УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД И СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ЖИДКОСТНОЙ МОНИТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники в атомной энергетике и предназначена для детектирования и мониторинга гамма-излучения в жидких средах, в частности в теплоносителе первого контура реакторных установок атомных электростанций.
Известно устройство детектирования, применяемое в спектрометрическом мониторе МАРС-012-СУГ, предназначенном для автоматизированного измерения удельной активности гамма-излучающих радионуклидов, присутствующих в водных технологических средах (технологических контурах) атомных электростанций или других объектах атомной энергетики (Разработан ФГУП «НИТИ им.А.П.Александрова». Опубликовано на сайте www.tdautomatika.ru/catalog/description/15866). Известное устройство детектирования выполнено на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия, содержит две измерительные камеры, свинцовую защиту с коллиматором и криогенератор. Спектрометрический монитор, включающий устройство детектирования, оснащен системой коллимации, системой подготовки контролируемой среды и электронными блоками управления. Диапазон регистрируемых энергий гамма-излучения от 50 до 2000 кэВ. Недостатками МАРС-012-СУГ являются относительно большие габариты, наличие коллиматоров и дополнительных измерительных камер.
Известен радиометр-спектрометр РСКВ-01 гамма-излучения для непрерывного контроля содержания гамма-излучающих радионуклидов в жидких проточных средах (Алексеев С.В. и др. Радиометр-спектрометр гамма-излучения для мониторинга жидких сред РСКВ-01 // Материалы V Международного совещания «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии», 15-18 октября 2001 г. / г.Дубна, Московская обл. Опубликовано на сайте www.aspect.dubna.ru). Известное устройство детектирования содержит измерительную камеру в защитном экране, сцинтилляционный детектор гамма-излучения на основе кристалла NaI(Tl). Принцип работы РСКВ-01 заключается в том, что гамма-излучение от контролируемой среды (воды) регистрируется сцинтилляционным устройством детектирования и в виде спектра передается на пульт управления, где производится расчет суммарной активности контролируемой воды. Измерения проводятся в непрерывном автоматическом режиме. При работе в составе системы радиационного мониторинга результаты измерений передаются на компьютер для обработки гамма-спектров, которая включает идентификацию радионуклидов, расчет их удельной активности и формирование отчетов. Основным недостатком известного технического решения является использование сцинтилляционного детектора на основе кристалла NaI(Tl), который имеет относительно низкие характеристики энергетического разрешения и позволяет проводить измерения в диапазоне 50-3000 кэВ.
В качестве наиболее близкого технического решения для спектрометрического монитора заявителем выбран спектрометрический комплекс СТПК-01, одновременно включающий и прототип заявляемого устройства детектирования гамма-излучения жидких сред (СТПК-01 - Спектрометрический комплекс контроля активности теплоносителя первого контура. НПП «АтомКомплексПрилад». Украина, Киев. Опубликовано на сайте www.akp.com.ua в 2006 г.). СТПК-01 предназначен для дискретно-непрерывного контроля удельной активности радионуклидов в теплоносителе основного (первого) контура ядерного реактора с помощью гамма-спектрометрии высокого разрешения. Устройство детектирования спектрометрического комплекса СТПК-01 выполнено на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия и размещено в свинцовом защитном устройстве с управляемым коллиматором. В устройстве детектирования предусмотрен электромашинный охладитель. В спектрометрическом комплексе СТПК-01 предусмотрена станция сбора данных и удаленного управления режимами измерений, а также амплитудный многоканальный анализатор спектров с цифровым спектрометрическим процессором. К недостаткам описанных устройства детектирования и монитора относятся громоздкость конструкции, наличие коллиматоров в защитном устройстве, перегруженность дополнительными механическими узлами.
Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки и разработать спектрометрический жидкостной монитор гамма-излучения, содержащий устройство детектирования гамма-излучения жидких сред, для преимущественного применения в качестве измерительной системы, контролирующей состояние теплоносителя первого контура реакторных установок. Предлагаемое устройство детектирования характеризуется небольшими габаритами, простотой конструкции, монтажа и эксплуатации, а также надежностью и точностью измерений в энергетическом диапазоне гамма-излучения от 40 до 3000 кэВ. Спектрометрический монитор позволяет эффективно проводить измерения активности контролируемой среды и оперативно реагировать на ее изменения и/или возникновение внештатных ситуаций.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство детектирования гамма-излучения жидких сред и спектрометрический жидкостной монитор гамма-излучения.
Предлагается устройство детектирования гамма-излучения жидких сред, включающее полупроводниковый детектор гамма-излучения на основе особо чистого германия и измерительную камеру, размещенные в свинцовом защитном блоке, снабженное электроохладителем, отличающееся тем, что защитный блок выполнен в виде наборной конструкции из уложенных друг на друга дисков со сквозными вертикальными отверстиями для установки полупроводникового детектора, в верхнем диске защитного блока предусмотрен горизонтально ориентированный технологический канал для размещения измерительной камеры, а измерительная камера выполнена в виде U-образной трубки.
