Система измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя энергетического ядерного реактора
SYSTEM OF MEASURING CONCENTRATION OF BORIC ACID IN POWER NUCLEAR REACTOR HEAT CARRIER CIRCUIT

3
3
Изобретение относится к области измерительной техники и ядерной энергетике и предназначено для использования в составе ядерного энергетического реактора атомной электростанции для непрерывного контроля и оперативного измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе ядерного реактора типа ВВЭР. Борная кислота, содержащаяся в виде водного раствора в контуре теплоносителя, содержит химический элемент Бор-10, атомное ядро которого является эффективным поглотителем нейтронов, образующихся при работе ядерного реактора. Концентрация атомов Бора-10 в составе теплоносителя является фактором, определяющим режим работы ядерного реактора. Одновременно с этим изменение концентрации атомов Бора в составе теплоносителя используется для изменения режима работы и управления ядерным реактором. Путем изменения концентрации атомов Бора в составе теплоносителя осуществляется регулирование и компенсация выгорания топливных стержней (ТВЭЛ) в рабочем режиме ядерного реактора. Это обусловлено тем, что степень поглощения нейтронов зависит от концентрации атомов бора в составе теплоносителя. Образующиеся нейтроны вследствие наличия в составе теплоносителя атомов Бора выключаются из цепной реакции. Устраняется неравномерность распределения генерируемой мощности, возникающая при использовании стандартных управляющих механических элементов в ядерном реакторе. Поэтому точное и оперативное измерение концентрации атомов Бора в составе теплоносителя в первом контуре и подчиненных контурах необходимо для эффективного управления работой ядерного реактора и повышения безопасности атомных электростанций. Молекула борной кислоты HBO содержит один атом Бора-10. Поэтому измерение концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора эквивалентно измерению концентрации атомов Бора-10. Известны различные методы измерения концентрации борной кислоты в ее водных растворах, используемые в различных отраслях народного хозяйства. В ядерной энергетике основным методом измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя является химический метод измерения [1], основанный на взятии пробы вещества теплоносителя непосредственно из контура теплоносителя с помощью специального устройства для отбора пробы из основного первого контура теплоносителя непосредственно в рабочем режиме ядерного реактора [20]. Далее полученную пробу вещества теплоносителя в специальных лабораторных условиях, обеспечивающих защиту от радиации, подвергают воздействию ряда химических веществ, вызывающих люминесценцию исследуемого вещества пробы. Уровень концентрации борной кислоты определяют по интенсивности люминесценции обработанного вещества пробы из контура теплоносителя. К недостаткам данного метода определения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя следует отнести невысокую точность, особенно при определении малых концентраций борной кислоты, что обусловлено влиянием различных факторов при обработке пробы набором специальных веществ, возбуждающих люминесценцию при взаимодействии с раствором борной кислоты. Значительным недостатком данного метода является опасность радиационного поражения, которой подвергается персонал АЭС при транспортировке взятой пробы в лабораторный отсек и при осуществлении обработки и измерении параметров полученного вещества пробы. Данный метод характеризуется также малой оперативностью, так как транспортировка и обработка пробы занимает значительное количество времени и не позволяет достаточно быстро и многократно получать информацию о параметрах теплоносителя в контуре ядерного реактора.
Известны радиационные методы определения концентрации атомов Бора в составе теплоносителя в контуре ядерного реактора [2], [3], [7]. Данные методы основаны на прямом измерении параметров нейтронного потока на выходе ядерного реактора, либо используют измерение поглощения нейтронного потока при облучении вещества теплоносителя источником нейтронного излучения. Первый метод характеризуется низкой точностью и малой чувствительностью и позволяет осуществлять измерение только больших концентраций атомов Бора в составе теплоносителя. Второй метод, реализованный в устройстве [7] по патенту РФ, использует облучение вещества теплоносителя внешним источником нейтронного излучения и измерение уровня поглощения нейтронов с помощью специального измерительного прибора. При этом измерительный прибор и источник нейтронов установлены на действующем трубопроводе контура теплоносителя ядерного реактора. Облучающий измерительный поток нейтронов проходит перпендикулярно трубопроводу и протекающему веществу теплоносителя и захватывает малую часть его объема. Вследствие этого точность определения концентрации атомов Бора оказывается невысокой, особенно при определении малых концентраций Бора в составе теплоносителя. Следует отметить в качестве недостатков большую сложность монтажа и обслуживания аппаратуры радиационного измерения, которая располагается непосредственно на элементах трубопроводов контура теплоносителя в зоне действия радиации. В указанных методах отсутствует возможность контроля технического состояния радиационной измерительной аппаратуры, что существенно снижает достоверность и доверительность получаемой информации. Таким образом, известные в настоящее время методы измерения концентрации атомов Бора в составе теплоносителя в контуре ядерного реактора характеризуются невысокой точностью, большой сложностью в техническом обслуживании в условиях радиации при работе ядерного реактора, опасностью радиационного поражения обслуживающего персонала АЭС.
Наиболее точным методом определения концентрации атомов Бора в водном растворе борной кислоты является оптический фотометрический метод измерения. Применение этого метода основано на прямом фотометрировании и измерении светового потока соответствующей длины волны, прошедшего через вещество теплоносителя охлаждающего контура ядерного реактора. Для реализации этого метода измерения необходима врезка измерительной проточной оптической кюветы с оптически прозрачными окнами-иллюминаторами непосредственно в контур теплоносителя ядерного реактора посредством байпасного трубопровода. Возможен второй вариант осуществления фотометрического метода измерения концентрации борной кислоты в составе теплоносителя контура ядерного реактора, не требующий применения врезки проточной измерительной кюветы непосредственно в контур теплоносителя. Согласно этому варианту измеряемое рабочее вещество из контура теплоносителя ядерного реактора подается в измерительную кювету с прозрачными окнами по специальному дополнительному трубопроводу (ответвлению) с выхода пробоотборного устройства ядерного реактора, которое существует и используется в ядерном реакторе для получения пробы вещества теплоносителя и использования этой пробы в рассмотренном выше химическом методе определения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора. При этом вещество теплоносителя в измерительную оптическую кювету подается через дополнительный трубопровод посредством автоматического дистанционно-управляемого клапана. После осуществления измерения концентрации Бора в оптической измерительной кювете, осуществляется слив вещества теплоносителя из данной измерительной кюветы в специальную емкость для дальнейшей утилизации с помощью второго выпускного дистанционно-управляемого клапана. Таким образом, наполнение измерительной оптической кюветы веществом теплоносителя из контура ядерного реактора осуществляется без контакта персонала АЭС с измерительной аппаратурой и полученным материалом пробы. При этом также не требуется осуществления специального прямого подключения (врезки) измерительной оптической кюветы к контуру теплоносителя.
Измерения концентрации веществ в газовой или водной среде фотометрическим методом известны и с успехом применяются в различных технических отраслях. Однако применение данного метода в ядерной энергетике предъявляет определенные технические требования к аппаратуре и требует решения ряда сложных проблем и задач. Здесь следует отметить невозможность расположения аппаратуры вблизи рабочей зоны реактора и необходимость выноса измерительной аппаратуры из зоны радиационного воздействия и расположения ее на значительном расстоянии от измерительной кюветы, требование высокой точности измерения весьма малых концентраций борной кислоты (порядка 0,5 мг/л вещества теплоносителя) в конце рабочей сессии работы ядерного реактора, обеспечение высокой достоверности и доверительности полученных результатов измерений, а также требование высокой оперативности в проведении измерений. Представляемое изобретение направлено на решение указанных задач.
Известные устройства, реализующие фотометрический метод измерения концентрации веществ, содержат источник излучения, фотоприемник, измерительную кювету, с помощью которой образованы измерительный и опорный каналы измерения, схему обработки измерений. Недостатком данных устройств является сравнительно низкая точность измерений, особенно проявляющаяся при низкой концентрации измеряемых веществ из-за низкой поглощательной способности самого измеряемого вещества. Для преодоления этого недостатка обычно осуществляют увеличение длины измерительной кюветы, или используют многопроходную кювету. Однако эти методы повышения точности неприменимы при проведении измерений в условиях ядерного реактора. Известен двухлучевой фотометр с многопроходовой кюветой [4] по патенту Англии №1157086. Устройство содержит источник излучения, измерительный и сравнительный каналы (кюветы), зеркальный модулятор, фотоприемник, блок преобразования сигналов. К недостаткам устройства следует отнести низкую точность измерений.
Известно устройство [5] по патенту РФ №2022239, предназначенное для оптико-абсорбционного анализа газовой смеси. Устройство содержит инфракрасный источник излучения, широкополосный фильтр, измерительную кювету, интерференционный фильтр, фотоприемник, заполненный закисью азота. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерения, что обусловлено нестабильностью параметров источника ИК- излучения и приемника излучения и отсутствием возможности компенсации данной нестабильности. В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по технической сущности устройство по патенту РФ №750287 [6]. Устройство представляет собой двухлучевой фотометр и предназначено для оптико-абсорбционного анализа и определения концентраций веществ в жидкой фазе. Данное устройство содержит источник излучения с конденсором, многопроходовую (двупроходовую) кювету с исследуемым веществом, измерительный и сравнительный каналы, интерференционный фильтр, два фотоприемника, зеркальный механический модулятор, разностный каскад, блок обработки сигналов и управления. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерений, особенно проявляющуюся при измерении малых концентраций веществ. Это обусловлено невозможностью увеличения длины измерительной кюветы при измерении малых концентраций вещества, а также влиянием разброса в чувствительности двух используемых фотоприемников и отсутствия компенсации этого разброса. Следует также отметить принципиальную невозможность использования измерительного оптического устройства, созданного по данной схеме, для проведения измерений в условиях действующего ядерного реактора. Это обусловлено рядом специфических требований, предъявляемых к аппаратуре для измерения параметров теплоносителя в первом контуре ядерного реактора. К таким требованиям и действующим факторам относится невозможность расположения измерительной аппаратуры вблизи ядерного реактора и необходимость выноса аппаратуры в отдельное, защищенное от радиации помещение на значительном расстоянии от реактора - порядка 50-100 метров, а также невозможность увеличения длины измерительной кюветы свыше одного метра и невозможность использования многоходовой кюветы, имеющей увеличенные габариты (в диаметре) и требующей периодического обслуживания техническим персоналом.
Целью предлагаемого изобретения является преодоление указанных недостатков и создание измерительной системы для оптико-абсорбционного анализа и непрерывного дистанционного измерения концентрации борной кислоты в составе первого контура теплоносителя ядерного реактора типа ВВЭР с высокой точностью, обеспечивающей измерение малых концентраций борной кислоты. Измерение параметров первого контура теплоносителя ядерного реактора осуществляется дистанционно в автоматическом режиме и с высокой оперативностью, без участия обслуживающего персонала, который не подвергается при этом какой-либо радиационной опасности. Предлагаемая измерительная система обеспечивает возможность измерения с высокой точностью больших концентраций борной кислоты в составе теплоносителя порядка десятков граммов на литр вещества теплоносителя - в начале рабочей сессии ядерного реактора, а также измерение малых концентраций борной кислоты в составе вещества теплоносителя порядка 0,5-0,1 мг/л в конце рабочей сессии ядерного реактора. Это реализуется благодаря использованию специальных средств, обеспечивающих многократное прохождение измерительного зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету с ограниченными габаритами, допускающими использование в условиях ядерного реактора. При этом вблизи ядерного реактора находится только измерительная кювета, которая посредством волоконно-оптической линии соединена с основной измерительной аппаратурой системы измерений, вынесенной в отдельное помещение, безопасное в радиационном отношении.
