ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
LASER SYSTEM FOR DETECTING EMERGENCY OPERATION OF A NUCLEAR REACTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области ядерной энергетики и измерительной техники и предназначено для использования на атомных электростанциях (АЭС) для оперативного обнаружения аварийного и предаварийного режима работы ядерного энергетического реактора.
Уровень техники
Обеспечение безопасной работы атомных электростанций является важной проблемой в современной ядерной энергетике и требует своевременного и надежного обнаружения аварийной ситуации. Одной из наиболее опасных аварийных ситуаций является разгерметизация тепловыделяющих элементов (твэл), при которой в помещения АЭС поступают газообразные продукты деления урана (радионуклиды). Возникновение данной аварийной ситуации характеризуется опасностью радиационного поражения персонала АЭС, а также возможностью выхода радиоактивных газов в окружающую АЭС атмосферу.
В процессе производства и эксплуатации твэлов по техническим условиям порядка 0,1% твэлов имеют дефекты в герметизации швов и допускают проникновение в окружающую среду небольших фиксированных количеств газообразных продуктов деления урана. При делении урана образуются радиоактивные изотопы ксенона, криптона и йода. Наиболее опасным являются изотопы йода, которые имеют период полураспада от нескольких часов до суток и при попадании в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом могут привести к тяжелым радиационным поражениям. Таким образом, с самого начала эксплуатации вновь загруженных твэлов в ядерный реактор в атмосферу технического помещения АЭС, в котором расположен ядерный реактор, возможно попадание небольших количеств газообразных продуктов деления ядерного топлива. По мере работы твэлов в ядерном реакторе возможно ухудшение качества герметизации твэлов, например, за счет образования микротрещин. При этом происходит увеличение количества газообразных продуктов деления урана в техническом помещении ядерного реактора. Попадание в атмосферу помещения, в котором расположен ядерный реактор, продуктов деления урана даже в малых количествах свидетельствует о начале развития аварийного режима работы ядерного реактора.
Поэтому постоянный контроль состава атмосферы в помещениях с ядерным реактором и других технических помещениях АЭС является актуальным, так как позволяет заранее обнаружить наступление аварийной ситуации и предотвратить возможность ее дальнейшего развития, а также предотвратить проникновение радиоактивных продуктов деления в другие помещения АЭС и выбросы в окружающую атмосферу. Для непрерывного контроля уровня концентрации радионуклидов в помещениях АЭС и возможности наступления и развития аварийной ситуации достаточно осуществлять непрерывный контроль концентрации йода в атмосфере помещений, так как единственным источником образования молекулярного йода в газовой фазе является процесс деления урана, содержащегося в твэлах.
Для обнаружения аварийной ситуации в настоящее время используют контроль уровня радиации в техническом помещении АЭС, в котором расположен ядерный реактор. Однако при малом начальном уровне концентрации радиоактивного йода в помещении ядерного реактора создаваемый им уровень радиации весьма мал и не может быть надежно обнаружен и идентифицирован на фоне имеющегося уровня радиации в помещении с ядерным реактором, который обусловлен другими техническими факторами. Поэтому более эффективным методом обнаружения аварийной ситуации на начальном уровне ее развития является прямое определение концентрации йода в помещении расположения ядерного реактора, поскольку при наличии аварийного или предаварийного режима работы ядерного реактора в атмосферу помещения начинают поступать продукты деления урана, в том числе йод.
Известны различные методы обнаружения и определения йода, в том числе в газовой фазе [1]. Наиболее распространенным методом является использование реакции йода с окрашивающими растворителями, например, растворами хлороформа, бензола или крахмала. Далее используют колориметрический фотометрический метод и определяют концентрацию йода по уровню поглощения светового излучения на соответствующей длине волны света. Данные методы имеют низкую чувствительность, большую длительность осуществления измерений и непригодны для использования в условиях технических необслуживаемых помещений атомных электростанций.
Известен способ выделения радионуклидов йода из газовой среды [2], используемый для удаления йода в газообразной форме из атмосферы помещения АЭС, а также для целей дозиметрического контроля наличия йода в атмосфере технического помещения. Способ основан на адсорбции йода с помощью реагента (сорбента), содержащего серебро или соли серебра в пористом неорганическом носителе, имеющем поры диаметром порядка 50 нм. Реагент засыпают в фильтровальные патроны, через которые пропускают газовый поток из атмосферы контролируемого помещения. Данный способ характеризуется низкой точностью и ограниченной чувствительностью вследствие зависимости уровня адсорбции от давления и скорости прокачки газовой смеси через фильтрующие патроны, а также чистоты состава реагентов. Способ не оперативен и практически непригоден для использования в необслуживаемых помещениях АЭС.