Устройство детектирования предпочтительно установлено на основании, снабженном креплением устройства детектирования, выполненном с возможностью перемещения устройства детектирования в вертикальном и горизонтальном направлениях. При таком варианте выполнения полезной модели нижний диск защитного блока предпочтительно выполнен разъемным.
Защитный блок предпочтительно снабжен откидной свинцовой крышкой.
Измерительная камера предпочтительно изготовлена из нержавеющей стали.
Защитный блок предпочтительно размещен в кожухе, выполненном из нержавеющей стали.
Предлагается спектрометрический жидкостной монитор гамма-излучения, включающий устройство детектирования с полупроводниковым детектором на основе особо чистого германия, содержащее измерительную камеру, размещенное в свинцовом защитном блоке и снабженное электроохладителем, при этом устройство детектирования соединено с пробоотборной системой и цифровым анализатором спектра, спектрометрический монитор снабжен устройством накопления и обработки информации, соединенным с цифровым анализатором спектра, отличающийся тем, что защитный блок устройства детектирования выполнен в виде наборной конструкции из уложенных друг на друга дисков со сквозными вертикальными отверстиями для установки полупроводникового детектора, в верхнем диске защитного блока предусмотрен горизонтально ориентированный технологический канал для размещения измерительной камеры, измерительная камера выполнена в виде U-образной трубки из нержавеющей стали, устройство детектирования установлено на основании, снабженном креплением устройства детектирования, выполненном с возможностью перемещения устройства детектирования, пробоотборная система снабжена контроллером управления, связанным с устройством накопления и обработки информации, и соединена с устройством детектирования трубопроводами подачи и отвода среды, а на трубопроводе подачи среды перед измерительной камерой установлен расходомер.
На трубопроводе подачи среды перед расходомером предпочтительно установлен компенсатор избыточного давления.
В пробоотборной системе предпочтительно предусмотрены трубопровод подачи химически обессоленной воды, трубопровод подачи теплоносителя и трубопровод сжатого воздуха, снабженные запорной арматурой и выходящие в трубопровод подачи среды.
В качестве запорной арматуры могут быть использованы электромагнитные клапаны.
Техническим результатом полезной модели является создание измерительной системы, контролирующей состояние теплоносителя первого контура реакторных установок в широком энергетическом диапазоне гамма-излучения. Использование в спектрометрическом мониторе устройства детектирования с полупроводниковым детектором на основе особо чистого германия позволяет быстро и точно проводить измерения в диапазоне от 40 до 3000 кэВ. Отличительные признаки полезной модели позволяют получить следующий технический результат. Наборная конструкция защитного блока из свинцовых дисков, диаметр которых можно варьировать в зависимости от геометрии детектора, позволяет обеспечить его максимальную защиту от фонового излучения с учетом геометрии детектора. Выполнение нижнего свинцового диска разъемным обеспечивает доступ к детектору с помощью манипулятора и облегчает монтаж, эксплуатацию и обслуживание спектрометрического монитора. Геометрия измерительной камеры исключает образование застойных зон и позволяет легко коммутировать измерительную камеру с трубопроводами подачи и отвода среды. Нержавеющая сталь, из которой предпочтительно изготавливают измерительную камеру, обладает минимальной сорбирующей способностью и позволяет осуществлять промывку камеры дезактивирующими растворами. Для усиления указанного эффекта внутреннюю поверхность U-образной трубки целесообразно полировать. Крепление устройства детектирования позволяет оптимально позиционировать детектирующее устройство относительно остальных модулей спектрометрического монитора при проведении измерений, обработки информации и управлении измерительным процессом.
Ниже сущность полезной модели поясняется более подробно со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 представляет вертикальный разрез устройства детектирования гамма-излучения жидких сред;
фиг.2 представляет структурную схему спектрометрического жидкостного монитора гамма-излучения;
фиг.3 представляет схематический вид спектрометрического жидкостного монитора гамма-излучения.
Позиции на чертежах обозначают: 1 - полупроводниковый детектор на основе особо чистого германия; 2 - измерительная камера; 3 - свинцовый защитный блок; 4 - электроохладитель; 5 - крепление устройства детектирования; 6 - основание, на котором установлено крепление устройства детектирования; 7 - разъемный нижний диск защитного блока; 8 - откидная крышка защитного блока; 9 - устройство детектирования; 10 - пробоотборная система; 11 - цифровой анализатор спектра; 12 - устройство накопления и обработки информации; 13 - контроллер управления пробоотборной системой; 14 - трубопровод подачи среды; 15 - трубопровод отвода среды; 16 - расходомер; 17 - компенсатор избыточного давления; 18 - трубопровод подачи теплоносителя, 19 - трубопровод подачи химически обессоленной воды; 20 - трубопровод сжатого воздуха; 21 - запорная арматура (электромагнитные клапаны).