Достигаемым техническим результатом является увеличение точности измерения концентрации борной кислоты в составе первого контура теплоносителя ядерного реактора, реализация измерений малых концентрации борной кислоты в составе теплоносителя, обеспечение высокой оперативности проведения измерений дистанционно на значительном расстоянии от действующего ядерного реактора без участия обслуживающего персонала.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
1. В системе измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя энергетического ядерного реактора, содержащей первый лазерный генератор, измерительную и эталонную кюветы, электрически связанные первый фотоприемный блок и блок обработки и управления, второй фотоприемный блок, выход которого подключен к блоку обработки и управления, управляющий вход первого лазерного генератора подключен к блоку обработки и управления, введены второй лазерный генератор, третий фотоприемный блок, первый и второй модуляторы лазерного излучения, четыре управляемых ослабителя, два выносных зеркала с блоками управления, последовательно установленные на оптической оси измерительной кюветы оптически связанные первый уголковый отражатель, первый светоделитель, оптический выход которого связан с оптическим входом измерительной кюветы, второй уголковый отражатель, оптически связанный с оптическим выходом измерительной кюветы, последовательно установленные на оптической оси эталонной кюветы оптически связанные третий уголковый отражатель, второй светоделитель, оптический выход которого связан с оптическим входом эталонной кюветы, четвертый уголковый отражатель, оптически связанный с оптическим выходом эталонной кюветы, оптически связанные первый адаптер волокна, волоконно-оптическая линия и второй адаптер волокна, оптический выход которого связан с оптическим входом первого светоделителя, а также введены четыре отражательных зеркала и четыре полупрозрачных зеркала, при этом выход первого лазерного генератора посредством первого отражательного зеркала связан с оптическим входом первого модулятора лазерного излучения, выход второго лазерного генератора посредством третьего полупрозрачного зеркала связан с оптическим входом первого модулятора лазерного излучения, оптический выход которого через первое полупрозрачное зеркало связан с оптическим входом первого адаптера волокна при выведенном первом выносном зеркале, оптический выход первого модулятора лазерного излучения при введенном первом выносном зеркале оптически связан с оптическим входом второго управляемого ослабителя, выход которого посредством четвертого отражательного зеркала связан с оптическим входом второго светоделителя, оптический вход первого адаптера волокна при выведенных первом и втором выносных зеркалах оптически связан посредством первого полупрозрачного зеркала и через четвертое полупрозрачное зеркало с оптическим входом второго модулятора лазерного излучения и с оптическим входом четвертого управляемого ослабителя, оптический выход которого связан с оптическим входом второго фотоприемного блока, оптический выход второго модулятора лазерного излучения оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, оптический выход первого модулятора лазерного излучения посредством первого полупрозрачного зеркала и через второе полупрозрачное зеркало оптически связан с оптическим входом первого управляемого ослабителя, выход которого связан с оптическим входом третьего фотоприемного блока, оптический выход первого модулятора лазерного излучения посредством первого и второго полупрозрачных зеркал, второго и третьего отражательных зеркал и через третий управляемый ослабитель, посредством второго выносного зеркала во введенном состоянии и посредством четвертого полупрозрачного зеркала оптически связан с оптическими входами второго модулятора лазерного излучения и четвертого управляемого ослабителя, оптический вход второго управляемого ослабителя при введенном первом выносном зеркале и выведенном втором выносном зеркале оптически связан посредством первого выносного зеркала, первого полупрозрачного зеркала и четвертого полупрозрачного зеркала с оптическим входом второго модулятора лазерного излучения и с оптическим входом четвертого управляемого ослабителя, управляющие входы второго лазерного генератора, первого и второго модуляторов лазерного излучения, первого, второго, третьего и четвертого управляемых ослабителей, подключены к блоку обработки и управления, блоки управления первым и вторым выносными зеркалами подключены к блоку обработки и управления, выход третьего фотоприемного блока подключен к блоку обработки и управления.
2. Система измерения по п. 1, отличающаяся тем, что в ней в качестве первого лазерного генератора использован лазерный генератор ультрафиолетового диапазона длин волн.
3. Система измерения по пункту 1, отличающаяся тем, что первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.
4. Система измерения по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве светоделителя использована акустооптическая ячейка с блоком управления, подключенного к блоку обработки и управления, причем оптический вход акустооптической ячейки оптически связан с оптическим входом измерительной кюветы, а оптический выход акустооптической ячейки параллельно оптически связан с первым уголковым отражателем и оптическим выходом второго адаптера волокна.
5. Система измерения по п. 1, отличающаяся тем, что в ней эталонная кювета снабжена блоком наполнения рабочим веществом, снабженным впускным и выпускным кранами.
На фиг. 1 приведена блок-схема системы измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора. Цифрами на фиг. 1 обозначены следующие элементы.
1 - первый лазерный генератор.
2 - измерительная кювета с оптическими окнами, прозрачными для лазерного излучения.
3 - эталонная кювета, являющаяся аналогом измерительной кюветы.
4 - первый фотоприемный блок.
5 - второй фотоприемный блок.
6 - блок обработки и управления.
Далее цифрами обозначены вновь введенные элементы.
7 - второй лазерный генератор.
8 - третий фотоприемный блок.
9 - второй модулятор лазерного излучения.
10 - первый модулятор лазерного излучения.
11, 12, 13 и 14 - первый, второй, третий и четвертый уголковые отражатели.
15 - волоконно-оптическая линия.
16, 17 - первый и второй адаптеры волокна.
18 - первый светоделитель, в качестве которого использовано полупрозрачное зеркало.
19 - второй светоделитель, в качестве которого использовано полупрозрачное зеркало.
20 - первое выносное зеркало с блоком управления 21, показанное в выведенном состоянии. Во введенном состоянии зеркало 20 занимает позицию 37.
21 - второе выносное зеркало с блоком управления 23, показанное в выведенном состоянии. Во введенном состоянии зеркало 22 занимает позицию 36.
24, 25, 26 и 27 - первый, второй, третий и четвертый управляемые ослабители.
28, 29, 30 и 31 - первое, второе, третье и четвертое отражательные зеркала.
32, 33, 34 и 35 - первое, второе, третье и четвертое полупрозрачные зеркала.
38 - блок наполнения эталонной кюветы 3 рабочим веществом.
49, 50 - патрубки для подключения измерительной кюветы 2 к контуру теплоносителя ядерного реактора.
Выносные зеркала 20 и 22 выполняют свои технические функции только во введенном состоянии в оптическую схему. Данное введенное состояние в оптическую схему обозначено позициями 37 для первого выносного зеркала 20 и позицией 36 для второго выносного зеркала 22. На фиг. 1 показано основное рабочее положение выносных зеркал - положение в выведенном состоянии из оптической схемы. В этом рабочем состоянии к оптической измерительной схеме подключена измерительная кювета 2, в которой осуществляются измерения концентрации борной кислоты. При введенном состоянии первого выносного зеркала 20, которое устанавливается в позиции 37, к оптической измерительной схеме подключается эталонная кювета 3, в которой осуществляется измерение концентрации борной кислоты в рабочем веществе эталонной кюветы 3. При этом второе выносное зеркало 22 находится в выведенном состоянии. При введенном состоянии второго выносного зеркала 22, которое устанавливается в позиции 36, осуществляется совместная калибровка фотоприемных блоков 4, 5 и 8. Оптическая измерительная схема состоит из лазерных генераторов, фотоприемных блоков, двух модуляторов лазерного излучения и четырех управляемых ослабителей, а также отражательных и полупрозрачных зеркал.
На фиг. 2 представлен второй вариант подключения волоконно-оптической линии 15 через адаптер волокна 17 к оптическому входу измерительной кюветы 2. Обозначения элементов соответствуют фиг. 1.
На фиг. 3 представлен третий вариант подключения волоконно-оптической линии 15 через адаптер волокна 17 к оптическому входу измерительной кюветы 2. В данном варианте исключен первый уголковый отражатель, функции которого выполняет первый светоделитель 18, в качестве которого, как и в прежних вариантах, использовано полупрозрачное зеркало. Обозначения элементов соответствуют фиг. 1.
На фиг. 4 представлен вариант использования в качестве светоделителя 18 и 19 акустооптической ячейки 39. Цифрами на фиг. 3 обозначены прежние элементы, соответствующие фиг. 1, и новые элементы:
39 - акустооптическая ячейка.
40 - блок управления акустооптической ячейкой.
41 - пьезоэлемент.
На фиг. 5 представлена блок-схема подключения измерительной кюветы 2 к выходу устройства отбора пробы в первом контуре теплоносителя ядерного реактора, где цифрами обозначены следующие элементы:
42 - трубопровод первого контура теплоносителя ядерного реактора.
43 - устройство отбора пробы из первого контура теплоносителя ядерного реактора.
44, 45, 46 - управляемые вентили.
47 - сливной управляемый вентиль.
48 - контейнер для сбора отработанного вещества теплоносителя.
Остальные элементы соответствуют фиг. 1.
На фиг. 6 представлена последовательность обратных импульсов лазерного излучения, регистрируемых первым 4 и вторым 5 фотоприемными блоками, показанными на фиг. 1.
На фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9 представлены результаты моделирования работы измерительной системы при проведении измерений с различными уровнями концентрации борной кислоты. Измерения представлены в виде последовательности регистрируемых обратных импульсов лазерного излучения при различных уровнях концентрации С борной кислоты в составе теплоносителя в контуре охлаждения ядерного реактора.
Принцип действия предлагаемой системы измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя заключается в следующем. Измерительная система (фиг. 1) работает следующим образом.
Система осуществляет непрерывное измерение оптических параметров вещества теплоносителя непосредственно в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. Измерение оптических параметров осуществляется абсорбционно-спектральным методом, путем пропускания лазерного излучения (ЛИ), генерируемого первым лазерным генератором поз.1 (см. фиг. 1) через измерительную кювету 2 и последующего измерения оптических параметров прошедшего через кювету 2 лазерного излучения с помощью первого фотоприемного блока 4, а также с помощью второго фотоприемного блока 5. Измерительная кювета 2 с помощью специальных патрубков 49 и 50 соединена с первым контуром теплоносителя ядерного реактора посредством специального байпаса (обходного трубопровода). Этим обеспечивается заполнение объема измерительной кюветы 2 веществом теплоносителя, циркулирующего в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. Измерительная кювета 2 снабжена специальными оптическими окнами, прозрачными для лазерного излучения лазерных генераторов поз. 1 и 7. Измерительная кювета 2 размещена вблизи ядерного реактора в зоне действия радиации и соединена с остальной измерительной аппаратурой, размещенной в зоне отсутствия радиации, волоконно-оптической линией 15, имеющей длину порядка 50-100 метров. Таким образом, с помощью измерительной кюветы 2, размещенной отдельно от измерительной аппаратуры, осуществляется измерение оптических параметров теплоносителя непосредственно в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. В системе измерений первый лазерный генератор поз.1 является основным источником зондирующего лазерного излучения, на длине волны которого осуществляется измерение характеристик оптического пропускания зондирующего лазерного излучения исследуемым веществом теплоносителя - раствором борной кислоты. В соответствии с характеристиками оптического поглощения излучения борной кислотой в качестве первого лазерного генератора 1 используется лазерный генератор ультрафиолетового диапазона длин волн. Второй лазерный генератор 7 является вспомогательным генератором и генерирует лазерное излучение в более длинноволновой области спектра. С помощью данного лазерного излучения осуществляется контроль и тестирование работы системы измерения, параллельная настройка оптических параметров пропускания излучения измерительной и эталонной кювет. Эталонная кювета 3 является полным аналогом измерительной кюветы 2. Эталонная кювета 3 с помощью блока наполнения 38 заполняется эталонным рабочим веществом, которым является раствор борной кислоты с известной концентрацией, или дистиллированная вода. Это позволяет осуществить точную настройку и калибровку системы измерений с использованием точно известных параметров эталонного раствора борной кислоты, содержащегося в эталонной кювете 3.