Известен способ детектирования йода в том числе в газовой фазе [3], основанный на использовании масс-спектрометрии индуктивно-связанной плазмы. При реализации этого способа исследуемый образец подвергается нагреванию в атмосфере аргона до получения в газовой фазе индуктивно-связанной плазмы. Далее с высокой чувствительностью осуществляется масс-спектрометрия приготовленного образца. К недостаткам данного способа следует отнести невозможность осуществления измерений в реальном масштабе времени вследствие необходимости предварительной подготовки исследуемого материала, а также невозможность осуществления данного способа в условиях технических помещений АЭС.
Наиболее адекватным методом решения проблемы измерения параметров атмосферы в технических помещениях АЭС является оптический метод измерения характеристик контролируемой газовой или водной среды, предложенный авторами в работах [4], [5] и реализованный в системах измерения [6] и [7]. В указанных системах осуществляется просвечивание теплоносителя ядерного реактора зондирующим лазерным излучением и измерение характеристик излучения, прошедшего через слой теплоносителя. Измерение параметров прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения позволяет обеспечить оперативный контроль параметров теплоносителя и определить концентрацию веществ, содержащихся в нем. Аналогичным методом можно реализовать измерение параметров газовой среды - атмосферы технического помещения АЭС - при просвечивании зондирующим лазерным излучением. Указанные системы измерения предназначены для работы в условиях ядерного реактора при наличии радиоактивности, высоких температур и давления. Возможность работы в условиях ядерного реактора обеспечивается выносом измерительной аппаратуры из зоны реактора, в которой размещен лишь оптический измерительный блок, соединенный волоконной линией с измерительной аппаратурой.
В качестве ближайшего аналога выбрана наиболее близкая по технической реализации лазерная система измерения [8]. Данная система измерения содержит первый и второй лазерные генераторы, измерительную и эталонную кюветы, три фотоприемных блока, измеритель лазерного излучения, три управляемых спектральных фильтра, адаптеры волокна, две волоконно-оптических линии, блок обработки информации и управления, фильтры, полупрозрачные и отражательные зеркала. К недостаткам данной измерительной системы следует отнести ограниченную чувствительность вследствие использования измерительной кюветы, которая имеет ограниченную длину - не более одного метра. Другим недостатком данной измерительной системы является ограниченная доверительная вероятность (надежность) обнаружения малых концентраций йода на начальном этапе развития аварийной ситуации. Между тем именно на начальном этапе аварийной ситуации от измерительной системы требуются наиболее надежные результаты вследствие высокой ответственности принимаемых на основе этих результатов решений.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является решение проблемы надежного обнаружения аварийного или предаварийного режима работы ядерного реактора путем непрерывного мониторинга атмосферы в техническом помещении АЭС, в котором расположен ядерный реактор, а также устранение указанных недостатков в методах измерения малых концентраций веществ в газовой фазе. Достигаемым при этом техническим результатом является повышение чувствительности и точности измерения уровня концентрации молекулярного йода и других продуктов деления урана в атмосфере технических помещений АЭС, а также повышение достоверности (доверительной вероятности) получаемых результатов измерений.
