала.
Слой плутония Рu242 можно получать методом электроосаждения, например, при помощи устройства, показанного на фиг.2.
Предназначенный для осаждения плутоний Рu242 может быть в виде жидкого раствора 100 в химическом стакане 102 в электролитическом растворе, содержащем смесь азотной кислоты и оксалата аммония.
Электрод или подложка 120, на который/которую будет нанесено покрытие, удерживается в двух наконечниках 111, 113 из тефлона на конце стержня 116, например, из платины, покрытой тефлоновой пленкой. Весь узел помещают в раствор. Раствор можно перемешивать для поддержания его однородности, например, поместив якорь 104 магнитной мешалки на дно химического стакана, который устанавливают на магнитной мешалке 106.
В раствор 102 погружают проволоку 105 из электропроводящего материала (например, из платины). Средства 107 питания обеспечивают циркуляцию электрического тока в этой проволоке и в растворе. Ток перемещает плутоний в растворе, который осаждается на электроде или подложке 120.
В случае необходимости, электрод или подложку 120 можно приводить во вращение при помощи двигателя 110, чтобы получить однородное покрытие на всей поверхности, входящей в контакт с электролитическим раствором. Например, внутренний электрод можно вращать со скоростью 60 об/мин, что показано стрелкой 108.
Этот способ можно применять как для внутреннего электрода, так и для наружного электрода. Если необходимо наносить плутоний только на внутренние стенки электрода (который в этом случае имеет, например, цилиндрическую форму), наружную стенку наружного электрода закрывают слоем защитного материала, например, слоем тефлона.
В представленных выше случаях за счет пропускания тока примерно 350 мА в течение двух часов можно получить осаждение 90-95% плутония, присутствующего в электролитическом растворе, на электроде или подложке 120.
Проблемой камеры деления, работающей на плутонии Рu242, является присутствие делящихся примесей (Рu239 или Рu241) в покрытии, которые повышают чувствительность камеры к тепловым нейтронам, и этим присутствием, даже если оно проявляется в небольшой степени, нельзя полностью пренебрегать. Кроме того, образование делящихся изотопов при последовательных превращениях, даже если оно значительно меньше, чем в случае урана U238, способствует повышению этой чувствительности во время облучения. Следовательно, камеру деления с плутонием Рu242 можно использовать только в исключительных обстоятельствах, а именно, когда тепловой поток не является слишком сильным или облучения происходят в течение короткого времени.
Таким образом, существует реальная необходимость в реализации системы измерения, которая позволяет выделить в сигнале, производимом пороговой камерой деления, часть, связанную с быстрыми нейтронами (искомая величина), и часть, связанную с тепловыми нейтронами.
Раскрытие изобретения
1
n
n
min
max
Для удовлетворения вышеупомянутых потребностей изобретением предлагается устройство онлайнового измерения быстрых и эпитермических нейтронов φ(t) в моменты t в интервале энергии [E, Е], отличающееся тем, что содержит:
- детектор быстрых нейтронов (DNR), содержащий материал, который в основном обнаруживает быстрые нейтроны;
- детектор тепловых нейтронов (DNT), содержащий материал, который в основном обнаруживает тепловые нейтроны;
n
n
- первую электронную схему, которая выдает в моменты t цифровой сигнал VR(t) на основании сигнала обнаружения, поступившего от детектора быстрых нейтронов;
n
n
- вторую электронную схему, которая выдает в моменты t второй цифровой сигнал VT(t) на основании сигнала обнаружения, поступившего от детектора тепловых нейтронов;
n
- средства, выполненные с возможностью определения в моменты t изотопного состава материала-детектора быстрых нейтронов и изотопный состав материала-детектора тепловых нейтронов;
n
11
n
12
n
21
n
22
n
- средства, выполненные с возможностью определения в моменты t, на основании указанных изотопных составов, изменяющейся чувствительности к быстрым нейтронам I(t) детектора быстрых нейтронов, изменяющейся чувствительности к тепловым нейтронам I(t) детектора быстрых нейтронов, изменяющейся чувствительности к тепловым нейтронам I(t) детектора тепловых нейтронов и изменяющейся чувствительности к быстрым нейтронам I(t) детектора тепловых нейтронов,
n
1
n
2
n
- средства вычисления в моменты t потока быстрых и эпитермических нейтронов φ(t) и потока тепловых нейтронов φ(t) при помощи системы уравнений:
n
11
n
1
n
12
n
2
n
VR(t)=KR×I(t)×φ(t)+KR×I(t)×φ(t), и
n
21
n
1
n
22
n
2
n
VT(t)=КТ×I(t)×φ(t)+КТ×I(t)×φ(t)
где KR и КТ являются, соответственно, коэффициентом калибровки детектора быстрых нейтронов и коэффициентом калибровки детектора тепловых нейтронов.