0
Абсорбционно-спектральный метод основан на определении величины поглощения оптического излучения определенной длины волны при его прохождении через исследуемое вещество - теплоноситель в контуре ядерного реактора. При использовании данного метода, называемого также фотометрическим методом, осуществляется измерение величины уровня лазерного излучения соответствующей длины волны, I, поступающего на оптический вход измерительной кюветы 2, а также измерение уровня величины лазерного излучения I, прошедшего через измерительную кювету поз. 2. После измерения и регистрации двух указанных величин лазерного излучения величина концентрации С борной кислоты в составе теплоносителя 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 борной кислоты (параметр, характеризующий способность борной кислоты поглощать оптическое излучение определенной длины волны). Размерность К - л/г см. Размерность С - г/л.
Формула (1) является основной для определения концентрации вещества С в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известна в технической литературе. В предлагаемой измерительной системе данное соотношение используется для измерения сравнительно больших и средних концентраций борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора - в пределах от десятков грамм на литр в начале сессии работы ядерного реактора, до десятков миллиграмм на литр объема вещества теплоносителя в середине и конце сессионного периода работы. Для измерения малых концентраций порядка десятых долей миллиграмм на литр (мг/л) используется специальный режим измерений, рассмотренный далее. Следует отметить, что борная кислота, присутствующая в составе теплоносителя в виде водного раствора, характеризуется очень малой величиной поглощения оптического излучения и, соответственно, малой величиной коэффициента экстинкции К. Заметное поглощение оптического излучения борной кислотой имеет место в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 200-400 нанометров, однако и в этом диапазоне поглощение излучения борной кислотой является очень малым и обуславливает принятие специальных мер для повышения чувствительности абсорбционно-спектрального метода при измерении малых значений концентрации борной кислоты, необходимых при осуществлении контроля и управления работой ядерного энергетического реактора.
изм
0
изм
изм
0
изм
изм
Следует отметить, что величина (произведение) KL в формуле (1) определяет чувствительность абсорбционно-спектрального метода измерений. Действительно, основной технически измеряемой величиной является величина V в (1), которая определяется и обусловлена уменьшением уровня светового потока после прохождения измерительной кюветы, по сравнению с уровнем светового потока на входе в измерительную кювету. Измерение параметров светового потока (импульса зондирующего лазерного излучения) после прохождения через слой исследуемого вещества является основной операцией абсорбционно-спектрального метода. Основным измеряемым параметром здесь является отношение Р=V/I, которое далее используется в соотношении (1) для непосредственного определения концентрации борной кислоты или других измеряемых данным методом веществ. Для обеспечения достаточно высокой точности измерений уровней световых потоков с помощью современной аппаратуры отношение Р должно превышать некоторый пороговый уровень измерения малых величин в указанной аппаратуре. Для современной измерительной аппаратуры такой уровень составляет величину порядка 1%, отсюда величина регистрируемого относительного уменьшения светового потока Р=V/I должна быть не меньше 0,01: Р>0,01. Таким образом, при осуществлении измерений абсорбционно-спектральным методом для получения высокой требуемой точности измерений относительная величина Р уменьшения светового потока должна быть не меньше одного процента от величины светового потока, поступающего на вход измерительной кюветы и удовлетворять соотношению
изм
Можно утверждать, что величина отношения Р=0,01 определяет пороговую величину минимальной концентрации борной кислоты, которую можно измерить при данной известной величине экстинкции К на выбранной для измерений длине волны оптического излучения.
Основное уравнение, связывающее падающий и прошедший световые потоки и концентрацию исследуемого вещества С, можно представить в следующей форме:
где использованы следующие величины и размерности: L [см] - толщина слоя исследуемого вещества (длина измерительной кюветы), С [мг/л] - концентрация борной кислоты, К - коэффициент экстинкции.
min
Согласно соотношениям (2) и (3) минимальная измеряемая концентрация C равна следующей величине, определяемой из уравнения
min
Разлагая в ряд экспоненту при малых величинах К и С, получаем для C:
min
min
изм
min
-1
-1
Величина C в (5) определяет минимально-возможную измеряемую концентрацию борной кислоты и является чувствительностью (потенциальной) абсорбционно-спектрального метода и одновременно чувствительностью аппаратуры, применяемой для измерений. Одновременно данная величина характеризует точность производимых измерений, так как определяет минимальную регистрируемую градацию изменения концентрации С борной кислоты в составе исследуемого вещества теплоносителя. Из (5) следует, что чувствительность метода определяется произведением величин KL и увеличивается (в смысле уменьшения минимально-регистрируемой величины C) при увеличении произведения KL. Борная кислота характеризуется весьма малой величиной экстинкции (К<<1 л⋅г⋅см), что существенно увеличивает согласно (5) величину минимальной регистрируемой концентрации борной кислоты и, соответственно, приводит к ухудшению чувствительности используемой измерительной аппаратуры. Поэтому при осуществлении измерений малых концентраций борной кислоты возникает проблема увеличения чувствительности измерительной аппаратуры, решение которой предложено в представляемом изобретении. Стандартным абсорбционно-спектральным методом возможно проведение измерений сравнительно больших концентраций борной кислоты. Так, например, согласно формуле (5) при длине измерительной кюветы L=1 м, коэффициенте экстинкции борной кислоты K=0,164 на наиболее короткой длине волны современных лазерных генераторов УФ-диапазона порядка 220 нм и величине Р=0,01 получаем минимальное значение измеряемой концентрации борной кислоты (чувствительность системы измерений) C=0,6 мг/л вещества теплоносителя.
Измерение больших и средних величин концентрации борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора, циркулирующего через измерительную кювету 2, осуществляется следующим образом.
1
2
3
2
1
1
2
3
Лазерный генератор 1 является основным и генерирует лазерное излучение (ЛИ) в ультрафиолетовой области спектра, в которой борная кислота обладает наибольшей поглощательной способностью, т.е. коэффициент экстинкции К имеет наибольшее значение. Второй лазерный генератор поз. 7 выполняет дополнительные функции контроля и настройки режима работы системы измерений. Лазерный генератор 7 осуществляет генерацию лазерного излучения в синей или зеленой области видимого спектра, в которой поглощение оптического излучения борной кислотой практически отсутствует, что позволяет осуществить с помощью данного лазерного излучения от лазерного генератора 7 совместную настройку и тестирование измерительной 2 и эталонной 3 кювет. Лазерные генераторы 1 и 7 работают по отдельности. Модулятор лазерного излучения 10 осуществляет формирование импульсов зондирующего лазерного излучения определенной длительности из лазерного излучения от первого 1 или второго 7 лазерных генераторов, работающих по отдельности. При этом лазерное излучение, генерируемое первым лазерным генератором 1, с его оптического выхода поступает на оптический вход первого модулятора ЛИ 10 после отражения от первого отражательного зеркала 28 и через третье полупрозрачное зеркало 34. При этом при работе первого лазерного генератора 1 второй лазерный генератор 7 находится в выключенном состоянии, и наоборот, первый лазерный генератор выключен при работе второго лазерного генератора 7, лазерное излучение с выхода которого поступает на вход первого модулятора ЛИ 10 через третье полупрозрачное зеркало 34. В предлагаемой измерительной системе предусмотрено использование лазерных генераторов 1 и 7 непрерывного излучения. В этом случае формирование импульсов ЛИ короткой длительности осуществляет первый модулятор лазерного излучения 10 по управляющим сигналам от блока обработки и управления 6. Возможно использование современных лазерных генераторов видимого и ультрафиолетового диапазонов, генерирующих импульсы лазерного излучения наносекундной длительности. В этом случае модулятор лазерного излучения 10 работает в качестве управляемого ослабителя проходящего лазерного излучения. В состав лазерных генераторов 1 и 7 входят блоки оптического формирования пучка выходного излучения. Частота повторения формируемых в модуляторе ЛИ 10 импульсов ЛИ порядка одного герца. Более высокая частота повторения не требуется, так как по одному сформированному импульсу зондирующего лазерного излучения определяется концентрация борной кислоты в теплоносителе, протекающем через измерительную кювету 2. Концентрация С - основной измеряемый параметр измерительной системы. Сформированный импульс зондирующего лазерного излучения с выхода модулятора лазерного излучения 10 поступает на вход адаптера волокна 16 волоконно-оптической линии 15 через первое полупрозрачное зеркало 32. При этом первое выносное зеркало 20 находится в выведенном состоянии, как это показано на фиг. 1. Следует отметить, что в рабочем режиме проведения измерений концентрации С в измерительной кювете 2 первое 20 и второе 22 выносные зеркала находятся в выведенном состоянии, как это показано на фиг. 1. При проведении измерений с использованием эталонной кюветы 3 первое выносное зеркало 20 с помощью блока управления 21 переводится во введенное состояние и занимает положение, показанное позицией 37 на фиг. 1. При этом выносное зеркало 22 остается в прежнем положении. При проведении режима калибровки и функционального контроля второе выносное зеркало 22 переводится во введенное состояние, отмеченное позицией 36 на фиг. 1. При этом первое выносное зеркало 20 может находиться в любом из двух указанных состояний. Адаптер волокна 16 необходим для ввода лазерного излучения в волоконно-оптическую линию 15 и для согласования параметров последней со свободным пространством. Далее лазерное излучение поступает в волоконно-оптическую линию 15, распространяется в ней до второго адаптера волокна 17 и с его выхода поступает на вход первого светоделителя 18, в качестве которого использовано полупрозрачное зеркало. Далее импульс зондирующего лазерного излучения после отражения от полупрозрачного зеркала (светоделителя) 18 распространяется вдоль оптической оси и поступает в измерительную кювету 2. Светоделитель 18 в виде полупрозрачного зеркала осуществляет разделение светового потока, идущего от левого выхода (торца) измерительной кюветы 2 на два световых потока, поступающих на уголковый отражатель 11 и на вход адаптера волокна 17. В обратном ходе светоделитель 11 направляет световые потоки, идущие от уголкового отражателя 11 и от адаптера волокна 17 на оптический вход (левый торец) измерительной кюветы 2. Таким образом, светоделитель 18 осуществляет ввод лазерного излучения в измерительную кювету 2, которая снабжена уголковыми отражателями 11 и 12, расположенными на оптической оси на входе и выходе измерительной кюветы 2. У толковые отражатели обладают способностью отражать падающее оптическое излучение назад точно по направлению прихода этого излучения. Уголковые отражатели 11 и 12 образуют оптический резонатор, в который помещена измерительная кювета 2. Введенный в такой резонатор импульс зондирующего лазерного излучения будет совершать много проходов вдоль оптической оси до полного поглощения в веществе теплоносителя - в растворе борной кислоты. При многократном проходе введенного в данный оптический резонатор импульса лазерного излучения при каждом его новом проходе вдоль оптической оси измерительной кюветы 2 часть зондирующего импульса лазерного излучения будет ответвляться посредством светоделителя 18 обратно на вход второго адаптера волокна 17, причем данное обратное поступающее на вход адаптера волокна 17 излучение распространяется точно по направлению вышедшего из адаптера волокна излучения в силу свойств отражения излучения уголковыми отражателями 11 и 12, то есть имеет место точное согласование обратно распространяющегося обратного импульса лазерного излучения с параметрами адаптера волокна 17. Далее импульс лазерного излучения, распространяющийся в обратном направлении (именуемый далее обратным лазерным излучением (ОЛИ)), проходит по волоконно-оптической линии 15 и через первый адаптер волокна 16 направляется на первое полупрозрачное зеркало 32. После отражения от полупрозрачного зеркала 32 обратное лазерное излучение поступает на четвертое полупрозрачное зеркало 35, посредством которого обратное лазерное излучение поступает одновременно