Для решения указанной задачи и достижения отмеченного технического результата в настоящем изобретении предложена лазерная система для обнаружения аварийного режима работы ядерного реактора, содержащая измерительный блок-контейнер, во внутреннем объеме которого, связанном с помещением расположения ядерного реактора посредством первого и второго трубопроводов, размещен первый лазерный генератор с блоком накачки и открытым оптическим резонатором из первого и второго резонаторных зеркал, установленных с обеих сторон первого лазерного генератора на его оптической оси, являющейся первой оптической осью всей лазерной системы и проходящей между первым и вторым адаптерами оптического волокна, при этом между первым лазерным генератором и управляемым оптическим ослабителем, расположенным на первой оптической оси вблизи второго резонаторного зеркала, находится точка пересечения под заданным углом α со второй оптической осью, проходящей между первым отражательным зеркалом и первой линзой и заканчивающейся в третьем адаптере оптического волокна, первый-третий адаптеры оптического волокна через одноименные волоконно-оптические линии связи соединены, соответственно, с четвертым-шестым адаптерами оптического волокна, которые оптически связаны через установленные последовательно, соответственно, первое-третье полупрозрачное зеркало и первый-третий управляемый спектральный фильтр с первым-третьим фотоприемным блоком, выход второго лазерного генератора оптически связан через четвертое полупрозрачное зеркало и второе отражающее зеркало со входом измерителя лазерного излучения, а через первое полупрозрачное зеркало - с четвертым адаптером оптического волокна, пятый и шестой адаптер оптического волокна посредством, соответственно, второго и третьего полупрозрачного зеркала связаны через установленные последовательно, соответственно, первую и вторую дифракционную решетку и вторую и третью линзу с первой и второй линейками фотоприемников, подключенных к одноименным управляющим блокам, выходы которых и выходы первого-третьего фотоприемных блоков и измерителя лазерного излучения соединены с соответствующими входами блока обработки и управления, к соответствующим выходам которого подключены управляющие входы блока накачки, управляемого оптического ослабителя, второго лазерного генератора и первого-третьего управляемых спектральных фильтров.
Особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждый из лазерных генераторов может быть выполнен с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.
Другая особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждый управляемый спектральный фильтр и (или) управляемый оптический ослабитель может быть выполнен на основе акустооптической ячейки.
Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что угол α выбран в диапазоне от 30 до 120 градусов.
Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что измерительный блок-контейнер может быть связан посредством третьего трубопровода с баллоном с эталонной газовой смесью.
Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что измерительный блок-контейнер может быть связан посредством четвертого трубопровода с баллоном для поглощения газов.
Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что измерительный блок-контейнер может быть связан посредством пятого и шестого трубопроводов с окружающим помещением.
При этом каждый трубопровод может быть снабжен управляемым вентилем, подключенным к соответствующему выходу блока обработки и управления.
Кроме того, каждый трубопровод (за исключением третьего) может быть снабжен управляемым вентилятором, подключенным к соответствующему выходу блока обработки и управления.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг. 1 представлена блок-схема лазерной системы для обнаружения аварийного режима работы ядерного реактора по настоящему изобретению.
На Фиг. 2 и 3 представлены осциллограммы проведения экспериментальных исследований опытного образца лазерной системы.
Подробное описание изобретения
1
2
1
2
Лазерная система согласно настоящему изобретению предназначена для обнаружения аварийного режима работы ядерного реактора, находящегося в техническом помещении 1, которое посредством первого и второго трубопроводов 41, 42 связано с внутренним объемом измерительного блока-контейнера 2. В этом измерительном блоке-контейнере 2 размещен первый лазерный генератор 3 с блоком 4 накачки и открытым оптическим резонатором, образованным первым и вторым резонаторными зеркалами 5 и 6. Оба резонаторных зеркала 5, 6 установлены с обеих сторон первого лазерного генератора 3 на его оптической оси, являющейся первой оптической осью О-О всей лазерной системы. Эта первая оптическая ось О-О проходит между первым и вторым адаптерами 7, 8 оптического волокна. Внутри открытого оптического резонатора вблизи второго резонаторного зеркала 6 расположен управляемый оптический ослабитель 9, который может быть выполнен, например, на основе акустооптической ячейки или с использованием иного метода, известного специалистам.
1
2
3
4
5
3
4
Первая оптическая ось О-О пересекается под заданным углом α со второй оптической осью О-О в точке О между первым лазерным генератором 3 и управляемым оптическим ослабителем 9. Угол α, как показано далее, может принимать значения в диапазоне от 30 до 120 градусов. Вторая оптическая ось О-О проходит между первым отражательным зеркалом 10, первой линзой 11 и заканчивается в третьем адаптере 12 оптического волокна.