n
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, устройство дополнительно содержит средства вычисления полного нейтронного потока φ(t,E) при помощи уравнения:
n
1
n
1
2
n
2
φ(t,E)=φ(t)·f(E)+φ(t)·f(E,θ), где
1
fiss
epi
- f(E)=f(E)+αf(E), и
2
mxw
- f(E,θ)=f(E,θ),
fiss
epi
mxw
при этом f(E) является компонентой деления потока нейтронов, f(E) является эпитермической компонентой потока нейтронов, f(E,θ) является компонентой Максвелла потока нейтронов, и α является коэффициентом пропорциональности между эпитермической компонентой потока нейтронов и компонентой деления потока нейтронов.
min
max
r
n
r
r
Согласно другому дополнительному отличительному признаку изобретения, устройство измерения дополнительно содержит средства вычисления, в интервале [Е, E], N результатов интегрирования в моменты t, при этом N является целым числом, большим или равным 1, при этом результат интегрирования порядка k (k=1, 2, …, N) получают при помощи уравнения:
k
n
k1
1
n
k2
2
n
R(t)=m·φ(t)+m(θ)·φ(t)
при
, и
, где
1
fiss
epi
- f(E)=f(E)+αf(E), и
2
mxw
- f(E,θ)=f(E,θ),
fiss
epi
mxw
при этом f(E) является компонентой деления потока нейтронов, f(E) является эпитермической компонентой потока нейтронов, f(E,θ) является компонентой Максвелла потока нейтронов, и α является коэффициентом пропорциональности между эпитермической компонентой потока нейтронов и компонентой деления потока нейтронов, и где
k
- Y(E) является функцией отклика, которая характеризует результат интегрирования порядка k.
k
а
b
min
max
min
maх
Согласно частному отличительному признаку изобретения, функция отклика Y(E) является функцией идентификации искомого энергетического диапазона [Е, Е], который совпадает с интервалом [E, E] или который входит в интервал [Е, Е] таким образом, что
k
а
b
Y(E)=1, если Е<Е<Е и
k
Y(E)=0 в противном случае,
k
n
а
b
таким образом, что R(t) является потоком нейтронов, энергия которого находится в пределах от Е до Е, а именно:
.
k
r
Согласно другому частному отличительному признаку изобретения, функция отклика Y(E) является макроскопическим эффективным сечением реакции Σ(E), при этом:
, где
i
N' является числом атомов изотопа i, присутствующего в среде, и  является микроскопическим эффективным сечением изотопа i относительно реакции r в среде, то есть:
при этом реакция r является, например, реакцией деления или захвата, или диффузии, или повреждения.
11
n
12
n
21
n
22
n
Согласно дополнительному отличительному признаку устройства измерения в соответствии с настоящим изобретением, поскольку детектор быстрых нейтронов и детектор тепловых нейтронов являются камерами деления, изменяющуюся чувствительность I(t), I(t), I(t) и I(t) можно соответственно записать:
i
n
n
где N(t) является изотопным составом в момент t изотопа i материала, способного обнаруживать в основном быстрые нейтроны, и  является эффективным сечением изотопа i; и
j
n
n
где N(t) является изотопным составом в момент t изотопа j материала, обнаруживающего в основном тепловые нейтроны,  является эффективным сечением изотопа j.
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, детектор тепловых нейтронов является камерой деления, содержащей уран U235.
11
n
12
n
21
n
22
n
Согласно другому дополнительному отличительному признаку изобретения, поскольку детектор быстрых нейтронов является камерой деления, а детектор тепловых нейтронов является коллектроном, изменяющуюся чувствительность I(t), I(t), I(t) и I(t) можно соответственно записать:
и
i
n
n
где N(t) является изотопным составом в момент t изотопа i материала, способного обнаруживать в основном быстрые нейтроны, и   является эффективным сечением изотопа i; и
n
n
n
Rh
где U[Ψ(t)] является функцией износа коллектрона, получаемой из таблицы в зависимости от тепловой флуктуации в момент t ψ(t) материала, способного обнаруживать в основном тепловые нейтроны, и S(E) является чувствительностью коллектрона.
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, детектор тепловых нейтронов является коллектроном, работающим на родии, или на ванадии, или на серебре.
Согласно другому дополнительному отличительному признаку изобретения, детектор быстрых нейтронов является камерой деления с пороговым делящимся покрытием, например, камерой деления, содержащий плутоний Рu242 с чистотой не менее 99,5%.
Согласно еще одному дополнительному отличительному признаку изобретения, камера деления, содержащая плутоний Рu242 со степенью чистоты не менее 99,5%, содержит:
- герметичный отсек, который выполнен с возможностью заполнения детекторным газом под давлением и стенки которого пропускают нейтроны,
- первый и второй электроды, изолированные электрически друг от друга, между которыми можно подавать напряжение,
- делящийся материал, содержащий плутоний Рu242 со степенью чистоты не менее 99,5% атомного веса, нанесенный, по меньшей мере, на один из двух электродов, и
- детекторный газ, находящийся в герметичном отсеке под давлением, ионизируемый продуктами деления.
n
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, первая электронная схема содержит цифровой процессор для вычисления дисперсии, который выдает цифровой сигнал VR(t) в виде цифровой дисперсии сигнала, выдаваемого детектором быстрых нейтронов.
n
Согласно другому дополнительному отличительному признаку изобретения, вторая электронная схема содержит цифровой процессор для вычисления дисперсии, который выдает цифровой сигнал VT(t) в виде цифровой дисперсии сигнала, выдаваемого детектором тепловых нейтронов.