на вход второго модулятора лазерного излучения 9 и на вход четвертого управляемого ослабителя 27. С выхода второго модулятора лазерного излучения 9 обратное лазерное излучение поступает на оптический вход первого фотоприемного блока 4, а с выхода четвертого управляемого ослабителя 27 обратное лазерное излучение поступает на оптический вход второго фотоприемного блока 5. Фотоприемные блоки 4 и 5 осуществляют регистрацию обратного лазерного излучения в виде серии коротких импульсов, образующихся при распространении исходного зондирующего импульса лазерного излучения от первого лазерного генератора 1 в измерительной кювете 2 и многократном отражении этого импульса от светоделителя 18. При этом второй фотоприемный блок 5 совместно с четвертым управляемым ослабителем 27 настроен на пониженную чувствительность и осуществляет прием и регистрацию первых по времени импульсов обратного лазерного излучения, прошедших небольшой путь в исследуемом веществе теплоносителя, испытавших малое поглощение и имеющих, поэтому, большой уровень энергии (амплитуды интенсивности). Второй фотоприемный блок 4 настроен на предельно высокую чувствительность и осуществляет прием и регистрацию импульсов обратного лазерного излучения, прошедших большой путь в исследуемом веществе теплоносителя по измерительной кювете, испытавших большое поглощение и имеющих, поэтому, малый уровень амплитуды. По времени данные обратные импульсы ЛИ с малой амплитудой отстоят от первого обратного лазерного импульса с большой амплитудой на некотором относительно большом расстоянии, равном времени многократного прохождения исходного зондирующего импульса лазерного излучения по измерительной кювете 2. В импульсах лазерного излучения, прошедших длинный путь по исследуемому веществу теплоносителя, заключена возможность измерения малых концентраций борной кислоты. Второй модулятор лазерного излучения 9 выполняет функции стробирующего каскада и обеспечивает пропускание указанных обратных импульсов лазерного излучения с малой амплитудой на вход высокочувствительного фотоприемного блока 4, в качестве которого возможно использование, например, фотоэлектронного умножителя. При этом данный модулятор лазерного излучения 9 осуществляет защиту высокочувствительного фотоприемного блока 4 от первых обратных импульсов лазерного излучения, имеющих большой уровень амплитуды. Защиту второго фотоприемного блока 5 осуществляет четвертый управляемый ослабитель 27, уровень пропускания которого выбран таким, что позволяет без перегрузки обеспечить прием и регистрацию в фотоприемном блоке 5 первых обратных импульсов лазерного излучения, имеющих большую амплитуду. При этом фотоприемный блок 5 теряет возможность приема и регистрации обратных импульсов с малой амплитудой, что обуславливает необходимость применения фотоприемного блока 4 с большой чувствительностью и второго модулятора лазерного излучения 9 для его защиты от первых высокоэнергетичных обратных лазерных импульсов. На фиг. 6 условно показана серия импульсов обратного лазерного излучения, регистрируемых первым 4 и вторым 5 фотоприемными блоками. Первый наиболее интенсивный импульс обратного лазерного излучения, обозначенный поз. 51 на фиг. 6, регистрируется в момент времени t вторым фотоприемным блоком 5. В момент времени t осуществляется включение (открывание) второго модулятора лазерного излучения 9, который остается в открытом состоянии до заданного момента времени t или еще более длительное время и осуществляет пропускание всех последних импульсов обратного лазерного излучения с малыми амплитудами. Позицией 52 на фиг. 6 обозначен стробирующий управляющий импульс, поступающий на управляющий вход модулятора лазерного излучения 9 от блока обработки и управления 6 и обеспечивающий открывание данного модулятора на момент времени приема и регистрации импульсов обратного лазерного излучения с малыми амплитудами. Формирование стробирующего импульса 52 в момент времени t осуществляется в блоке обработки и управления 6 со сдвигом относительно момента времени t появления первого импульса обратного лазерного излучения, который регистрируется вторым фотоприемным блоком 5 и информация о котором и о моменте времени t поступает в блок обработки и управления 6. Таким образом, фотоприемные блоки 4 и 5 осуществляют прием и регистрацию амплитуд импульсов обратного лазерного излучения, образующихся при многократном распространении исходного зондирующего импульса лазерного излучения в веществе теплоносителя вдоль оптической оси измерительной кюветы 2. В амплитудах этих лазерных импульсов заключена информация о параметрах теплоносителя в контуре ядерного реактора, а именно, информация о концентрации борной кислоты в составе теплоносителя. При этом при измерении больших концентраций борной кислоты измерение с высокой точностью осуществляется на основе определения амплитуды первого импульса обратного лазерного излучения в соответствии с ранее представленной формулой (1). Данное измерение осуществляется посредством второго фотоприемного блока 5. Измерение малых концентраций борной кислоты осуществляется на основе измерения амплитуд импульсов обратного лазерного излучения, прошедших большой путь в измерительной кювете 2 и зарегистрированных первым фотоприемным блоком 4 в пределах времени действия стробирующего импульса 52 (t-t). При этом определение концентрации борной кислоты для указанных импульсов обратного лазерного излучения осуществляется также на основе формулы (1), причем для длины пути, пройденного лазерным импульсом в веществе теплоносителя вместо длины измерительной кюветы L следует подставить величину пути, пройденного лазерным зондирующим импульсом при многократном прохождения по измерительной кювете 2. Эта величина пройденного пути
Здесь N - номер регистрируемого импульса обратного лазерного излучения, отсчитываемый от первого импульса обратного лазерного излучения (см. поз. 1 на фиг. 6); L - длина измерительной кюветы. Множитель, равный двойке, появляется при учете двукратного прохождения по измерительной кювете 2 каждого обратного импульса, включая и первый импульс обратного лазерного излучения, поз. 51 на фиг. 6. Таким образом, формула для определения концентрации борной кислоты С в составе теплоносителя на основе амплитуды I(N) N-го импульса обратного лазерного излучения приобретает следующий вид:
Здесь в качестве величины I следует подставлять значение величины измеренного импульса обратного лазерного излучения с номером N:I=I(N). Измерение амплитуды данного импульса осуществляет первый фотоприемный блок 4. Как следует из формулы (7) чувствительность системы измерений возросла в N раз, что обусловлено увеличением длины пути прохождения зондирующего импульса лазерного излучения через исследуемое вещество теплоносителя в N раз. Информация о величинах импульсов обратного лазерного излучения I(N), зарегистрированных первым фотоприемным блоком 4 и вторым фотоприемным блоком 5, поступает с выходов данных блоков в цифровой форме на отдельные входы блока обработки и управления 6. В блоке 6 осуществляется вычисление по приведенной формуле (7) величины концентрации С борной кислоты в составе теплоносителя. Величина концентрации С вычисляется отдельно для каждого зарегистрированного импульса лазерного излучения с номером N. При этом для определения больших уровней концентрации С достаточно ограничиться первыми импульсами лазерного излучения, зарегистрированными во втором фотоприемном блоке 5. При измерении малых уровней концентрации С борной кислоты определение концентрации С осуществляется на основе измеренных величин уровней импульсов обратного лазерного излучения с большими номерами N - количества оборотов зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете 2. При этом точность измерения концентрации С будет тем больше, чем с большим номером N будет использован импульс обратного лазерного излучения I(N) для вычисления концентрации С по приведенной формуле (7).
Следует отметить, что для разделения импульсов обратного лазерного излучения по времени для раздельной регистрации, оцифровки и измерения каждого импульса в фотоприемных блоках 4 и 5 длительность исходного зондирующего импульса лазерного излучения, поступающего с выхода первого модулятора лазерного излучения 10 на вход измерительной кюветы 2, должна удовлетворять некоторым требованиям. Указанная длительность импульса зондирующего лазерного излучения должна быть меньше удвоенного времени распространения светового излучения от светоделителя 18 до второго уголкового отражателя 12. В этом случае импульсы обратного лазерного излучения, ответвляемые светоделителем 18 на вход второго адаптера волокна 17 при каждом обороте прохождения импульса лазерного излучения по измерительной кювете 2, разделяются по времени и поступают в раздельном виде последовательно по времени на фотоприемные блоки 4 и 5 для раздельной регистрации и оцифровки. При использовании измерительной кюветы с длиной L=1 м длительность зондирующего импульса лазерного излучения не должна превышать семи наносекунд. Такую длительность импульса способны формировать современные электрооптические и акустооптические модуляторы лазерного излучения, выпускаемые промышленностью. Имеются также лазерные генераторы видимого и УФ диапазонов, генерирующие импульсы лазерного излучения с длительностью 1-3 наносекунды. При использовании лазерных генераторов 1 и 7, генерирующих лазерные импульсы с необходимой короткой длительностью, первый модулятор лазерного излучения 10 используется для предварительного заданного ослабления формируемых лазерных импульсов. Таким образом, измерительная кювета 2 совместно с уголковым отражателем 12 выполняет дополнительную функцию оптической линии задержки для обеспечения раздельной регистрации импульсов обратного лазерного излучения в фотоприемных блоках 4 и 5.
0
0
0
Для определения концентрации С в соответствии с формулой (7) необходимо с высокой точностью измерить уровень исходного зондирующего лазерного излучения I, поступающего на оптический вход измерительной кюветы 2 от первого светоделителя 18. Именно величину этого уровня лазерного излучения следует подставить в основную формулу (7). Для определения этого уровня исходного зондирующего лазерного излучения осуществляется специальный режим калибровки фотоприемных блоков 4, 5 и 8 системы измерения. Уровень зондирующего лазерного излучения с каждым излученным импульсом лазерных генераторов 1 или 7 измеряется и регистрируется третьим фотоприемным блоком 8. Для этого фиксированная часть зондирующего лазерного импульса с выхода первого модулятора ЛИ 10 посредством первого полупрозрачного зеркала 32 ответвляется и через второе полупрозрачное зеркало 33 поступает на вход первого управляемого ослабителя ЛИ 24. С выхода последнего импульс ЛИ поступает на вход третьего фотоприемного блока 8, где осуществляется регистрация и оцифровка уровня каждого поступающего импульса ЛИ. Одновременно, как было отмечено выше, импульс зондирующего лазерного излучения (ЛИ) с выхода первого модулятора ЛИ 10 через последовательно оптически связанные первое полупрозрачное зеркало 32, первый и второй адаптеры волокна и волоконно-оптическую линию (поз. 16, 15, 17) и посредством первого светоделителя 18 поступает на оптический вход измерительной кюветы 2. Величина уровня зондирующего лазерного излучения I на оптическом входе измерительной кюветы связана фиксированным линейным коэффициентом с уровнем импульса ЛИ, зарегистрированного третьим фотоприемным блоком 8. Данный фиксированный коэффициент определяется известными техническими параметрами пропускания указанных элементов, через которые проходит импульс зондирующего ЛИ с выхода первого модулятора ЛИ 10 на оптические входы измерительной кюветы 2 и третьего фотоприемного блока 8, а также определяется пропусканием первого управляемого ослабителя ЛИ 24, пропускание которого устанавливается по командам от блока обработки и управления 6. Таким образом, в блоке обработки и управления 6 на основе поступающей от третьего фотоприемного блока 8 информации об уровне зарегистрированного импульса ЛИ формируется точная оценка величины уровня зондирующего лазерного излучения I, поступающего на оптический вход измерительной кюветы 2. Далее на основе этой оценки и измеренных уровней обратных зондирующих импульсов I(N) лазерного излучения в блоке обработки и управления 6 осуществляется определение величины концентрации С борной кислоты по формуле (7), как это отмечено выше. Следует отметить, что в блоке обработки и управления 6 при вычислении концентрации С по формуле (7) осуществляется учет дополнительных потерь энергии импульса зондирующего лазерного излучения при его распространении по измерительной кювете 2 за счет ответвления излучения при прохождении через первый светоделитель 18, а также учитываются потери излучения при прохождении через адаптеры волокна и волоконно-оптическую линию. Данные потери являются фиксированными и известными из параметров используемых оптических элементов. В формуле (7) для упрощения эти постоянные параметры опущены.