Первый, третий и второй адаптеры 7, 12, 8 оптического волокна через, соответственно, первую-третью волоконно-оптические линии 13-15 связи соединены, соответственно, с четвертым-шестым адаптерами 16-18 оптического волокна. Четвертый адаптер 16 оптического волокна через установленные последовательно первое полупрозрачное зеркало 19 и первый управляемый спектральный фильтр 20 оптически связан с первым фотоприемным блоком 21. Аналогично, пятый адаптер 17 оптического волокна через установленные последовательно второе полупрозрачное зеркало 22 и второй управляемый спектральный фильтр 23 оптически связан со вторым фотоприемным блоком 24, а шестой адаптер 18 оптического волокна через установленные последовательно третье полупрозрачное зеркало 25 и третий управляемый спектральный фильтр 26 оптически связан с третьим фотоприемным блоком 27.
Система по настоящему изобретению содержит далее второй лазерный генератор 28, выход которого оптически связан через четвертое полупрозрачное зеркало 29 и второе отражающее зеркало 30 со входом измерителя 31 лазерного излучения. Кроме того, выход второго лазерного генератора 28 после четвертого полупрозрачного зеркала 29 оптически связан через первое полупрозрачное зеркало 19 с четвертым адаптером 16 оптического волокна. Пятый адаптер 17 оптического волокна через второе полупрозрачное зеркало 22 оптически связан посредством установленных последовательно первой дифракционной решетки 32 и второй линзы 33 с первой линейкой 34 фотоприемников, а шестой адаптер 18 оптического волокна через третье полупрозрачное зеркало 25 оптически связан посредством установленных последовательно второй дифракционной решетки 35 и третьей линзы 36 со второй линейкой 37 фотоприемников. Первая и вторая линейки 34, 37 фотоприемников подключены, соответственно, к первому и второму управляющим блокам 38, 39. Эти блоки могут быть выполнены, например, на основе стандартных электронных усилителей, блоков оцифровки сигналов и блоков сопряжения с компьютером, как это известно специалистам.
Система по настоящему изобретению содержит также блок 40 обработки и управления, с соответствующими входами которого соединены выходы первого-третьего фотоприемных блоков 21, 24, 27, первого и второго управляющих блоков 38, 39 и измерителя 31 лазерного излучения. Соответствующие выходы блока 40 обработки и управления подключены к управляющим входам блока 4 накачки, управляемого оптического ослабителя 9, второго лазерного генератора 28 и первого-третьего управляемых спектральных фильтров 20, 23, 26, каждый из которых может быть выполнен на основе акустооптической ячейки либо иного средства, известного специалистам. Блок 40 обработки и управления может быть реализован, к примеру, на основе персонального компьютера с соответствующей программой или аппаратного средства со структурой, обеспечивающей возможность выполнения описанных далее операций.
Каждый из первого и второго лазерных генераторов 3, 28 может быть выполнен с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.
Измерительный блок-контейнер 2 может быть связан посредством третьего трубопровода 43 с баллоном 47 с эталонной газовой смесью. Кроме того, измерительный блок-контейнер 2 может быть связан посредством четвертого трубопровода 44 с баллоном 48 для поглощения газов.
Вместе с тем, измерительный блок-контейнер 2 может быть связан посредством пятого и шестого трубопроводов 45 и 46 с окружающим помещением, не являющимся техническим помещением 1.
Каждый из трубопроводов 41-46 может быть снабжен управляемым вентилем 49-54, соответственно. Помимо этого, каждый трубопровод, за исключением третьего трубопровода 43, может быть снабжен управляемым вентилятором 55-59, соответственно. В третьем трубопроводе 43 вентилятор не требуется, поскольку эталонная газовая смесь находится в баллоне 47 под давлением выше атмосферного.
Все находящиеся в трубопроводах 41-46 вентили 49-54 и вентиляторы 55-59 выполнены управляемыми по внешним сигналам управления и подключены к блоку 40 обработки и управления. На Фиг. 1 эти подключения не показаны для упрощения чертежа схемы.