Согласно еще одному дополнительному отличительному признаку изобретения, вторая электронная схема является цифровой схемой преобразования ток-напряжение.
Предпочтительно устройство измерения в соответствии с настоящим изобретением отделяет компоненту сигнала, связанную с гамма-излучением. Действительно, испытания, проведенные на облучающем реакторе, показали, что гамма-излучение может отвечать более чем за половину среднего тока, производимого пороговой камерой деления. В этом случае рекомендуют использовать камеру деления в режиме, называемом «режимом флуктуации» или «режимом Кэмпбелла». Это предполагает обращение к дисперсии сигнала, а не к его среднему значению. В этом случае влиянием гамма-излучения можно пренебречь, так как оно составляет всего несколько процентов и не более от дисперсии.
В рамках предпочтительного варианта выполнения изобретения, согласно которому влиянием гамма-излучения можно пренебречь, устройство измерения в соответствии с настоящим изобретением, например, содержит следующие основные элементы:
- нейтронный детектор, в основном чувствительный к быстрым нейтронам, например, такой как камера деления с плутонием Рu242, содержащая аргон с добавлением 4% азота;
- электронику обработки, позволяющую использовать в режиме флуктуации сигнал, выдаваемый камерой деления с плутонием Рu242;
- проводное соединение, совместимое с использованием в режиме флуктуации, которое соединяет камеру деления с плутонием Рu242 с электроникой обработки, которая использует сигнал, выдаваемый камерой деления (в этом случае волновое сопротивление провода адаптируют к входному сопротивлению электроники обработки);
- нейтронный детектор, в основном чувствительный к тепловым нейтронам, например, такой как коллектрон (SPND от "Self Powered Neutron Detector" на английском языке) или камера деления с ураном U235;
- вычислительные программы (программа изменения СЕ и программа вычисления РММ (РММ от "Processus de Modelisation de Mesure" - процесс моделирования измерений); и
- вычислительное устройство.
Краткое описание фигур
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1А-1В - два примера камеры деления, которые можно применять для реализации устройства измерения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - устройство, выполненное с возможностью осаждения делящегося материала в камерах деления, показанных на фиг.1А и 1В;
фиг.3 - принципиальная схема устройства измерения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4 - временная диаграмма, иллюстрирующая работу устройства измерения в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг.3;
фиг.5 - принципиальная схема отдельной схемы, входящей в состав устройства измерения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 - влияние на сигнал измерения, поступающий из камеры деления с плутонием Рu242, различных изотопов, образующихся при последовательных превращениях (тепловые захваты).
На всех фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Фиг.1А, 1В и 2 уже было описаны выше, поэтому к ним можно не возвращаться.
На фиг.3 показана принципиальная схема устройства онлайнового измерения потока быстрых и эпитермических нейтронов в соответствии с настоящим изобретением, а на фиг.4 показаны временные диаграммы, помогающие понять работу устройства измерения в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг.3.
Устройство содержит детектор DNR для измерения быстрых нейтронов, первую электронную схему С1 преобразования и обработки сигнала, поступающего от детектора DNR, детектор DNT для измерения тепловых нейтронов и вторую электронную схему С2 преобразования и обработки сигнала, поступающего от детектора DNT, программу изменения СЕ, программу вычисления РММ и вычислительное устройство CALC.
n
n
n
n
n
n
Детектор DNR выдает ток iR(t), а детектор DNT выдает ток iT(t). Токи iR(t) и iT(t) проходят соответственно на схему С1 преобразования и обработки и на вторую схему С2 преобразования и обработки, которые выдают соответственно цифровой сигнал VR(t) и цифровой сигнал VT(t) в отдельные моменты t. Как будет показано ниже, цифровой сигнал VR(t) предпочтительно является цифровой дисперсией тока iR(t). Вместе с тем, изобретение рассматривает также цифровые сигналы, отличные от дисперсии тока, например, такие как среднее значение тока. Цифровые сигналы VR(t) и VT(t) передаются в вычислительное устройство CALC.
n
k
n
R
min
maх
n
n
R
R
n
t
.
В каждый момент t, вычислительное устройство CALC вычисляет, по меньшей мере, один результат интегрирования R(t) (k=1, 2, …, N) в выбранном интервале энергии [E, Е] на основании цифровых сигналов VR(t) и VT(t) и данных, выдаваемых программой изменения СЕ и программой вычисления РММ. Индекс k является текущим индексом, меняющимся от 1 до N, при этом N является максимальным числом результатов интегрирования, вычисленных в один и тот же момент
k
n
Далее следует описание вычисления результатов R(t).