Калибровка фотоприемных блоков 4, 5 и 8 осуществляется в специальном режиме работы измерительной системы. Для осуществления этого режима калибровки второе выносное зеркало 22 переводится во введенное состояние поз.36 на фиг. 1. При этом осуществляется перекрытие поступления обратных импульсов ЛИ с выхода первого адаптера волокна 16 на четвертое полупрозрачное зеркало 35 и последующие оптические входы управляемого ослабителя 27 и модулятора ЛИ 9. Вместо этого на четвертое полупрозрачное зеркало 35 поступает импульс зондирующего лазерного излучения от лазерного генератора 1 или лазерного генератора 7 с выхода первого модулятора ЛИ 10. Импульс зондирующего лазерного излучения поступает на полупрозрачное зеркало 35 следующим образом. С выхода первого модулятора 10 лазерного излучения импульс зондирующего ЛИ поступает вначале на оптический вход третьего управляемого ослабителя 26 посредством отражения от первого полупрозрачного зеркала 32 и далее после отражения от второго полупрозрачного зеркала 33 и отражения от второго отражательного зеркала 29. Далее импульс зондирующего ЛИ с выхода третьего управляемого ослабителя 26 поступает после отражения от третьего отражательного зеркала 30 и после отражения от второго выносного зеркала 22 в позиции 36 на четвертое полупрозрачное зеркало 35. Последнее разветвляет импульс зондирующего лазерного излучения на два импульса ЛИ и направляет их параллельно на оптические входы четвертого управляемого ослабителя 27 и второго модулятора лазерного излучения 9. С выходов последних импульсы зондирующего лазерного излучения поступают на оптические входы соответственно второго 5 и первого 4 фотоприемных блоков, где осуществляется их регистрация и оцифровка амплитуды импульсов. Далее информация об амплитудах зарегистрированных зондирующих импульсов поступает с выходов фотоприемных блоков 4 и 5 на входы блока обработки и управления 6, где запоминается в специальных регистрах памяти. При этом, как было указано выше, в третьем фотоприемном блоке 8 также осуществляется регистрация и оцифровка амплитуды данного импульса лазерного излучения, генерируемого в этот момент лазерным генератором 1 и прошедшего через полупрозрачные зеркала 32, 33 и через первый управляемый ослабитель 24. Таким образом, при генерации одного импульса зондирующего лазерного излучения лазерным генератором 1 (или 7) и прохождения этого импульса через первый модулятор лазерного излучения 10 осуществляется одновременная регистрация данного импульса ЛИ всеми тремя фотоприемными блоками 4, 5 и 8 в результате чего осуществляется калибровка фотоприемных блоков и привязка их показаний к единому масштабу измерений амплитуд импульсов лазерного излучения. При этом в блоке обработки и управления 6 осуществляется учет параметров пропускания всех указанных выше оптических элементов, известных заранее, а также учет пропускания управляемых ослабителей поз. 24, 26 и 27 и учет пропускания второго модулятора лазерного излучения 9, через которые проходит указанный импульс лазерного излучения. Пропускание управляемых ослабителей и второго модулятора ЛИ 9 управляется и устанавливается на заданную величину по управляющим командам от блока обработки и управления 6. При этом указанные величины пропускания устанавливаются по командам от блока 6 в зависимости и в соответствии с энергией (мощностью) излучения лазерного генератора 1 (или 7) и в соответствии с чувствительностью используемых фотоприемных блоков. Калибровка фотоприемных блоков осуществляется по отдельности для используемых лазерных генераторов поз. 1 и поз. 7. Фотоприемные блоки обладают чувствительностью в обоих диапазонах длин волн, генерируемых лазерными генераторами 1 и 7. При этом первый лазерный генератор 1, как было указано, осуществляет генерацию ЛИ в ультрафиолетовом диапазоне, в котором борная кислота обладает наибольшим поглощением. Второй лазерный генератор 7 осуществляет генерацию в видимом диапазоне длин волн и используется для тестирования и контроля пропускания измерительной кюветы 2 в рабочем режиме. Результаты проведенной калибровки запоминаются в блоке обработки и управления 6 и используются при проведении измерений концентрации борной кислоты в измерительной кювете 2 и проведении расчетов в соответствии с формулой (7).
0
Важным фактором повышения чувствительности и точности измерений является использование в предлагаемой системе измерений специальной эталонной кюветы поз. 3. Данная эталонная кювета является полным аналогом измерительной кюветы 2, в частности все элементы эталонной кюветы 3, установленные на оптической оси эталонной кюветы 3 аналогичны соответствующим элементам измерительной кюветы 2 (элементы поз. 13, 19, 3 и 14). Эталонная кювета 3 снабжена специальным блоком наполнения рабочего вещества 38. С помощью данного блока 38 осуществляется заполнение эталонной кюветы 3 раствором борной кислоты известной концентрации С, и которое осуществляется оператором. Измерительная кювета 3 и вся измерительная аппаратура, кроме измерительной кюветы 2, размещены в отдельном от зоны реактора помещении, не подверженном действию радиации, и доступны для обслуживания оперативным персоналом. С помощью эталонной кюветы 3 осуществляется режим автоматического функционального контроля (АФК) работы предлагаемой измерительной системы. Данный режим работы необходим для повышения точности проводимых измерений, а также повышения достоверности получаемых результатов в условиях работы ядерного реактора. При включении в процесс измерений эталонной кюветы 3 первое выносное зеркало 20 с помощью блока управления 21 вводится в оптическую схему и устанавливается в положение, указанное позицией 37 на фиг. 1. Этим действием блока управления 21 в оптическую измерительную систему включается эталонная кювета 3 и выключается измерительная кювета 2. Выносное зеркало 22 переводится в выведенное состояние, как это показано на фиг. 1, поз. 22. Далее осуществляется измерение параметров пропускания вещества в эталонной кювете 3, аналогично тому, как это осуществляется для измерений в эталонной кювете 2 в соответствии с тем, как это изложено выше. При этом импульс зондирующего лазерного излучения с выхода первого модулятора лазерного излучения 10 через первое полупрозрачное зеркало 32 и после отражения от первого выносного зеркала 20 в позиции 37 поступает на оптический вход второго управляемого ослабителя 25. С выхода последнего импульс зондирующего ЛИ после отражения от четвертого отражательного зеркала 31 поступает на второй светоделитель 19, в качестве которого используется полупрозрачное зеркало. С помощью светоделителя 19 осуществляется ввод зондирующего импульса лазерного излучения в эталонную кювету 3, аналогично тому, как это осуществлялось при вводе импульса зондирующего лазерного излучения в измерительную кювету 2. Отличие состоит в отсутствии волоконно-оптической линии с адаптерами волокна. Оптическое пропускание этих элементов в эталонной кювете 3 моделируется и обеспечивается с помощью второго управляемого ослабителя 25. Пропускание управляемого ослабителя 25 устанавливается равным пропусканию волоконно-оптической линии 15 с адаптерами волокна на основании паспортных данных на эти элементы, а также с помощью уравнивания пропускания при работе второго лазерного генератора 7. Таким образом, импульс зондирующего лазерного излучения вводится в эталонную кювету 3 и далее распространяется в ней в прямом и обратном направлениях до полного поглощения. Импульсы обратного лазерного излучения после второго светоделителя 19 ответвляются в обратном ходе на четвертое отражательное зеркало 31 и далее через второй управляемый ослабитель 25, а также после отражения от первого выносного зеркала 20 в позиции 37 и после отражения от первого полупрозрачного зеркала 32 поступают на четвертое полупрозрачное зеркало 35. При этом второе выносное зеркало 22 выведено из оптической схемы и находится в позиции 22, как это показано на фиг. 1. Четвертое полупрозрачное зеркало 35 направляет импульсы обратного лазерного излучения на оптические входы четвертого управляемого ослабителя 27 и второго модулятора лазерного излучения 9. Далее импульсы обратного лазерного излучения поступают с выходов последних элементов на оптические входы первого и второго 4 и 5 фотоприемных блоков, где осуществляется их прием и регистрация. В цифровой форме импульсы обратного лазерного излучения поступают на входы блока обработки и управления 6 для запоминания и последующей обработки. Таким образом, в процессе измерения параметров импульсов обратного лазерного излучения для эталонной кюветы 3 осуществляется такая же процедура, как и при проведении измерений с измерительной кюветой 2. Прием и регистрация импульсов обратного лазерного излучения, возникающих (возбужденных) от прохода по эталонной кювете 3 одного исходного зондирующего импульса лазерного излучения осуществляется раздельно при работе первого лазерного генератора 1 на некоторой длине волны в ультрафиолетовом диапазоне, а затем при работе второго лазерного генератора 7 на некоторой второй длине волны в видимом диапазоне, в котором поглощение излучения борной кислотой практически равно нулю независимо от концентрации борной кислоты. В этом втором случае при оптической идентичности измерительной и эталонной кювет уровни регистрируемых импульсов обратного лазерного излучения на длине волны второго лазерного генератора 7 должны быть одинаковыми для измерительной 2 и эталонной 3 кювет. Уравнивание величин указанных импульсов обратного ЛИ при работе второго лазерного генератора 7 осуществляется с помощью второго управляемого ослабителя 25, управление пропусканием которого осуществляется по командам от блока обработки и управления 6, в котором осуществляется сравнение указанных зарегистрированных импульсов обратного ЛИ и вырабатываются управляющие сигналы для второго управляемого ослабителя 25. При этом осуществляется оперативное переключение первого выносного зеркала 20 для периодического подключение к измерительной оптической схеме измерительной кюветы (положение первого выносного зеркала в позиции 20) и эталонной кюветы (положение первого выносного зеркала в позиции 37, фиг. 1). После осуществления уравнивания оптических величин импульсов обратного ЛИ для измерительной 2 и эталонной 3 кювет осуществляется собственно режим измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя с помощью измерительной кюветы 2 рассмотренным выше способом. При этом возможны различные алгоритмы определения концентрации С борной кислоты. Наиболее простым методом является изложенный выше метод определения концентрации С по формуле (7) на основе зарегистрированных уровней I(N) импульсов обратного лазерного излучения и оценки уровня исходного зондирующего излучения I на входе в измерительную кювету 2, которая получена при калибровке фотоприемных блоков и на основе величины уровня импульса лазерного излучения, зарегистрированного третьим фотоприемным блоком 8. Величина коэффициента экстинкции К борной кислоты для используемой длины волны первого лазерного генератора 1 определяется из справочных данных, или может быть измерена экспериментально в предлагаемой измерительной системе с помощью эталонной кюветы 3, в случае заполнения ее раствором борной кислоты с известной заранее установленной концентрацией С.При осуществлении непрерывного контроля за параметрами теплоносителя в контуре ядерного реактора измерение концентрации борной кислоты производится многократно с перерывами в виде некоторых промежутков времени. При этом осуществляется контроль за состоянием измерительной кюветы 2 в промежутках времени между собственно измерениями концентрации С борной кислоты в измерительной кювете 2. Для осуществления этого контроля выключается первый лазерный генератор 1 и включается второй лазерный генератор 7, работающий на более длинной волне лазерного излучения в видимом диапазоне, на которой оптические параметры измерительной кюветы и эталонной кюветы одинаковы, как это было отмечено выше. Далее осуществляется регистрация с помощью первого 4 и второго 5 фотоприемных блоков импульсов обратного лазерного излучения при просвечивании зондирующим импульсом ЛИ от второго лазерного генератора 7 как измерительной 2, так и эталонной 3 кювет. Сравнение указанных зарегистрированных импульсов обратного ЛИ позволяет судить о нормальном стандартном состоянии измерительной кюветы 2, находящейся в недоступном для обслуживающего персонала помещении вблизи действующего ядерного реактора. Это позволяет повысить достоверность и доверительность получаемой информации о параметрах теплоносителя при непрерывной длительной работе ядерного реактора.