Принцип действия данной лазерной системы основан на непрерывном мониторинге внутренней атмосферы технического помещения 1, в котором расположен ядерный реактор. Основным измерительным элементом лазерной системы является измерительный блок-контейнер 2, представляющий собой герметичный технологический объем (герметичную камеру), в котором расположены открытый оптический резонатор, образованный первым и вторым зеркалами 5, 6 резонатора, первый лазерный генератор 3 с блоком 4 накачки, управляемый ослабитель 9, а также первое отражательное зеркало 10 и первая линза 11. Технологический (внутренний) объем измерительного блока-контейнера 2 связан с внутренним объемом помещения 1, в котором расположен ядерный реактор, с помощью двух трубопроводов: первого трубопровода 41 и второго трубопровода 42. Указанные трубопроводы обеспечивают заполнение внутреннего объема измерительного блока-контейнера 2 воздухом из атмосферы технического помещения 1, с расположенным в нем ядерным реактором. Для обеспечения закачки (наполнения) внутреннего объема измерительного блока-контейнера 2 атмосферой технического помещения 1 указанные трубопроводы 41 и 42 снабжены вентиляторами 55, 56 и вентилями 49, 50. Нормальное рабочее положение этих управляемых вентилей является закрытым. Вентили 49, 50 открываются строго по управляющим сигналам от блока 40 при осуществлении закачки в объем измерительного блока-контейнера 2 атмосферы из соответствующего помещения расположения ядерного реактора 1, из помещения, в котором расположен измерительный блок-контейнер 2, или из баллона 47 с эталонной газовой смесью.
Мониторинг атмосферы технического помещения 1 осуществляется путем анализа характеристик газового состава в объеме измерительного блока-контейнера 2 посредством просвечивания этого объема лазерным излучением, генерируемым первым лазерным генератором 3. В результате лазерное излучение взаимодействует с газообразным веществом внутри объема измерительного блока-контейнера 2. Результаты этого взаимодействия регистрируются последующими измерительными блоками лазерной системы, с которыми измерительный блок-контейнер 2 связан посредством первой-третьей 13-15 волоконно-оптических линий. При этом внутри измерительного блока-контейнера 2 находятся адаптеры 7, 12 и 8 оптического волокна указанных волоконно-оптических линий. Первый и второй адаптер 7, 8 оптического волокна оптически связаны, соответственно с первым и вторым зеркалами 5, 6 открытого оптического резонатора, а третий адаптер 12 оптического волокна оптически связан с первой линзой 11. Таким образом, образующееся при взаимодействии лазерного излучения от первого лазерного генератора 3 с внутренней газовой средой в объеме измерительного блока-контейнера 2 вторичное оптическое излучение поступает по трем волоконно-оптическим линиям 13-15 к последующей измерительной аппаратуре лазерной системы.
В лазерной системе по настоящему изобретению анализ и измерение характеристик газовой среды в объеме блока-контейнера 2 осуществляется с использованием двух различных эффектов взаимодействия лазерного излучения с веществом и, соответственно, двух методов измерений.
1
2
Первым эффектом, используемым в измерительном процессе определения характеристик газовой среды в блоке-контейнере 2, является эффект поглощения лазерного излучения при его прохождении через исследуемую газовую среду. На основании этого эффекта разработан и используется в лазерной системе по настоящему изобретению абсорбционно-спектральный метод определения характеристик и состава газовой среды в блоке-контейнере 2. Генерируемый первым лазерным генератором 3 импульс лазерного излучения (ЛИ) проходит вдоль первой оптической оси О-О через слой газовой среды и подвергается ослаблению в результате взаимодействия ЛИ с веществом в газовой фазе, содержащимся в объеме измерительного блока-контейнера 2. Далее ослабленный импульс ЛИ проходит через второе зеркало 6 открытого резонатора, поступает во второй адаптер 8 оптического волокна и далее по третьей волоконно-оптической линии 15 поступает на оптический вход третьего управляемого спектрального фильтра 26 и одновременно через третье полупрозрачное зеркало 25 поступает на вторую дифракционную решетку 35. Далее осуществляется обработка и регистрация информации, содержащейся в этом импульсе ЛИ.
1
2
6
7
6
7
Вторым эффектом, используемым в измерительном процессе определения характеристик газовой среды в объеме блока-контейнера 2, является эффект возбуждения флуоресценции при взаимодействии ЛИ с веществом в газовой фазе. В этом случае импульс ЛИ, генерируемый или усиливаемый в первом лазерном генераторе 3 при прохождении вдоль первой оптической оси O-O (между точками O-O) возбуждает флуоресценцию вещества в газовой фазе, находящегося в объеме измерительного блока-контейнера 2. Флуоресцентное излучение распространяется от оптической оси О-О во все стороны равномерно. Возникающее флуоресцентное излучение улавливается первой линзой 11 и поступает на оптический вход третьего адаптера 12 оптического волокна и далее по второй волоконно-оптической линии 14 излучение поступает на оптический вход второго управляемого спектрального фильтра 23. Первое отражательное зеркало 10 служит для дополнительного отражения возникающего флуоресцентного излучения на вход первой линзы 11. Одновременно указанное излучение поступает через второе полупрозрачное зеркало 22 на первую дифракционную решетку 32. Далее осуществляется обработка данного излучения и регистрация заключенной в нем информации.
