УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF NEUTRON FLUX

Изобретение относится к области измерения излучений, в частности к устройствам контроля нейтронного излучения в присутствии гамма-излучения, и может быть использовано в системах управления и защиты (СУЗ) исследовательских и энергетических ядерных реакторов.
При эксплуатации ядерных реакторов в качестве параметра, характеризующего мощность реактора, используется плотность нейтронного потока, измеряемая, в частности, с помощью ионизационных камер деления (ИКД). Достоверность получаемой с их помощью информации зависит от того, насколько качественно удается отфильтровать отклики процессов, которые приводят к появлению токового ложного выходного сигнала (ЛВС), вносящие существенную погрешность при измерении плотности потока нейтронов. Величина ЛВС определяется гамма-фоном работающего реактора, излучением активных продуктов деления, которые накапливаются в рабочей секции камеры и конструкционными особенностями ионизационной камеры [Г.П. Юркевич. Система управления ядерными реакторами: Принципы работы и создания / Под редакцией академика РАН Н.С. Хлопкина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: ЭЛЕКС-КМ, 2009 - 448 с].
Известно устройство для измерения потока нейтронов по патенту RU 2089926 («Токовый канал для измерения потока нейтронов», опубл. 10.09.1997), состоящее из первичного преобразователя, в качестве которого используют ИКД КНК-17-1, и электронного блока. В состав ИКД входит три электрода - два высоковольтных и один общий. ИКД включает два равных чувствительных объема, один из которых чувствителен к нейтронному и гамма-излучениям, а второй объем практически не чувствителен к нейтронам и служит для компенсации тока от гамма-излучения в цепи общего электрода. Электронный блок содержит токовый измерительный канал и два разнополярных источника питания, выходы которых соединены линией электрической связи с высоковольтными электродами первого и второго чувствительных объемов. Под воздействием гамма-излучения в равных объемах между дисками электродной системы возникают одинаковые ионизационные токи, которые вычитают в цепи общего электрода.
При использовании двух разнополярных источников питания, подключенных к высоковольтным электродам, и регистрации разностного токового отклика с общего для обеих секций электрода маскируются индивидуальные особенности формирования токов разных чувствительных объемов и снижаются достоверность и точность измерения нейтронного потока. Необходимость настройки допустимого соотношения напряжений питания для первого и второго чувствительных объемов ИКД осложняет применение устройства измерения потока нейтронов в предложенной конфигурации. Данный вид компенсации применим только на линейном участке нагрузочной характеристики ИКД.
Для исправления указанных недостатков целесообразно обеспечить раздельную регистрацию токов ИКД по секциям и применить схему однополярного питания по общему для секций электроду, при этом на положительном электроде измерять силу ионизационного тока, возникающего в нейтронной (рабочей) секции ИКД, а на отрицательном - в гамма (компенсационной) секции.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по решаемой задаче и количеству сходных признаков является устройство для измерения потока нейтронов с непрерывной электрической компенсацией токового ЛВС (Г.П. Юркевич. Система управления ядерными реакторами: Принципы работы и создания / Под редакцией академика РАН Н.С. Хлопкина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: ЭЛЕКС-КМ, 2009, стр. 166-169, рис 3.32в). Устройство для измерения потока нейтронов включает первичный преобразователь в виде ионизационной двухсекционной трехэлектродной камеры, к общесекционному электроду которой подключен однополярный источник питания, а к разнополярным электродам - блоки измерения тока: к положительному электроду ИКД подключен вход блока измерения тока, пропорционального измеряемому потоку нейтронов, а к отрицательному электроду подсоединен вход блока измерения тока, пропорционального компенсирующему сигналу гамма-излучения. Выходные сигналы блоков измерения тока включены встречно и подаются на электронный блок обработки токовых выходных сигналов. В качестве блока измерения тока используют измеритель тока, входящий в состав прибора для измерения реактивности ПИР-4 [Прибор для измерения реактивности ПИР-4: Технические характеристики и инструкция по эксплуатации (1-я редакция). - М., 1987]. Блок обработки выходных сигналов представляет собой электронную схему, состоящую из предварительных усилителей и схемы вычитания токовых сигналов аппаратным способом (на операционных усилителях).
4
6
Недостатком данного устройства измерения нейтронного потока является сложность достижения компенсации путем настройки значений токового ЛВС. Регулировку электрической схемы непрерывной компенсации устройства для измерения нейтронного канала производят до установки его на объект - ядерный реактор - следующим образом. Трехэлектродную ИКД помещают в изменяемое поле гамма-излучения (мощностью до 10-10 Р/ч), измерения токов с положительного и отрицательного электродов производят при разных мощностях гамма-излучения, при этом масштаб компенсирующего токового сигнала устанавливают таким образом, чтобы разность токов, полученных от разных чувствительных объемов ИКД, была минимальна на заданном интервале изменения мощности гамма-излучения. Полученное минимальное значение ЛВС и диапазон мощности гамма-излучения, на котором проводились измерения, заносят в паспорт ИКД. Кроме того, необходимо проводить настройку масштаба компенсации ЛВС перед пуском реактора и оценивать влияние мощности дозы гамма излучения на кратность компенсации токового ЛВС.