Первый 4 и второй 5 фотоприемные блоки осуществляют совместно измерение концентрации борной кислоты в широком диапазоне величин концентрации С. Второй фотоприемный блок 5 осуществляет измерение больших уровней концентрации С при регистрации импульсов обратного ЛИ, прошедших один (N=1) или несколько оборотов при распространении по измерительной кювете 2. При этом определение уровня концентрации С осуществляется по формуле (7). Для повышения точности измерения больших уровней концентрации С возможно использование сравнения полученных значений амплитуд импульсов обратного ЛИ, прошедших через измерительную кювету 2 с амплитудами импульсов обратного ЛИ, прошедших через эталонную кювету 3 при заполнении этой кюветы с помощью блока наполнения 38 раствором борной кислоты с концентрацией С, полученной при предыдущем измерении в измерительной кювете 2. Такой метод измерения при осуществлении прямого сравнения измерений в обеих кюветах для полученных параметров концентрации С позволит повысить точность и достоверность проведенных измерений. Данный способ сравнения возможен также и при проведении измерений малых концентраций С на основе величин импульсов обратного ЛИ, зарегистрированных в первом фотоприемном блоке 4.
0
0
Наиболее точным методом проведения измерений малых концентраций борной кислоты является метод непосредственного сравнения величин импульсов обратного ЛИ, зарегистрированных в первом фотоприемном блоке 4 при просвечивании зондирующим импульсом лазерного излучения измерительной кюветы 2, с величинами импульсов обратного лазерного излучения, полученных при просвечивании эталонной кюветы 3, при условии заполнения этой кюветы дистиллированной водой, то есть при нулевой концентрации С=0 борной кислоты в эталонной кювете 3. При этом сравнение осуществляется для амплитуд импульсов обратного лазерного излучения с одинаковым числом N оборотов прохождения зондирующего импульса лазерного излучения по измерительной 2 и эталонной 3 кюветам. Измерительная 2 и эталонная 3 кюветы просвечиваются импульсами лазерного излучения, генерируемыми первым лазерным генератором 1 в ультрафиолетовом диапазоне длин волн на некоторой фиксированной длине волны излучения. При этом переключение измерительной и эталонной кювет на вход оптической измерительной схемы осуществляется с помощью первого выносного зеркала 20, как это было отмечено ранее. Фотоприемный блок 8 осуществляет регистрацию уровня излученного зондирующего импульса лазерного излучения при каждом отдельном акте измерения амплитуд импульсов обратного лазерного излучения. В блоке обработки и управления 6 регистрируется серия измеренных фотоприемными блоками 4 и 5 амплитуд импульсов обратного лазерного излучения I(N) и I(N). Здесь I(N) - амплитуды импульсов обратного ЛИ, полученные при просвечивании зондирующим лазерным излучением эталонной кюветы 3 с нулевой концентрацией борной кислоты С=0; величины I(N) - амплитуды импульсов обратного лазерного излучения, полученные при просвечивании зондирующим лазерным излучением измерительной кюветы 2 с искомым значением концентрации борной кислоты С; N - число оборотов зондирующего импульса по измерительной или эталонной кюветам, одинаковое для сравниваемых импульсов обратного ЛИ. Измерение осуществляется на одной и той же длине волны зондирующего лазерного излучения, генерируемого первым лазерным генератором 1. Отношение величин указанных импульсов обратного лазерного излучения можно представить в следующей форме:
Таким образом, в отношении амплитуд указанных импульсов обратного лазерного излучения для измерительной и эталонной кювет исключены все параметры пропусканий элементов оптической схемы и уровней зондирующего лазерного излучения, кроме собственно параметров искомой концентрации С борной кислоты в теплоносителе ядерного реактора и величин экстинкции К борной кислоты для используемой длины волны лазерного излучения, длины измерительной (и эталонной) кюветы L и числа оборотов N зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете.
Полученное отношение величин (8) позволяет вычислить концентрацию борной кислоты в следующем виде:
Формула (9) определяет искомую концентрацию борной кислоты С в виде соотношения известных величин К, L, N и измеряемых физических величин - указанных амплитуд импульсов обратного лазерного излучения. Точность измерений данных лазерных импульсов может быть достаточно высокой при использовании современных высокочувствительных фотоприемников УФ-диапазона и относительно мощных лазерных генераторов УФ-диапазона длин волн. Уравнивание параметров измерительной и эталонной кювет и компенсация и исключение влияния пропускания элементов оптической схемы при подключении измерительной и эталонной кювет позволяет обеспечить увеличение точности измерений малых концентраций борной кислоты в составе теплоносителя в измерительной кювете 2.
Как видно из (9) возможности измерения малых концентраций С борной кислоты определяются уровнем ослабления (уменьшения) импульса обратного лазерного излучения I(N) при многократном прохождении по измерительной кювете. Это ослабление, как было показано выше, пропорционально величине exp(KCLN), которая увеличивается при увеличении числа оборотов N зондирующего импульса лазерного излучения. Это доказывает увеличение возможности измерения малых концентраций и увеличение точности измерений при использовании предлагаемого метода измерений с осуществлением многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету.
Расчет измеряемой величины концентрации С борной кислоты по представленной формуле (9) осуществляется оперативно в блоке обработки и управления 6 на основе измеренных величин амплитуд импульсов обратного лазерного излучения. После чего полученная информация отправляется на центральный пульт управления АЭС. На этом цикл измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе ядерного реактора заканчивается.
эт
По материалам данной заявки разработан и исследован экспериментальный (опытный) образец системы измерения борной кислоты, проведено измерение различных концентраций растворов борной кислоты и измерение коэффициента экстинкции борной кислоты для различных длин волн зондирующего излучения, а также проведено моделирование работы системы измерения борной кислоты в контуре теплоносителя, результаты которого приведены ниже. Измерение коэффициента экстинкции К осуществлялось на эталонной кювете при заполнении ее раствором борной кислоты заранее известной (приготовленной) концентрации С. Далее осуществлялось измерение оптических параметров входного и прошедшего оптического излучения. Определение коэффициента экстинкции К осуществлялось в соответствии с основным уравнением (1), которое решалось относительно неизвестной величины К при остальных известных и измеренных величинах. В результате величина коэффициента экстинкции К определялась из следующего соотношения:
-4
-1
-1
Далее приведены проведенные с помощью предлагаемой измерительной системы результаты измерения концентрации борной кислоты при использовании УФ-излучения с длиной волны около 220 нм и для коэффициента экстинкции К, соответствующего этой длине волны и равного величине К=1,64×10 л⋅см⋅мг. Измерения проведены в соответствии с соотношением (8) для следующих параметров оптической схемы: длина измерительной (и эталонной) кюветы L=100 см. Число проходов N варьировалось от 1 до 30 проходов зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете.
Для моделирования было выбрано три значения концентрации борной кислоты: С=1 мг/л, 0,2 мг/л и 0,05 мг/л. Полученные результаты показали возможность измерения указанных малых концентраций борной кислоты с помощью предлагаемой системы измерений. Далее полученные результаты моделирования параметров измерительной системы представлены для каждого значения концентрации С борной кислоты следующим образом.
р
0
Представлена зависимость отношения Е амплитуды I(N) N-го импульса обратного лазерного излучения, прошедшего N оборотов по измерительной кювете 2, к амплитуде I(N) такого же N-го импульса обратного лазерного излучения, прошедшего N оборотов, но по эталонной кювете 3, в которой концентрация борной кислоты равна нулю и которая заполнена дистиллированной водой:
p
Данное отношение E является, как это следует из формулы (9), основной величиной, по которой определяется концентрация борной кислоты С. Результаты моделирования представлены в табл. 1.
p
По результатам измерений, представленных в таблице 1, видно как при увеличении количества оборотов N импульса зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете происходит увеличение чувствительности измерительной системы и появляется возможность измерения все меньших концентраций борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора. Так например, при измерении концентрации борной кислоты С=1 миллиграмм на литр вещества теплоносителя вполне достаточно использовать десять оборотов импульса зондирующего ЛИ по измерительной кювете. При этом количестве числа оборотов N=10 величина ослабления обратного импульса E=0.848 по сравнению с импульсом, прошедшим через эталонную кювету с нулевой концентрацией борной кислоты. То есть, величина ослабления импульса ЛИ, прошедшего через слой теплоносителя, по сравнению с эталонным импульсом, равна 15,2 процента, что вполне достаточно для проведения высокоточных измерений. Соответственно, ослабление импульса ЛИ, прошедшего через измерительную кювету, при концентрации С=0,2 мг/л составляет около 10% при использовании N=30 оборотов прохождения по измерительной кювете, что также обеспечивает высокую точность проведения измерений. Предельная минимальная величина измеряемой концентрации борной кислоты при данных выбранных параметрах измерительной системы равна С=0,05 мг/л вещества теплоносителя (50 мкг/л) и достигается при числе оборотов N=30. Предельная (пороговая) чувствительность предлагаемой измерительной системы, вычисленная по формуле (5), составляет при N=30 оборотах величину С=0,02 мг/л вещества теплоносителя. Данная величина характеризует также точность производимых измерений концентрации борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора. Следует отметить, что реализация измерений при большом числе N оборотов (прохождений) импульса зондирующего лазерного излучения по измерительной и эталонной кюветам обеспечивается достаточно высоким уровнем энергии генерируемого лазерного излучения и высокой чувствительностью фотоприемных блоков 4 и 5. Это достигается за счет использования современных лазерных генераторов и высокочувствительных фотоприемников ультрафиолетового диапазона длин волн. Реализация большого количества прохождений (оборотов) зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете обеспечивается существенным снижением потерь излучения за один цикл прохождения по измерительной кювете 2, что достигается за счет использования уголковых отражателей, осуществляющих обратную оптическую связь для многократного прохождения ЛИ по кювете 2. При этом из цепи обратной связи исключается волоконно-оптическая линия и дополнительные связующие оптические элементы, что уменьшает потери излучения при каждом обороте ЛИ по измерительной кювете 2 и позволяет увеличить общее количество прохождений N зондирующего ЛИ по кювете при используемых лазерных генераторах 1 и 7, обладающих ограниченной генерируемой мощностью излучения. Использование большого количества оборотов N зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете 2 позволяет в свою очередь увеличить чувствительность используемого абсорбционного фотометрического метода измерений, что позволяет обеспечить высокую точность при измерении весьма малых концентраций борной кислоты С в составе теплоносителя ядерного реактора.
В таблице 2 представлены результаты измерений сравнительно больших концентраций борной кислоты от 10 до 100 мг/л теплоносителя, полученные для однократного прохождения импульса зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете при N=1.
Как видно из таблицы 2, при измерении больших уровней концентрации борной кислоты для обеспечения высокой точности измерений достаточно однократного прохождения зондирующего импульса по измерительной кювете 2. При этом уровень ослабления величины импульса обратного ЛИ по сравнению с эталонным импульсом обратного ЛИ изменяется от 15% при С=10 мг/л до 81% при С=100 мг/л.