Таким образом, измерение характеристик газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2 осуществляется с использованием двух различных методов, основанных на двух различных физических эффектах. Проведение измерений на основе двух указанных методов осуществляется последовательно во времени, с промежутком не более одной секунды. При этом в первом измерительном методе (процессе) первый лазерный генератор 3 используется для генерации импульса ЛИ, подвергающегося ослаблению при прохождении через исследуемую газовую среду. Во втором методе первый лазерный генератор 3 может использоваться для генерации импульса ЛИ, возбуждающего флуоресценцию в газовой среде. Во втором варианте осуществления второго метода первый лазерный генератор 3 может использоваться как усилитель мощности импульса ЛИ, который генерирует второй лазерный генератор 28. При этом управляемый оптический ослабитель 9 осуществляет дополнительные функции при формировании импульса ЛИ как в первом, так и во втором методе. Использование двух различных методов, основанных на двух различных физических эффектах при анализе характеристик одной и той же газовой среды, позволяет повысить точность измерений и увеличить доверительность (достоверность) получаемой информации о параметрах газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2 и, соответственно, в атмосфере технического помещения 1, в котором расположен ядерный реактор. Повышение точности измерений и доверительности получаемой информации имеет важное значение при осуществлении анализа состояния (режима работы) ядерного реактора и принятии решений на основе этой информации.
Реализация измерительного процесса в лазерной системе по настоящему изобретению осуществляется на основе сравнения результатов измерения газовой атмосферы в контролируемом техническом помещении с параметрами эталонной газовой смеси, измерение которой также осуществляется в данной лазерной системе. В целом измерительный процесс состоит из трех этапов проведения измерений:
1) Осуществление измерений параметров атмосферы в контролируемом техническом помещении 1 расположения ядерного реактора;
2) Осуществлении измерений параметров эталонной газовой смеси из баллона 47 с эталонной газовой смесью;
3) Осуществление измерений параметров атмосферы в помещении, в котором расположен измерительный блок-контейнер 2.
Данные измерения могут осуществляться в любой последовательности. Для проведения измерений в измерительный блок-контейнер 2 закачивается атмосфера из соответствующего помещения или из баллона 47 с эталонным газом. При этом предыдущая атмосфера из объема измерительного блока-контейнера 2 удаляется в баллон 48 для поглощения газовых смесей. Для выполнения процедур наполнения объема измерительного блока-контейнера 2 соответствующей атмосферой и удаления этой атмосферы после измерения ее параметров служат вентили 51 -54 и вентиляторы 57-59, расположенные в соответствующих трубопроводах 43-46. Собственно процесс измерения параметров атмосферы в блоке-контейнере 2 одинаков для всех трех этапов измерений. Результаты измерений параметров атмосферы на всех трех этапах поступают в блок 40 обработки и управления и в нем накапливаются. Далее на основе сравнения результатов измерений на всех трех этапах вырабатывается решение о параметрах атмосферы в контролируемом помещении 1. Эта информация из блока 40 обработки и управления поступает на пульт управления ядерным реактором (не показано).
Процесс измерения параметров атмосферы в измерительном блоке-контейнере 2 осуществляется следующим образом. Вначале осуществляется измерение параметров атмосферы на основе первого указанного выше абсорбционного метода, при котором измеряются результаты взаимодействия импульса ЛИ, генерируемого первым лазерным генератором 1, с газовой средой в объеме измерительного блока-контейнера 2.