n
n
n
В каждый момент t вычислительное устройство CALC принимает сигналы измерения VR(t) и VT(t) и производит следующие вычисления:
1
n
2
n
1) Вычисление компоненты потока быстрых и эпитермических нейтронов φ(t) и компоненты тепловых нейтронов φ(t), а именно:
1
n
11
n
n
φ(t)=h·VR(t)·VT(t)
2
n
21
n
22
n
φ(t)=h·VR(t)+h·VT(t)
2) Вычисление, по меньшей мере, одного результата  при помощи уравнения:
k
n
k1
1
n
k2
2
n
R(t)=m·φ(t)+m(θ)·φ(t)
k1
k2
Величины m и m получают при помощи соответствующих уравнений:
k
min
max
k
n
где Y(E) является функцией отклика, определенной энергетической базой [E, Е] и характеризующей результат интегрирования R(t).
k
s
max
s
s
Например, не ограничительно для вычисления потока быстрых нейтронов функция отклика Y(E) соответствует энергетической базе [E, E], при этом энергия E является пороговым значением, сверх которого нейтроны считаются быстрыми нейтронами. Пороговое значение E может быть равно, например, 100 кэВ или 1 МэВ. Отсюда:
k
s
Y(E)=1 при E>E, и
k
s
Y(E)=0 при E≤E
1
2
Две функции f(E) и f(E,θ) получают при помощи соответствующих уравнений:
1
fiss
epi
f(E)=f(E)+α f(E)
2
nxw
f(E,θ)=f(E,θ),
fiss
epi
mxw
fiss
epi
mxw
где f(E), f(E) и f(E,θ) являются соответственно компонентой деления потока нейтронов, эпитермической компонентой потока нейтронов, компонентой Максвелла потока нейтронов. Компоненты f(E), f(E) и f(E,θ) являются известными величинами. Коэффициент α является известным коэффициентом пропорциональности между эпитермической компонентой и компонентой деления.
k
k
а
b
min
max
min
max
Как было указано выше, изобретение касается функций отклика Y(E), отличных от определенной выше функции отклика. Так, функция отклика Y(E) может быть функцией идентификации искомого энергетического диапазона [Е, Е], входящего в интервал [E, E] или идентичного интервалу [E, E]. Отсюда:
k
а
b
Y(E)=1, если Е<Е<Е, и, в противном случае,
k
Y(E)=0.
r
Функция отклика может быть также макроскопическим эффективным сечением реакции Σ(Е), таким, что:
, где
i
k
n
N' является числом атомов изотопа i, присутствующего в среде, и  является микроскопическим эффективным сечением изотопа i относительно реакции r в среде, таким образом, что R(t) является скоростью реакции r в среде.
i
n
Предпочтительно изменение под действием потока величины N' можно вычислить при помощи программы изменения, например, программы изменения СЕ, которая служит для вычисления изотропных составов материалов-детекторов камер деления, с использованием потока φ(t,E), определенного системой измерения.
n
R
В общем случае, когда одновременно в один и тот же момент t производят N вычислений потока, предыдущие вычисления записывают в матричном виде. Опустив временную переменную, получаем:
и
Сначала вычислительная программа РММ вычисляет матрицы М и Н во время фазы инициализации, затем программа РММ периодически их обновляет в отдельные моменты , что будет уточнено ниже.
0
0
р
р
Первоначальным матрицам присваивают обозначения М и Н. Матрицам М и Н между моментами обновления  и  присваивают обозначения М и Н.
Программа РММ разрабатывает матрицы интерпретации измерений М и Н на основе физических моделей нейтронного потока и детекторов.
1) ФАЗА ИНИЦИАЛИЗАЦИИ
0
Перед моментом t первого измерения программа РММ осуществляет следующие операции:
1.1) Вычисление матрицы М
k1
k2
При помощи цифрового алгоритма интегрирования вычисляют m и m. Получают:
R
, k=1, …, N
,
R
k=1, …, N
0
Температуру замедлителя θ либо вводит пользователь (в этом случае ее считают постоянной во время всего опыта), либо ее измеряют при запуске системы.
k
Как было указано выше, Y(E) являются функциями отклика, которые определяют выбранный результат интегрирования. Напомним, что:
1
2
Как было указано ранее, две функции f(E) и f(E,θ) получают из:
1
fiss
epi
f(E)=f(E)+αf(E)
2
mxw
f(E,θ)=f(E,θ),
fiss
epi
mxw
где компонента деления f, эпитермическая компонента f и компонента Максвелла f являются сами по себе известными величинами.
Например, но не ограничительно, компонента деления зависит от энергии с функцией следующей формы:
где параметры a и b зависят от типа топлива, используемого в реакторе. Для эпитермической компоненты получают, например:
где, например, но не ограничительно:
0
1
2
3
Е=0 эВ; E=0,2 эВ; Е=0,25 МэВ; Е=1 МэВ
Наконец, компоненту Максвелла, записывают, например, как:
-5
при К=8.617343х10 эВ/К (К является постоянной Больцмана, поделенной на заряд электрона).
fiss
epi
Коэффициенты нормирования k и k являются такими, что:
0
1.2) Вычисление Н
1.2.1 Случай, когда детекторы DNR и DNT являются камерами деления:
Рассмотрим камеру деления, имеющую индекс j:
- j=1 соответствует камере деления для обнаружения быстрых нейтронов (например, камера с Рu242), и
- j=2 соответствует камере деления для обнаружения тепловых нейтронов (например, камера с U235).