0
0
0
0
0
0
p
На фиг. 7 представлены результаты моделирования работы системы измерений в соответствии с табл. 1 при осуществлении измерений концентрации борной кислоты С=1 мг/л вещества теплоносителя. На фиг. 7 представлена последовательность импульсов обратного лазерного излучения I(N)/I(N) по отношению к величинам импульсов обратного лазерного излучения I(N), прошедших через эталонную кювету 3 с нулевой концентрацией борной кислоты С=0. Данные импульсы обратного ЛИ регистрируются фотоприемным блоком 4 после каждого прохождения зондирующего импульса по измерительной кювете 2 и отдельно регистрируются импульсы I(N) после прохождения по эталонной кювете 3. При этом относительная величина импульсов обратного ЛИ I(N)/I(N) постепенно уменьшается с ростом числа оборотов N по измерительной кювете 2. Число оборотов (прохождений) по измерительной кювете возрастает от одного до N. При числе оборотов N=10 величина регистрируемого импульса I(10) составляет 0,848 от величины импульса I(0), регистрируемого при нулевой концентрации борной кислоты (в эталонной кювете) - изменение на 15,2%. Таким образом, уже при N=10 оборотах зондирующего импульса возможны точные измерения концентрации борной кислоты порядка С=1 мг/л. При N=20 указанное изменение (уменьшение) амплитуды импульса составляет величину 0,72 от уровня импульса при нулевой концентрации борной кислоты (уменьшение на 28%), что позволяет осуществить процесс измерений с еще более высокой точностью. При однократном проходе зондирующего импульса I(1) через измерительную кювету уменьшение амплитуды относительно нулевого импульса I(0) составит 0,9837, т.е. менее одного процента, что не позволяет обеспечить высокую точность измерений при только одном проходе зондирующего импульса через измерительную кювету, что характерно для классического абсорбционного метода. Таким образом, представленный на фиг. 7 результат показывает постепенное увеличение чувствительности и точности измерений при увеличении числа проходов N зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете 2. Представленные на фиг. 8 и фиг. 9 результаты моделирования измерений концентраций борной кислоты 0,2 мг/л и 0,05 мг/л, показали определенную возможность достаточно точного определения этих малых уровней концентраций. Так например, при измерении весьма малой концентрации С=0,05 мг/л уровень уменьшения амплитуды зондирующего импульса I(N), который необходимо зарегистрировать при N=30 после осуществления тридцати оборотов зондирующего импульса по измерительной кювете, составляет E=0,975, т.е. 2,5%. Современные цифровые средства измерения амплитуд электрических импульсов достаточно надежно обеспечивают данную точность измерений, что соответственно обеспечивает достаточную точность измерения весьма малой концентрации уровня борной кислоты в составе контура теплоносителя ядерного реактора.
Следует отметить, что при переходе от измерений малой концентрации борной кислоты к измерениям более высокой концентрации целесообразно изменить рабочую длину волны, генерируемую первым лазерным генератором 1 и использовать более длинноволновое лазерное излучение ультрафиолетового диапазона. Это позволит более точно согласовать характеристики фотоприемных блоков 4 и 5 с характеристиками поглощения излучения в теплоносителе с более высокой концентрацией борной кислоты и обеспечит более высокую точность измерений. В настоящее время промышленностью освоены лазерные генераторы видимого и ультрафиолетового диапазона длин волн с перестройкой длины волны генерируемого излучения. Аналогично при использовании второго лазерного генератора 7 с перестройкой длины волны генерируемого излучения возможна более точная совместная калибровка измерительной и эталонной кювет на нескольких длинах волн контрольных излучений.
В предлагаемой системе измерений использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Измерительная и эталонная кюветы выполняются в форме стандартных конструкторских разработок с использованием иллюминаторов, прозрачных в широком диапазоне от короткой части УФ- диапазона до ИК-диапазона длин волн. Лазерные генераторы и фотоприемники УФ-диапазона выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Оптические приборы и элементы, входящие в состав предлагаемой измерительной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические отражательные и полупрозрачные зеркала, выносные зеркала с приводом на основе шаговых электродвигателей, волоконно-оптические линии с входящими в их состав адаптерами волокна на диапазон от 200 нм до ИК-диапазона, модуляторы лазерного излучения на основе акустооптических ячеек и на основе электрооптических кристаллов, работающие в широком диапазоне длин волн от видимого до ультрафиолетового диапазона. Управляемые ослабители выполнены на основе, например, диафрагм механически управляемых с помощью шаговых электрических двигателей, или на основе электрооптических кристаллов. Блоки управления управляемыми ослабителями и модуляторами лазерного излучения входят в их состав и не показаны на фиг. 1. Фотоприемные блоки 4, 5 и 8 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 обработки и управления 6 выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 6 выполняет функции обработки поступающей с выходов фотоприемных блоков информации, на основе которой осуществляется расчет и определение концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора. Одновременно блок 6 осуществляет управление работой всех элементов и устройств системы измерений по специальной программе. Блок 6 содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами измерительной системы.
В предлагаемой системе измерений возможны различные варианты построения основных оптических функциональных узлов. На фиг. 2 представлен второй вариант подключения волоконно-оптической линии и второго адаптера волокна ко входу измерительной кюветы 2. Данный вариант доставки импульса зондирующего лазерного излучения на оптический вход измерительной кюветы 2 отличается тем, что первый уголковый отражатель 11 и второй адаптер волокна 17 поменялись местами по сравнению с фиг. 1. На фиг. 3 представлен третий вариант подключения второго адаптера волокна 17 к оптическому входу измерительной кюветы 2. На фиг. 3 роль уголкового отражателя 11 выполняет первый светоделитель 18, который выполнен на основе полупрозрачного зеркала. При этом данное светоделительное полупрозрачное зеркало 18 установлено перпендикулярно оптической оси измерительной кюветы 2 и выполняет две функции: собственно отражательного зеркала, заменяющего собой уголковый отражатель, и функции светоделения при пропускании импульса зондирующего лазерного излучения на оптический вход измерительной кюветы с оптического выхода второго адаптера волокна 17. При этом уголковый отражатель поз. 11 исключен из оптической схемы системы измерений. Физически данные варианты построения доставки лазерного излучения на вход измерительной кюветы 2 на фиг. 2 и фиг. 3 эквивалентны варианту, представленному на основном рисунке, фиг. 1.
min
На фиг. 4 представлен вариант построения схемы доставки импульса зондирующего лазерного излучения на оптический вход измерительной кюветы 2, при котором в качестве светоделителя поз. 18 (на фиг. 1) использована акустооптическая ячейка поз. 39 с блоком управления 40. Данная акустооптическая ячейка 39 выполняет роль динамического оптического светоделителя - переключателя оптических импульсных излучений и обеспечивает оперативное переключение оптического входа измерительной кюветы 2 на оптический выход адаптера волокна 17 или переключение указанного входа измерительной кюветы 2 на первый уголковый отражатель 11, а также обратное переключение под управлением сигналов от своего блока управления 40, который в свою очередь формирует управляющие сигналы для акустооптической ячейки 39 под воздействием сигналов управления и синхронизации, поступающих на блок 40 с выхода блока обработки и управления 6. При этом в первый момент времени поступления зондирующего импульса ЛИ с выхода адаптера волокна 17 на оптический вход измерительной кюветы 2 акустооптическая ячейка 39 работает как плоскопараллельная пластина, через которую лазерное излучение с выхода адаптера волокна 17 без потерь проходит на оптический вход измерительной кюветы 2. В этот момент времени на акустооптическую ячейку 39 управляющий сигнал с выхода блока управления 40 не подается. Далее импульс зондирующего ЛИ проходит через АО ячейку 39 и заполняет измерительную кювету 2. После этого на акустооптическую ячейку 39 от блока 40 поступает управляющий электрический сигнал, под воздействием которого данная АО ячейка переключает оптический вход измерительной кюветы 2 на уголковый отражатель 11. При этом происходит многократное прохождение импульса зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете 2 в прямом и обратном направлениях, что обеспечивается отражением указанного импульса от уголковых отражателей 11 и 12. Следует отметить, что при работе акустооптической ячейки в режиме переключения светового потока на уголковый отражатель, используется режим дифракции Брэгга при котором более 95% переключаемого светового потока направляется на уголковый отражатель, а потери излучения являются минимальными. Через некоторое время после выполнения импульсом ЛИ определенного заданного числа оборотов N по измерительной кювете 2, управляющий электрический сигнал с выхода блока 40 от акустооптической ячейки 39 отключается, и последняя снова работает плоскопараллельной пластиной, пропускающей лазерное излучение с выхода измерительной кюветы на адаптер волокна 17, то есть переключает измерительную кювету 2 снова на вход адаптера волокна 17. Импульс обратного лазерного излучения с выхода измерительной кюветы 2 после совершения N оборотов поступает на вход адаптера волокна 17 и далее через волоконно-оптическую линию 15 поступает через соответствующие оптические элементы на оптические входы первого и второго фотоприемных блоков 4 и 5. Данный вариант построения схемы доставки импульса зондирующего ЛИ обладает меньшими потерями энергии зондирующего импульса ЛИ за счет прямого оперативного переключения оптического входа измерительной кюветы 2 на выход адаптера волокна и на уголковый отражатель, при котором исключаются потери энергии в пассивном светоделителе 18, при использовании в этой роли стандартного полупрозрачного зеркала, обладающего фиксированным и заданным уровнем пропускания одновременно в сторону уголкового отражателя 11 и в сторону адаптера волокна 17, при котором происходят некоторые фиксированные потери в энергии доставляемого зондирующего лазерного излучения и снимаемых импульсов обратного лазерного излучения. Однако использование современных мощных лазерных генераторов и высокочувствительных фотоприемников делает эти потери несущественными и позволяет использовать более простую схему доставки зондирующего лазерного излучения на вход измерительной кюветы 2 на основе простого полупрозрачного зеркала в качестве светоделителя 18, как это показано на фиг. 1. Так, например, при использовании в качестве светоделителя 18 полупрозрачного зеркала, имеющего величину пропускания в направлении вдоль оптической оси измерительной кюветы, равную 0,9 и, соответственно, пропускание в боковом направлении около 0,085, возможное число оборотов зондирующего лазерного излучения составляет порядка N=33-35 при использовании выпускаемых промышленностью современных импульсных лазеров УФ-диапазона и высокочувствительных ФЭУ УФ диапазона длин волн. Указанного количества числа оборотов зондирующего импульса ЛИ по измерительной кювете достаточно для обеспечения чувствительности и точности измерения концентрации борной кислоты C=0,05 мг/л. Принцип действия акустооптических ячеек и их основные параметры приведены в соответствующих монографиях и работах [8-10]. Аналогичным образом второй светоделитель 19 может быть выполнен на основе акустооптической ячейки, осуществляющей оперативное переключение оптического входа эталонной кюветы 3 на вход уголкового отражателя 13 или на четвертое отражательное зеркало 31, что позволит осуществить режим динамического переключения, аналогичный используемому для измерительной кюветы 2.