126
127
129
126
Данный метод, называемый также методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, отличается тем, что исследуемая газовая среда находится внутри открытого резонатора перестраиваемого по частоте первого лазерного генератора 3. В соответствии со своим характерным для данной газовой среды спектром поглощения она вносит в данный резонатор дополнительные селективные потери. В результате генерация лазерного излучения существенно уменьшается на тех модах резонатора и длинах волн генерируемого лазерного излучения, которые совпадают с линиями поглощения вещества газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2. Для измерения концентрации молекулярного йода I, а также радиоактивных изотопов йода I, I первый лазерный генератор 3 настраивается на генерацию зондирующего импульса лазерного излучения с длиной волны, соответствующей какому-либо одному из указанных изотопов йода или основного молекулярного йода I. В спектре генерации лазерного излучения первого лазерного генератора 3 наблюдаются провалы на длинах волн (или на одной длине волны), соответствующих спектральным линиям поглощения оптического излучения вещества газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2. При этом в отличие от абсорбционного метода, где поглощение газовой среды измеряется при однократном проходе импульса ЛИ через исследуемую среду, в данном внутрирезонаторном методе за время импульса лазерного излучения, генерируемого первым лазерным генератором 3, лазерное излучение многократно проходит через исследуемую газовую среду между первым и вторым зеркалами 5 и 6 открытого оптического резонатора.
1
2
6
7
1
2
6
7
Собственно измеряемый слой газовой среды в измерительном блоке-контейнере 2 расположен на первой оптической оси О-О между первым лазерным генератором 3 и управляемым оптическим ослабителем 9 (между точками О и О на первой оптической оси О-О.). Расстояние между точками О и О является основным рабочим отрезком измерительного блока-контейнера 2 и может составлять величину L = 0,5-1 м. Многократный проход импульса лазерного излучения через исследуемую газовую среду является основным фактором, обеспечивающим высокую чувствительность данного внутрирезонаторного метода измерения характеристик газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2. Для количественного измерения показателя поглощения импульса лазерного излучения в исследуемой газовой среде осуществляется регистрация данного импульса ЛИ с помощью третьего фотоприемного блока 27 с разверткой во времени, а также осуществляется регистрация всего оптического спектра генерируемого импульса ЛИ с помощью второй линейки 37 фотоприемников. При этом генерируемый импульс лазерного излучения с выхода второго зеркала 6 открытого резонатора посредством второго адаптера 8 оптического волокна и третьей волоконно-оптической линии 15 поступает на оптический вход третьего управляемого спектрального фильтра 26 и одновременно поступает на вторую дифракционную решетку 35, которая формирует оптический спектр импульса ЛИ на входе третьей линзы 36. Последняя переносит сформированный оптический спектр импульса ЛИ в плоскость фоточувствительной площадки второй линейки 37 фотоприемников. В результате весь панорамный оптический спектр ЛИ регистрируется второй линейкой 37 фотоприемников и через второй блок 39 управления этой линейкой фотоприемников поступает в блок 40 обработки и управления.
1
1
1
1
1
1
-11
-1
Третий управляемый спектральный фильтр 26 выделяет какую-либо заданную узкую спектральную полосу в генерируемом импульсе ЛИ, которая регистрируется в третьем фотоприемном блоке 27 и далее также поступает в блок 40 обработки и управления. В результате поглощения генерируемого ЛИ при многократном прохождении через исследуемую газовую среду в спектре импульса ЛИ образуется провал на длине волны линии поглощения этой газовой среды. Данный провал характеризует уровень концентрации соответствующего вещества в составе газовой среды и используется для обнаружения этого вещества и определения его концентрации. Следует отметить, что уменьшение мощности лазерного излучения в пределах линии поглощения газовой среды с ростом оптической толщины, т.е. с увеличением пройденного пути, описывается экспоненциальным законом. Поэтому если за промежуток времени импульса ЛИ, равного t, глубина провала в спектре изменилась в е раз, то показатель поглощения κ равен κ=1/(ct), где с - скорость света. Отсюда видно, что чем больше длительность импульса генерируемого лазерного излучения в такой внутрирезонаторной схеме, включающей первый лазерный генератор 3, открытый оптический резонатор с зеркалами 5 и 6 резонатора и исследуемую газовую среду внутри объема измерительного блока-контейнера 2, тем меньшие величины показателя поглощения κ можно обнаружить при регистрации спектра и параметров импульса лазерного излучения с помощью третьего фотоприемного блока 27, второй линейки 37 фотоприемников, третьего управляемого спектрального фильтра 26 и второй дифракционной решетки 35. Теоретический предел чувствительности используемого на данном этапе измерений метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии составляет 10 см (в единицах измеряемого показателя поглощения ЛИ κ в газовой среде).