Этап 1: вычисление изотропного состава
Входные данные представляют собой первоначальный изотопный состав   покрытия камеры деления (число атомов каждого изотопа i). Этот изотопный состав, определенный на момент , получен в результате химических анализов, произведенных изготовителем камеры деления, или предпочтительно в результате вычислений, произведенных программой РММ во время предыдущего облучения камеры деления.
С этими входными данными программа РММ запускает вычисление изменения при нулевом нейтронном потоке при помощи программы изменения СЕ, которая, кроме всего прочего, отталкивается от ядерных данных (эффективные сечения, константы радиоактивного распада, и т.д.), получаемых из нормированных библиотек (типа JEF, ENDF и т.д.).
0
Результатом этого вычисления изменения, которое сводится к вычислению распада (нулевой поток), является изотропный состав покрытия в момент t: .
Этап 2: Вычисление быстрой и тепловой чувствительности в камере деления
ji
j
Напомним, что значения чувствительности I камеры деления определяют как соотношение между плотностью делений RD и рассматриваемой компонентой потока, то есть:
j
j1
1
j2
2
RD=I·φ+I·φ
При этом программа РММ вычисляет коэффициенты быстрой и тепловой чувствительности камеры деления:
0
Температуру замедлителя θ либо вводит пользователь (при этом она считается постоянной во время всего опыта), либо ее измеряют при запуске системы.
min
max
Входные данные , определенные по энергетической базе [Е, E], обозначают эффективные сечения деления изотопов i. Как правило, их получают из нормированных библиотек ядерных данных (типа JEF, ENDF и т.д.).
1.2.2. Случай когда детектор DNR является камерой деления или когда детектор DNT является коллектроном (SPND)
2
Различие между коллектроном и камерой деления связано с тем, что явлениями самоэкранирования и самопоглощения в массивном детекторном материале коллектрона нельзя пренебречь, как в камере деления, покрытие которой является исключительно тонким (поверхностная масса меньше 1 мг/см). Отсюда следует, что вычисления изменения в условиях потока являются более сложными и не могут быть произведены в режиме он-лайн. Поэтому их осуществляют заранее, и результаты вводят в таблицу в виде функции износа, зависящей от тепловой флуктуации в коллектроне, что будет пояснено ниже.
j
Рассмотрим коллектрон, например, работающий на родии (Rh), обозначенный индексом j. Напомним, что значения чувствительности коллектрона определяют как соотношение между плотностью захвата RD и рассматриваемой компонентой потока, то есть:
j
j1
1
j2
2
RD=I·φ+I·φ
Входными данными являются:
: Первоначальная тепловая флуктуация, интегрируемая коллектроном (временной интеграл теплового потока). Эта флуктуация в момент  является нулевой для нового коллектрона. В противном случае ее получают в результате вычислений, произведенных программой РММ во время предыдущего использования коллектрона (облучение);
Rh
- S(E): чувствительность SPND, например, с родием Rh, с учетом эффективного сечения захвата, самоэкранирования излучателя и самопоглощения испускаемых электронов (вычисление производит специалист);
- U(ψ): функция износа, получаемая из таблицы в зависимости от тепловой флуктуации ψ (вычисление производит специалист, или ее получают опытным путем).
Rh
Вычисления S и U описаны, например, в публикации, упомянутой в библиографической ссылке [6].
Программа РММ напрямую вычисляет значения быстрой и тепловой чувствительности коллектрона при помощи уравнений:
Температуру замедлителя θ либо вводит пользователь (и ее в этом случае считают постоянной во время всего опыта), либо ее измеряют при запуске системы.
0
1.2.3) Вычисление Н
Программа РММ производит обращение матрицы 2х2:
j
j
j
j
j
j
Коэффициент калибровки K является соотношением между величиной V, направляемой в вычислительное устройство, и интенсивностью взаимодействия (деление или захват) RD в детекторе j (V=K·RD).
2) ОБНОВЛЕНИЕ МАТРИЦ М И Н
2.1) Синхронизация по времени вычислительного устройства CALC и РММ
Синхронизация по времени вычислительного устройства CALC и программы РММ показана на фиг.4.
р
0
1
2
3
Программа РММ запускает вычисление обновления М и Н в моменты, обозначенные Т (см. Т, T, Т, Т, … на фиг.4).
р
р
p-1
p-1
После завершения вычисления программа РММ передает новые матрицы М и Н в вычислительное устройство для использования вместо предыдущих матриц, обозначенных M и H.
р
р
р
р
р
р
р
р
p+1
Вычислительное устройство учитывает М и Н в момент Т'>Т. Продолжительность (Т'-Т) может меняться, поэтому моменты Т следует выбирать таким образом, чтобы Т'<T.
p
p
p-1
На практике выбирают постоянный и максимально короткий ∆T=T-T=Q·dt в зависимости от эффективности вычисления, обеспечиваемой процессором, исполняющим программу РММ. Можно предусмотреть и другие критерии упорядочения по времени программы РММ, однако они не представляют особого интереса по отношению к выбранному нами критерию.