Техническая задача заявляемого изобретения заключается в создании универсального устройства для измерения потока нейтронов с улучшенными метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями на основе промышленных двухсекционных ионизационных камер типа КНК-4, КНК-53М, КНК15-1 и др.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение достоверности и точности результатов измерения, расширение функциональных возможностей устройства для измерения потока нейтронов.
Дополнительным техническим результатом является отказ от процедуры настройки компенсации путем перехода к прямому измерению ЛВС с последующим простым вычитанием одного файла из другого.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения потока нейтронов, включающем первичный преобразователь в виде ионизационной двухсекционной трехэлектродной камеры, к общесекционному электроду которой подключен однополярный источник питания, а к разнополярным электродам, к положительному, входящему в состав нейтронной секции, и к отрицательному, входящему в состав компенсационной секции, - блоки измерения тока, которые связаны с блоком обработки выходных сигналов, новым является то, что каждый блок измерения тока содержит преобразователь ток-напряжение, который выполнен на основе линейного усилителя с переключающимся пределом измерения или на основе логарифмического усилителя и выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, управляемого микроконтроллером, через интерфейс связи подключенным к интерфейсу связи блока обработки выходных сигналов, который имеет возможность подключения к вычислительному устройству более высокого уровня и содержит микроконтроллер, позволяющий автоматически корректировать сигнал, полученный от блока измерения тока по нейтронной составляющей с учетом ЛВС на основе сигнала, полученного от блока измерения тока по гамма-излучению, и производить вычисление потока нейтронов, а однополярный источник питания включает в себя высоковольтный преобразователь напряжения, подключенный к своему микроконтроллеру, который осуществляет автоматический контроль и коррекцию выходного напряжения и подключен через интерфейс связи к интерфейсу связи блока обработки выходных сигналов.
Использование в устройстве для измерения потока нейтронов блока измерения тока, содержащего преобразователь ток-напряжение на основе линейного усилителя с переключающимися пределами измерения или логарифмического усилителя, способствует увеличению диапазона регистрации тока по амплитуде (диапазон измерения - до десяти порядков) что способствует расширению диапазона регистрации тока по амплитуде, что в итоге расширяет функциональные возможности устройства, а также повышает достоверность и точность измерений.
Использование в составе блока измерения тока аналого-цифрового преобразователя (АЦП), управляемого микроконтроллером, позволяет переводить аналоговый сигнал в цифровой код и автоматически вычислять значения измеренного тока от рабочей (нейтронной) или компенсационной (гамма) секции ИКД, что повышает достоверность и точность измерений токовых откликов от нейтронного и гамма излучений, расширяет функциональные возможности устройства для измерения потока нейтронов.
Выполнение блока обработки выходного сигнала на основе микроконтроллера предоставляет возможность автоматически рассчитывать и корректировать кратность компенсации токового ЛВС с учетом влияния изменяющейся при работе реактора мощности гамма-излучения, вычислять на основании измеренных токов истинное значение нейтронного потока, исключает необходимость предварительной ручной настройки кратности компенсации токового ЛВС и ручной подстройки его в ходе работы реактора, что уменьшает время обработки выходных сигналов, обеспечивает повышение достоверности и точности измерения нейтронного потока, расширяет диапазон его измерения и функциональные возможности устройства.
Возможность подключения блока обработки выходного сигнала к вычислительному устройству более высокого уровня позволяет интегрировать устройство для измерения потока нейтронов в автоматизированную систему управления и защиты реакторов, что расширяет функциональные возможности устройства.
Использование в качестве однополярного источника питания для ИКД высоковольтного преобразователя напряжения, подключенного к микроконтроллеру, который через интерфейс связи соединен с интерфейсом связи блока обработки выходных сигналов, позволяет контролировать стабильность высоковольтного напряжения питания, подаваемого на общий электрод ИКД, что повышает достоверность и точность измерения нейтронного потока, расширяет функциональные возможности устройства.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом (фиг.), на котором изображена блок-схема заявляемого устройства, где
1 - двухсекционная ИКД;
2 - биологическая защита;
3 - высоковольтный источник питания;
4 - высоковольтный преобразователь напряжения;
5 - микроконтроллер;
6 - интерфейс связи;
7 - блок измерения тока рабочего объема ИКД;
8 - преобразователь ток-напряжение;
9 - аналого-цифровой преобразователь;
10 - микроконтроллер;
11 - интерфейс связи;
12 - блок измерения тока компенсационного объема ИКД;
13 - преобразователь ток-напряжение;
14 - аналого-цифровой преобразователь;
15 - микроконтроллер;
16 - интерфейс связи;
17 - блок обработки выходных сигналов;
18 - вычислительное устройство верхнего уровня.
Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения может служить устройство для измерения потока нейтронов, включающее первичный преобразователь, в качестве которого используют ионизационную двухсекционную трехэлектродную камеру - ИКД (1). Общий электрод ИКД (1) соединен при помощи кабеля через биологическую защиту (2) с высоковольтным источником питания (3), который состоит из высоковольтного преобразователя напряжения (4), соединенного с микроконтроллером (5), подключенным через интерфейс связи (6) к блоку обработки выходных сигналов (17), в качестве которого использован блок обработки данных (БОД).
К положительному электроду, который входит в состав рабочего объема ИКД (1), чувствительного к нейтронному излучению, при помощи кабеля, проложенного через биологическую защиту (2), подключен вход блока измерения нейтронной составляющей тока (7), состоящего из преобразователя ток-напряжение - логарифмического усилителя (8), выход которого подключен к входу АЦП (9). В свою очередь, выход АЦП (9) подключен к микроконтроллеру (10), соединенному через интерфейс связи (11) к блоку обработки выходных сигналов - БОД (17). Микроконтроллер (10) управляет также работой логарифмического усилителя (8).
К отрицательному электроду, который входит в состав компенсационного объема ИКД (1), чувствительного к гамма-излучению, при помощи кабеля, проложенного через биологическую защиту (2), подключен вход блока измерения составляющей тока от гамма-излучения (12), состоящего из логарифмического усилителя тока (13), выход которого подключен к входу АЦП (14). В свою очередь, выход АЦП (14) подключен к микроконтроллеру (15), соединенному через интерфейс связи (16) к БОД (17). Микроконтроллер (15) управляет также работой логарифмического усилителя (13).
БОД (17) имеет возможность подключения к вычислительному устройству верхнего уровня (18).
Заявляемое устройство измерения нейтронного потока работает следующим образом.
Двухсекционную ИКД (1) размещают в поле излучения исследовательского ядерного реактора и подключают к высоковольтному источнику напряжения (3), в котором импульсный преобразователь напряжения (4) вырабатывает высокое напряжение 300 В. Микроконтроллер (5) обеспечивает обмен данными через интерфейс связь (6) с БОД (17), измерение выходного напряжения, индикацию его значения на цифровом индикаторе и контроль выхода напряжения за установленные значения.
Ток, возникающий под воздействием нейтронного и гамма излучений реактора в рабочей секции ИКД (1), измеряют при помощи блока измерения тока (7), в котором логарифмический усилитель (8) преобразует ток в напряжение по логарифмическому закону (диапазон выходного напряжения - от 0 до 4 В). На выходе логарифмического усилителя (8) напряжение изменяется по формуле:
где U - измеряемое напряжение (В),
X
I - искомое значение тока,
0
-8
I - эталонный ток (10 А).
Работа логарифмического усилителя (8) управляется микроконтроллером (10).
Полученное напряжение поступает на вход АЦП (9), где его преобразуют в цифровой код, который поступает на вход микроконтроллера (10), который при помощи специальной программы вычисляет значение тока по формуле:
Микроконтроллер (10) отображает полученное значение на цифровом индикаторе и передает его по запросу в БОД (17) через интерфейс связи (11).
Ток, возникающий под воздействием гамма излучения реактора в компенсационной секции ИКД (1), измеряют при помощи блока измерения тока (12), в котором логарифмический усилитель (13) преобразует ток в напряжение по логарифмическому закону (диапазон выходного напряжения - от 0 до 4 В). На выходе логарифмического усилителя напряжение изменяется по формуле (а). Работа логарифмического усилителя (13) управляется микроконтроллером (15).
Преобразованное напряжение поступает на вход АЦП2 (14), где его преобразуют в цифровой код, который поступает на вход микроконтроллера (15), который при помощи специальной программы вычисляет значение тока по формуле (б). Микроконтроллер (15) отображает полученное значение на цифровом индикаторе и передает его по запросу в БОД (17) через интерфейс связи (16).
БОД (17) суммирует полученные значения токов с заранее заданными коэффициентами и пересчитывает сумму в физическую мощность реактора (плотность нейтронного потока). Полученный результат БОД (17) высвечивает на цифровом индикаторе и передает на вычислительное устройство верхнего уровня (18) по запросу от него. По командам вычислительного устройства (18) можно редактировать коэффициенты преобразования в БОД (17).
Таким образом, заявляемое устройство измерения нейтронного потока на основе двухсекционных промышленных ионизационных камер типа КНК-4, КНК-53М, КНК15-1 и др. обладает упрощенной процедурой настройки компенсации ЛВС и более высокой достоверностью результатов измерения плотности нейтронного потока по сравнению с устройством, являющимся наиболее близким аналогом.
Промышленная применимость предлагаемого изобретения определяется тем, что устройство измерения нейтронного потока может быть изготовлено по известной технологии из известных комплектующих изделий и материалов и использовано в измерительных системах и СУЗ реакторов.
Был изготовлен опытный образец устройства на основе двухсекционных промышленных ионизационных камерах типа КНК-4, КНК-53М и КНК15-1 и испытан на реакторе БР-К1 ВНИИЭФ. Испытания подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого изобретения.