Важной проблемой при использовании предлагаемой системы измерения борной кислоты в аппаратуре ядерного реактора является задача подключения измерительной кюветы к контуру теплоносителя ядерного реактора. Данная задача решается путем использования специального байпасного трубопровода - ответвления от контура теплоносителя ядерного реактора, к которому подсоединяется измерительная кювета. Выполнение данного подсоединения требует значительных затрат при монтаже и вводе в эксплуатацию предлагаемой измерительной системы. Возможен вариант использования предлагаемой системы измерений в составе ядерного реактора, не требующий специальной байпасной линии для включения измерительной системы в контур теплоносителя. Вариант такого использования предлагаемой измерительной системы приведен на фиг. 5. В данном варианте для заполнения измерительной кюветы 2 веществом теплоносителя контура ядерного реактора используется устройство взятия (отбора) пробы из контура теплоносителя ядерного реактора, которое в настоящее время имеется в составе реакторов типа ВВЭР и используется для измерения концентрации борной кислоты хемолюминесцентным методом. На фиг. 5 показан условно трубопровод первого контура теплоносителя, поз. 42, к которому через управляемый вентиль 44 подсоединено устройство для отбора пробы 43 из контура теплоносителя. Данное устройство 42 представляет собой специальный дроссельный блок для уменьшения давления рабочего вещества теплоносителя до нормального атмосферного давления и охлаждения вещества пробы. В настоящее время с выхода устройства для отбора пробы 43 вещество теплоносителя через управляемый вентиль 45 поступает в контейнер переноса отобранной пробы (не показан). Предлагается выход устройства для отбора пробы 43 через дополнительный управляемый вентиль 46 подсоединить к измерительной кювете 2, которая будет размещена рядом с устройством отбора пробы 43. При открытом вентиле 46 измерительная кювета 2 заполняется веществом из контура теплоносителя с выхода устройства для отбора пробы 43. После осуществления процесса измерения концентрации борной кислоты в веществе из контура теплоносителя, находящегося в кювете 2, с помощью сливного управляемого вентиля 47 осуществляется слив вещества из измерительной кюветы 2 в специальный контейнер 48 для сбора отработанного вещества пробы. Собственно процесс измерения концентрации борной кислоты в составе измерительной кюветы 2 составляет не более одной секунды. Таким образом, данный вариант использования предлагаемой системы измерений обеспечивает все преимущества изложенного выше метода определения концентрации борной кислоты в составе контура теплоносителя ядерного реактора, но не требует монтажа специального отдельного байпаса для подключения измерительной кюветы к контуру теплоносителя за счет использования уже имеющихся средств отбора пробы теплоносителя. Поэтому в данном варианте не требуется больших капитальных затрат для внедрения предлагаемой измерительной системы в аппаратуру действующего ядерного реактора. Монтаж измерительной кюветы 2 и ее подключение к устройству отбора пробы 43 может быть осуществлен в рабочем режиме ядерного реактора без его остановки. При этом предлагаемая измерительная система обладает всеми преимуществами перед хемолюминесцентным пробоотборным методом, а именно: обеспечивает более высокую точность измерений, высокую оперативность измерений, возможность многократного повторения измерений и сравнения с измерениями в эталонной кювете, обеспечивает полную автоматизацию измерений а также полностью исключает контакт персонала АЭС с веществом теплоносителя или измерительной аппаратурой.
По материалам данной заявки на изобретение разработан и исследован опытный образец системы измерений, проведены измерения параметров исследуемых материалов и растворов веществ в дистиллированной воде, определены параметры раствора борной кислоты заданной концентрации и измерены коэффициенты экстинкции борной кислоты для различных длин волн ультрафиолетового диапазона длин волн, а также параметры борной кислоты в сине-зеленой области видимого спектра. Полученные результаты свидетельствуют о возможности и перспективности измерений концентрации борной кислоты предлагаемым методом с использованием представленной системы измерений в ультрафиолетовом диапазоне длин волн и с использованием сине-зеленой части видимого диапазона, как контрольного лазерного излучения. Предлагаемая система измерений обеспечивает измерение больших концентраций борной кислоты порядка десятков грамм на литр вещества теплоносителя. Одновременно предлагаемая система измерений обеспечивает осуществление измерений малых концентраций борной кислоты до величин 0,05-0,1 мг/л вещества теплоносителя. Данная высокая чувствительность при измерении малых концентраций исследуемых веществ достигается за счет осуществления многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету с помощью специальных уголковых отражателей. В результате этого чувствительность используемого абсорбционно-спектрального метода измерений возрастает в N раз, где N - число прохождений (оборотов) зондирующего лазерного излучения по измерительной кювете. Дополнительно увеличение чувствительности и достоверности измерений обеспечивается за счет применения эталонной кюветы, в которой устанавливается любая заданная точно известная концентрация раствора борной кислоты в дистиллированной воде. При этом эталонная кювета обладает оптическими параметрами, идентичными измерительной кювете. В измерительной системе обеспечивается периодическое подключение к схеме измерений эталонной, или измерительной кювет. Далее осуществляется сравнение параметров импульсов зондирующего лазерного излучения, прошедших через измерительную и эталонную кюветы при совершении одинакового количества оборотов N по веществу измерительной кюветы или эталонной кюветы, что позволяет существенно увеличить точность и достоверность измерений и обеспечить непрерывный мониторинг параметров теплоносителя в первом контуре ядерного реактора. Важным преимуществом предлагаемой системы измерений является возможность подключения к измерительной схеме и проведения измерений на нескольких измерительных кюветах, подключенных в различных местах первого контура теплоносителя ядерного реактора. Это позволяет оперативно контролировать параметры теплоносителя в различных точках контура, что важно для эффективного и безопасного управления работой ядерного реактора. Предлагаемая система измерений обладает высоким быстродействием и оперативностью в проведении измерений. Собственно время измерения концентрации борной кислоты в проходящем через измерительную кювету теплоносителе составляет несколько миллисекунд и определяется временем обработки информации в блоке управления 6 (в персональном компьютере), полученной при регистрации одного зондирующего лазерного импульса. Важным фактором повышения точности измерений, достоверности и доверительности получаемой информации является возможность заполнения эталонной кюветы раствором борной кислоты любой заданной концентрации, выполняемое оператором, последующего проведения измерений с использованием данной эталонной кюветы и измерительной кюветы, обработки и сравнения полученных результатов. Следует отметить возможность проверки (тестирования) оптических параметров измерительной кюветы с помощью второго лазерного генератора и сравнения этих параметров с параметрами эталонной кюветы без отключения измерительной кюветы от первого контура теплоносителя в рабочем режиме ядерного реактора.
В представленной формуле изобретения в ограничительной части формулы находятся первый лазерный генератор и два фотоприемных блока. Это обусловлено тем, что устройство, принятое за прототип [6], содержит источник излучения и два фотоприемника. Лазерный генератор является в общем случае источником излучения, а фотоприемные блоки содержат фотоприемники и являются аналогичными объектами.
Представленная система измерений параметров теплоносителя в контуре ядерного реактора является измерительной системой дистанционного действия, использующей для получения информации зондирующее излучение, передаваемое по волоконно-оптической линии - так называемый радар-тестер. В данной измерительной системе решены ряд технических проблем, возникающих и аналогичных проблемам современной лазерной локации [19], также решаемым на основе использования возможностей и достижений современной лазерной техники. Можно утверждать, что дальнейшее совершенствование представленной измерительной системы на основе использования современной и перспективной разрабатываемой лазерной аппаратуры позволит обеспечить дальнейшее улучшение характеристик специальной измерительной аппаратуры для использования в ядерной энергетике.
В представленной заявке на изобретение следует отметить два фактора новизны. Во-первых, следует отметить в качестве новизны изобретения реализацию в измерительной системе нового варианта осуществления абсорбционно-спектрального метода измерений на основе многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету, реализованного посредством введения кольца оптической обратной связи непосредственно через измерительную кювету с помощью уголковых отражателей, образующих открытый оптический резонатор, в который включена измерительная кювета с веществом теплоносителя. Аналогичным образом обратная оптическая связь осуществлена и для эталонной кюветы, которая заполнена раствором борной кислоты с заданной концентрацией и точно известными оптическими параметрами. Данный новый метод измерений позволяет увеличить чувствительность классического абсорбционно-спектрального метода измерений в число раз, равное числу N оборотов зондирующего лазерного излучения по кольцу оптической обратной связи внутри измерительной кюветы, что особенно важно при проведении измерений малых концентраций борной кислоты, или других веществ с малым коэффициентом экстинкции.
Во-вторых, следует отметить в качестве новизны изобретения реализацию измерения концентрации борной кислоты непосредственно в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора указанным новым вариантом абсорбционно-спектрального оптического метода, обеспечение высокой точности, достоверности и оперативности осуществляемых измерений при одновременном решении ряда проблем, возникающих при применении современных технических средств в ядерной энергетике. Следует отметить, что использование предлагаемой системы измерения 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 теплоносителя непосредственно в контуре при действующих параметрах водной среды. При этом возможно определение концентрации не только борной кислоты, но и других возможных примесей, образующихся при длительной работе ядерного реактора и воздействия радиации. Для обнаружения указанных примесей возможно использование всего спектра лазерного излучения от короткого ультрафиолета до инфракрасного излучения, способного распространяться в водной среде.
2) В необслуживаемых и полуобслуживаемых помещениях первого контура (зона строгого режима) устанавливаются только измерительные кюветы. Вспомогательное оборудование 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 измерительных кювет позволит снизить дозовые нагрузки обслуживающего персонала АЭС.
3) Применение предлагаемой системы измерений исключает необходимость в осуществлении отбора пробы теплоносителя из среды первого контура. Это обеспечивает снижение дозовых нагрузок персонала АЭС и исключается сброс радиоактивных сред, получаемых при отборе пробы из первого контура. Таким образом, смягчается режим работы соответствующих специальных установок АЭС.
4) Выведение из процесса измерения человека (что характерно для хемолюминесцентных методов измерений с отбором пробы) исключает субъективную случайную погрешность измерений. Значительно улучшаются метрологические характеристики измерений вследствие отсутствия транспортного запаздывания пробы в длинных импульсных линиях, повышается оперативность измерений, что имеет большое значение для системы управления ядерным реактором и повышения безопасности работы атомных электрических станций.
Предлагаемая измерительная система 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. Сарылов В.И. Применение хемолюминесцентного метода контроля параметров реакторной воды атомных электростанций. Химия и технология воды, 1982, Т. 4, №1, С. 45-47.
2. Бовин В.П. Нейтронно-абсорбционный анализатор Бора в теплоносителе первого контура ВВЭР. Атомная энергия, 1976. Т. 38, Вып. 5, С. 283-286.
3. Патент РФ №2025800 от 30.12.1994. Способ контроля содержания Бора-10 в теплоносителе первого контура ядерного реактора.
4. Патент Англии №1157086. Двулучевой фотометр.
5. Патент РФ №2022239 от 30.10.1994. Устройство для оптико-абсорбционного анализа.
6. Патент РФ №750287 от 23.07.1980. Устройство для оптико-абсорбционного анализа. Двухлучевой фотометр (прототип).
7. Патент РФ №2175792 от 20.02.2001. Измерительное устройство для определения концентрации бора.
8. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985. С. 134-234.
9. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985. Т. 12, №4.
10. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970.
11. Справочник по лазерной технике. // Под редакцией Напартовича А.П. М.: Энергоатомиздат, 1991.
12. Физико-химические методы исследования внутриконтурных химических процессов в системах атомных энергетических установок. Цнииато-минформ, 1986.
13. Эристова Д.И., Броучек Ф.И. Аналитические методы определения бора. Тбилиси, 1965.
14. Марченко З.И. Фотометрическое определение элементов. М.: Мир, 1976.
15. Немодрук А.А., Карамова З.К. Аналитическая химия бора. М.: Наука, 1964.
16. Химический контроль на тепловых и атомных станциях. М.: Наука, 1980.
17. Лазарев Н.В., Астраханцев П.И. Химически вредные вещества в промышленности, справочник. Часть 2. Онти-химтеорет, Ленинград, 1934.
18. Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. и др. Патент РФ №2248555 от 20.03.2005. Способ определения характеристик лазерной среды и устройство для его осуществления.
19. Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. и др. Патент РФ №2152056 от 27.06.2000. Способ лазерной локации и устройство для его осуществления.
20. Патент РФ №2179756 от 20.02.2002. Способ и устройство для получения жидкой пробы.