р
р
1
2
3
Примечание: если вблизи момента Т' измерения является постоянными, изменение матриц интерпретации предполагает все же небольшой скачок ε (см. ε, ε, ε на фиг.4) в результатах:
p
p-1
p
p-1
По сути дела скачок ε соответствует компенсации погрешности чувствительности, которая увеличилась (медленно) после последнего вычисления РММ в момент T. Этой погрешностью можно пренебречь, если (T-T) является достаточном коротким (по сути дела, пока флуктуация, интегрируемая детекторами в этот временной интервал, является достаточной слабой).
2.2) Вычисление средних измерений
Программа РММ использует измерения VR и VT для обновления матриц интерпретации М и H, используемых вычислительным устройством. Если температура θ измерена, ее тоже используют в этом процессе, в противном случае РММ использует температуру, введенную пользователем и предполагаемую постоянной в течение всего облучения детекторов.
p-1
р
n
Между моментами T и Т программа РММ сохраняет измерения VR, VT и, в случае необходимости, θ, которые поступают в нее от вычислительного устройства в каждый момент t, с целью вычисления их средних значений:
, если θ измерена,
, если θ введена.
p
p-1
р
N является числом измерений, переданных в программу РММ между моментами T и Т:
p
p-1
Np≈(T-T)/dt
p
2.3) Вычисление среднего нейтронного потока в момент Т
Программа РММ интерпретирует средние измерения, как это делает вычислительное устройство, используя матрицу H. Сначала вычисляют:
, затем
средний нейтронный поток при помощи:
р
p-1
р
Примечание 1: средний поток служит для вычисления Н. Таким образом, программа РММ использует H для вычисления Н, то есть речь идет об итеративном алгоритме.
Примечание 2: можно вполне использовать средний поток на последующих этапах, так как предполагают, что интервал времени между двумя вычислениями РММ тоже является максимально коротким.
2.4) Обновление матрицы М
Если температуру θ ввел пользователь и ее считают постоянной, то никаких действий не предполагается.
0
0
Если температура θ измерена, обновлению подлежит только второй столбец матрицы М. Порядок действий такой же, как и для М, при этом θ заменяют на :
R
, k=1, …, N
2.5) Обновление матрицы Н
р
0
Вычисление Н отличается от вычисления Н тем, что нейтронный поток уже не является нулевым, и вычисления изменения должны учитывать взаимодействие нейтронов с материалами-детекторами.
2.5.1 Вычисление чувствительности камер деления
Рассмотрим камеру деления с индексом j (j=1 для камеры деления DNR и j=2 для камеры деления DNT).
Этап 1: вычисление изотропного состава
Входными данными являются:
p-1
- Изотропный состав  покрытия камеры деления (число атомов каждогоизотопа i) в момент T, при этом  вычисляют при помощи программы РММ в фазе инициализации, и
- Средний нейтронный поток .
С этими входными данными программа РММ запускает вычисление изменения под действием нейтронного потока при помощи программы изменения СЕ, которая, кроме всего прочего, отталкивается от ядерных данных (эффективные сечения, константы радиоактивного распада, и т.д.), получаемых из нормированных библиотек (типа JEF, ENDF и т.д.).
p
Результатом этого вычисления изменения является изотропный состав покрытия в момент T: .
Этап 2: Вычисление быстрой и тепловой чувствительности камеры деления
ji
Напомним, что значения чувствительности I камеры деления определяют как соотношение между плотностью делений и рассматриваемой компонентой потока, то есть:
j
j1
1
j2
2
RD=I·φ+I·φ
р
При этом программа РММ может вычислить коэффициенты быстрой и тепловой чувствительностей камеры деления в момент Т:
min
max
Входные данные , определенные по энергетической базе [E, Е], обозначают эффективные сечения деления изотопов i. Их получают из нормированных библиотек ядерных данных (типа JEF, ENDF и т.д.).
2.5.2 Вычисление чувствительности колдектрона (случай, когда детектор DNT является коллектроном)
Рассмотрим коллектрон, например, с родием (Rh), обозначенный индексом j.
Осуществляют два этапа.
Этап 1: вычисление тепловой флуктуации, интегрируемой коллектроном
Осуществляют итеративный процесс:
, и
j
0
j
0
ψ(T)=ψ(t)
Rh
где  является тепловым потоком, выведенным из  согласно тем же принципам, которые применялись во время вычисления функций S(T) и U(ψ).
Rh
1
2
На практике, специалист, который осуществлял вычисление функций S(T) и U(ψ), определил два параметра α и α, при которых:
Этап 2: Вычисление быстрой и тепловой чувствительности коллектрона
Входными данными являются:
j
p
- ψ(T): тепловая флуктуация, интегрируемая коллектроном (временной интеграл теплового потока);
Rh
- S(E): чувствительность коллектрона, например, с родием (Rh), учитывая эффективное сечение захвата, самоэкранирование излучателя и самопоглощение испускаемых электронов (вычисление производит специалист).
- U(ψ): функция износа, получаемая из таблицы в зависимости от тепловой флуктуации ψ (вычисление производит специалист, или ее находят опытным путем).