Устройство детектирования гамма-излучения жидких сред, показанное на фиг.1, является только примером заявляемого устройства детектирования. Устройство 9 детектирования включает полупроводниковый детектор 1 на основе особо чистого германия и измерительную камеру 2, выполненную в виде U-образной трубки. Полупроводниковый детектор 1 и измерительная камера 2 размещены в свинцовом защитном блоке 3, выполненном в виде наборной конструкции из уложенных друг на друга дисков со сквозными вертикальными отверстиями для установки полупроводникового детектора 1. Нижний диск 7 защитного блока 3 выполнен разъемным. Защитный блок 3 снабжен откидной крышкой 8. Устройство 9 детектирования установлено на основании 6, снабженном креплением 5 устройства 9 детектирования.
Спектрометрический жидкостной монитор гамма-излучения включает устройство 9 детектирования, описанное в предыдущем абзаце. Устройство 1 детектирования соединено с пробоотборной системой 10 и цифровым анализатором 11 спектра. Спектрометрический монитор снабжен устройством 12 накопления и обработки информации, которое соединено с цифровым анализатором 11 спектра. Пробоотборная система 10 снабжена контроллером 13 управления, связанным с устройством 12 накопления и обработки информации, и соединена с устройством 9 детектирования трубопроводом 14 подачи среды и трубопроводом 15 отвода среды. На трубопроводе 14 подачи среды установлены компенсатор 17 избыточного давления и расходомер 16. В пробоотборной системе 10 предусмотрены трубопровод 18 подачи теплоносителя, трубопровод 19 подачи химически обессоленной воды и трубопровод 20 сжатого воздуха, снабженные электромагнитными клапанами 21 и выходящие в трубопровод 14 подачи среды.
Полезная модель работает следующим образом.
Пробоотборная система 10 обеспечивает подачу теплоносителя по системе трубопроводов 18 и 14 в измерительную камеру 2 устройства 9 детектирования. С помощью расходомера 16, компенсатора 17 избыточного давления и электромагнитных клапанов 21 осуществляется соответственно измерение и регулирование расхода теплоносителя. Устройство 9 детектирования, работающее в автоматическом режиме, регистрирует гамма-спектры, которые накапливаются в цифровом анализаторе 11 и автоматически передаются в устройство 12 накопления и обработки информации, связь между которыми осуществляется при помощи преобразователя USB/Ethernet. В устройстве 12 накопления и обработки информации производится обработка аппаратурных гамма-спектров, а именно: определение радионуклидного состава, расчет значений активности, оценка погрешности определения активностей, расчет нижнего допустимого предела измерения и пр. Цифровой анализатор 11 спектра, представляющий собой специализированный технологический анализатор, обеспечивает автоматическое управление процессом измерения, предварительную обработку, хранение и протоколирование информации, поступающей от устройства 9 детектирования, формирование сигналов самодиагностики устройства 9. Устройство 12 накопления и обработки информации выдает команды контроллеру 13 пробоотборной системы 10. Устройство 12, как правило, включает два компьютера и монитор. Первый компьютер осуществляет хранение и обработку данных, а второй отвечает за взаимодействие с пользователем. Контроллер 13 представляет собой микрокомпьютер с наборными модулями, количество и тип которых зависит от конфигурации пробоотборной системы 10 (количества точек контроля, наличия сжатого воздуха для продувки и т.д.). Контроллер 13 выдает управляющие сигналы «Открыть/Закрыть» на электромагнитные клапаны 21 пробоотборной системы 10. После проведения измерений в устройство 9 детектирования по системе трубопроводов 19 и 14 подают химически обессоленную воду для промывки и дезактивации измерительной камеры 2. Измерение и регулирование расхода воды осуществляется также как измерение и регулирование расхода теплоносителя. Подача сжатого воздуха по системе трубопроводов 20 и 14 осуществляется при ремонтных работах для просушки измерительной камеры 2. Отвод теплоносителя, воды и сжатого воздуха производится по трубопроводу 15.
Описанные и иллюстрируемые устройство детектирования гамма-излучения жидких сред и спектрометрический жидкостной монитор гамма-излучения являются только примерами выполнения полезной модели, практические детали могут широко варьироваться в пределах объема предлагаемой полезной модели. Конструкции устройств управления и обработки информации, входящих в полезную модель, трубопроводов и других приспособлений могут быть полностью общепринятыми.
Полезную модель можно эффективно применять в качестве измерительной системы, контролирующей состояние теплоносителя первого контура реакторных установок, с выполнением следующих функций:
- проведение автоматических (циклических) измерений;
- обработка аппаратурных спектров, полученных от измерительных узлов, в соответствии с заданными математическими алгоритмами;
- обработка полученных спектров с целью расчета объемной активности контролируемых радионуклидов;
- вычисление активностей обнаруженных радионуклидов, а также сопутствующих величин;
- сравнение рассчитанных активностей с установленными контрольными уровнями (предупредительным и аварийным);
- определение загрязненности измерительного узла;
- выполнение дополнительных промывок в случае загрязненности измерительного узла;
- хранение аппаратурных спектров (например, за последний месяц) и результатов обработки за весь период эксплуатации;
- формирование признаков неисправности;
- оперативное отображение на экране результатов последнего измерения;
- построение графиков изменения контролируемых параметров за любой период эксплуатации.