РММ напрямую вычисляет значения быстрой и тепловой чувствительности при помощи уравнений:
p
2.5.3) Вычисление Н
Программа РММ производит обращение матрицы 2х2:
j
j
j
j
j
j
Коэффициент калибровки К является соотношением между величиной V, направляемой в вычислительное устройство, и интенсивностью взаимодействия (деление или захват) RD в детекторе j (V=К·RD).
2.6) Передача матриц М и Н
р
р
р
р
Программа РММ направляет матрицы М и Н в вычислительное устройство CALC, которое заменяет ими матрицы интерпретации М и Н в момент Т'>Т.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, детектор DNR является камерой деления с пороговым делящимся покрытием. Такая камера деления показана, например, на фиг.1 и 2. Пороговым делящимся покрытием может быть покрытие из плутония Рu242, как было указано выше. Пороговым делящимся покрытием может быть также покрытие из урана U238 или из нептуния Np237, или из тория Th232. В раках предпочтительного варианта выполнения изобретения соединительный провод соединяет детектор DNR со схемой С1. Этот соединительный провод используют одновременно для электрической поляризации детектора и для передачи сигнала, выдаваемого камерой деления, в схему обработки С1. Часть провода, облучаемая нейтронным потоком, должна иметь минеральный изолятор (глинозем, кремнезем, магнезия). Предпочтительно провод встроен в детектор, и его наружный диаметр меньше диаметра детектора. Кроме того, этот провод должен иметь электрические свойства, совместимые с использованием камеры деления в режиме флуктуации, то есть: низкая погонная емкость, волновое сопротивление, близкое к входному сопротивлению электроники (обычно 50 Ом) и низкое сопротивление передачи, чтобы обеспечить высокий иммунитет к помехам. Для этого используют провод с медным экраном и с оболочкой из нержавеющей стали или из инконеля для обеспечения высокой механической прочности в реакторе. Провод имеет, например, диаметр, находящийся в пределах от 2 до 2,2 мм для камеры деления диаметром 3 мм, и по существу равный 1,3 мм для камеры деления диаметром 1,5 мм (оптимизация сопротивления передачи).
n
n
n
n
На фиг.5 показана принципиальная схема схемы преобразования и обработки С1 согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения. Схема С1 содержит предварительный усилитель РА, аналого-цифровой преобразователь CAN, цифровой процессор вычисления дисперсии VAR и генератор высокого напряжения НТ. Детектор DNR соединен со схемой С1 проводом CAB. Предварительный усилитель РА преобразует поступающий в него через провод CAB ток iR(t) в аналоговое напряжение Va(t), которое передается в аналого-цифровой преобразователь CAN. Высокое напряжение Т, выдаваемое генератором высокого напряжения НТ, проходит через предварительный усилитель РА и провод CAB в детектор DNR. Аналого-цифровой преобразователь CAN преобразует аналоговое напряжение Va(t) в цифровое напряжение V(t), дискриминируемое в отдельные моменты t=n·dt (dt является периодом дискретизации, обычно dt=1 мкс, и n является целым числом, обозначающим временной индекс выборки), которое поступает в цифровой процессор вычисления дисперсии VAR, который выдает цифровую дисперсию VR(t).
Предпочтительно электроника обработки сигнала применяет режим флуктуации, основанный на теореме Кэмпбелла (см. ссылку [4]). Эта теорема показывает, что электрический сигнал, производимый набором импульсов в камере деления, имеет интересные статистические свойства. Действительно, средняя величина и дисперсия этого сигнала пропорциональны бомбардирующему потоку нейтронов, и в то же время средняя величина пропорциональна также среднему заряду Q, создаваемому в газе для каждого обнаруженного нейтрона, а дисперсия пропорциональна этому заряду, возведенному в квадрат.
Как известно, говорят, что камеру деления применяют в «режиме тока», если речь необходимо применять среднюю величину тока, который она производит. Чувствительность камеры деления в режиме тока пропорциональна Q. Поскольку заряд, создаваемый нейтроном, как правило, в 100 раз превышает заряд, создаваемый гамма-квантом, это же касается соответственно относительной чувствительности к нейтронному потоку и потоку гамма-лучей. Это свойство делает из камеры деления нейтронный детектор, наиболее подходящий для измерения нейтронов в присутствии интенсивного гамма-излучения (типичная ситуация измерений в реакторе). Вместе с тем, в некоторых обстоятельствах отделение гамма-излучения в режиме тока может оказаться недостаточным: либо поскольку гамма-излучение является слишком интенсивным (в частности, в облучающем реакторе), либо поскольку чувствительность к нейтронам является невысокой (случай камер деления с Рu242, чувствительность которых к быстрым нейтронам на два порядка ниже чувствительности классических камер деления с U235 относительно тепловых нейтронов). Поэтому сигнал в «режиме тока» необходимо корректировать, вычитая из него сигнал, производимый соседней камерой деления, не содержащей делящегося покрытия (то есть, чувствительной только к гамма-излучениям). В этом случае необходимо применять для детектора, чтобы получить доступ к нейтронному потоку.
2
В этом случае использование камеры деления в «режиме флуктуации» представляется интересной альтернативой. Поскольку чувствительность зависит от величины Q, чувствительность к гамма-излучению окажется примерно в 10000 раз ниже, чем по отношению к нейтронам. Таким образом, при помощи одной камеры деления можно получить достаточно эффективное отделение гамма-излучений в том числе в довольно сложных обстоятельствах. При наблюдении камер деления на плутонии Рu242 авторы изобретения обнаружили, что в облучающем реакторе влияние гамма-излучения меняется примерно от 50% в режиме тока примерно до 0,6% в режиме флуктуации. По этой причине авторы настоящей заявки решили отдать предпочтение разработке электроники цифровой обработки сигнала для применения камеры деления в режиме флуктуации.
После усиления и преобразования (предварительный усилитель РА) электрический сигнал, поступающий из камеры деления, оцифровывают при помощи аналого-цифрового преобразователя CAN. В этом случае вычисление дисперсии производят в цифровом режиме при помощи цифровой схемы электроники, например, типа FPGA (FPGA от "Field Programmable Gate Array" или «программируемая пользователем вентильная матрица») или при помощи процессора.
n
n
n
n
h
Схема CAN дискриминирует с частотой дискретизации Fe=1/dt аналоговый сигнал Va(t) в цифровой сигнал VR(t) при t=n·dt. Частота Fe равна, например, 1 МГц. При этом цифровой процессор VAR обрабатывает цифровой сигнал Vn(t). Процессор VAR вычисляет цифровую дисперсию VR(t) в скользящем поле N выборок, соответствующих продолжительности Т:
h
T=N dt
h
Продолжительность Т равна, например, 100 мс. При этом получают:
n
n
В случае необходимости, цифровую дисперсию VR(t) можно сократить (на порядок N), так как полоса ее пропускания меньше полосы пропускания исходного сигнала Vn(t). Таким образом, схема измерения выдает цифровое значение дисперсии, пропорциональное потоку бомбардирующих нейтронов, например, каждые 100 мс.
2
21
2
Измерение тепловых нейтронов производят при помощи коллектрона (SPND), например, родиевого, или при помощи камеры деления на уране U235, которую тоже предпочтительно применяют в режиме флуктуации (отделение гамма-излучения). Измерение тепловых нейтронов позволяет оценить изменение изотропного состава покрытия камеры деления под действием потока. Действительно, под действием интенсивного теплового потока за счет последовательных превращений плутония Рu242 образуются делящиеся изотопы, что делает камеру деления с плутонием Рu242 все более чувствительной к тепловым нейтронам. В качестве не ограничительного примера на фиг.6 для тепловых и быстрых потоков 1Е15 н/см/с показана общая плотность делений (кривая KS на фиг.6) и влияние на общую плотность делений различных изотопов, образующихся при последовательных превращениях, то есть плутония Рu242 (кривая К1 на фиг.6), плутония Рu241 (кривая К2 на фиг.6), америция АМ243 (кривая К3 на фиг.6), кюрия СМ244 (кривая К4 на фиг.6) и кюрия СМ245 (кривая К5 на фиг.6). На фигуре видно, что из делящихся изотопов, которые образуются при последовательных превращениях, наибольшее отрицательное влияние оказывает Сm245 (кривая К5), начиная от плотности теплового потока порядка 10 н/см.
В рамках настоящего изобретения схема преобразования и обработки С2 (на фигурах не показана) предпочтительно идентична схеме С1, если детектор DNT является камерой деления с U235. Если тепловой детектор DNT является коллектроном, схема С2 является цифровой схемой преобразования ток-напряжение. Эту функцию может обеспечить, например, цифровой вольтметр, который измеряет падение напряжения на контактах резистора (например, 10 кОм при 1%), в котором проходит ток, генерируемый коллектроном.
Библиографические ссылки
[1] D.Beretz et al.: "French PWR Vessel Surveillance Program Dosimetry Experience Feedback from More than a Hundred Capsules", Reactor Dosimetry ASTM STP 1398, West Conshohocken, PA, 200
[2] G.Bignan и J.C.Guiyard: «Сверхминиатюрная камера деления с герметичным каналом», французский патент, №регистрации 9414293, №публикации 2727526.
[3] Y.Kashchuk et al.: "Monitoring the Fast Neutron Flux Density and Fluence in a RBMK Core Using a Threshold Fission Chamber in a Screen-Absorber". Atomic Energy, Vol.98, 4 (2005), 249.
[4] G.F.Knoll.: "Radiation Detection and Measurement" 3d Edition, John Wiley & Sons, 1999.
[5] A.Tsilanizara et al. DARWIN: "An evolution code system for a large range of applications", J.Nucl. Sci. Technol. 37 (2000) 845.
th
[6] L.Vermeeren: "Absolute on-line in-pile measurement of neutron fluxes using self-powered neutron detectors", 5 International Topical Meeting on Research Reactor Fuel Management, Org. European Nuclear Society, Aix-la-Chapelle, Allemagne, 1-3 avril 2001.