Отсюда также следует, что для увеличения чувствительности используемого метода необходимо увеличивать длительность импульса генерируемого лазерного излучения в первом лазерном генераторе 3. Для этого в лазерной системе по настоящему изобретению перед проведением измерений осуществляется настройка первого лазерного генератора 3 на режим генерации оптимального лазерного импульса. При этом осуществляется удлинение импульса по времени и укорочение (обострение) переднего и заднего фронтов импульса ЛИ. Для выполнения этой настройки в блок 4 накачки первого лазерного генератора 3 от блока 40 обработки и управления подаются соответствующие управляющие сигналы для формирования импульса накачки соответствующей увеличенной длительности, обеспечивающей соответственно увеличенную длительность генерируемого импульса лазерного излучения в первом лазерном генераторе 3. Контроль длительности и формы генерируемого импульса ЛИ осуществляется в блоке 40 обработки и управления, куда импульс ЛИ поступает с выхода третьего фотоприемного блока 27. При этом третий управляемый спектральный фильтр 26 находится в выключенном состоянии и пропускает весь спектр импульса ЛИ без изменений на вход третьего фотоприемного блока 27.
Дополнительно форма импульса генерируемого ЛИ корректируется с помощью управляемого оптического ослабителя 9, в управляющий блок которого (входит в состав управляемого оптического ослабителя 9) также поступают соответствующие управляющие сигналы от блока 40 обработки и управления. Управляемый оптический ослабитель 9 может быть выполнен на основе акустооптической управляемой ячейки, которая при прохождении через нее импульса ЛИ обеспечивает введение дополнительных потерь в моменты времени, соответствующие переднему фронту импульса и заднему фронту импульса. Это обеспечивается высоким быстродействием акустооптической ячейки, представляющей собой быстродействующий управляемый модулятор света, проходящего через эту ячейку. В результате обеспечивается укорочение переднего и заднего фронтов импульса ЛИ, генерируемого в первом лазерном генераторе 3, и данный импульс приобретает более эффективную П-образную форму.
После настройки параметров генерируемого импульса ЛИ осуществляется проведение измерений по методу внутрирезонаторной спектроскопии. Полный цикл таких измерений характеристик газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2 осуществляется за время генерации и действия одного импульса ЛИ. При этом, как было отмечено, с помощью второй дифракционной решетки 35 и второй линейки фотоприемников 37 регистрируется панорамный оптический спектр сформированного импульса ЛИ (зондирующего импульса). С помощью первого и третьего фотоприемных блоков 21, 27 и первого и третьего управляемых спектральных фильтров 20 и 26 регистрируется уровень оптического сигнала в двух заданных точках спектра импульса ЛИ, например, в центре линии поглощения исследуемого вещества (газообразного йода) и на некотором расстоянии от центра линии поглощения. Для этого на соответствующие участки спектра импульса ЛИ настраиваются первый и третий управляемые спектральные фильтры 20 и 26. В результате обеспечивается измерение с высокой точностью указанного выше провала в спектральной характеристике импульса ЛИ, обусловленного наличием соответствующего вещества, например, газообразного йода, в объеме измерительного блока-контейнера 2. На оптический вход первого управляемого спектрального фильтра 20 генерируемый импульс лазерного излучения поступает по первой волоконно-оптической линии 13, адаптер 7 оптического волокна которой оптически связан с первым зеркалом 5 открытого оптического резонатора, расположенного в измерительном блоке-контейнере 2. Другой адаптер 16 оптического волокна первой волоконно-оптической линии 13 оптически связан с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра 20.
6
7
6
7
6
7
Таким образом, в результате указанных действий первый и третий управляемые спектральные фильтры 20 и 26, вторая дифракционная решетка 35, первый и третий фотоприемные блоки 21, 27 и вторая линейка 37 фотоприемников осуществляют формирование и регистрацию спектральной характеристики генерируемого и сформированного импульса лазерного излучения, в параметрах которого заключена информация о характеристиках газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2. Для повышения точности и надежности измерений процедура измерений параметров импульса ЛИ повторяется несколько раз для нескольких генерируемых импульсов ЛИ. Информация о параметрах генерируемых импульсов ЛИ накапливается в блоке 40 обработки и управления. На этом первый этап измерений на основе первого метода заканчивается и далее начинается второй этап измерений, основанных на использовании метода измерения флуоресценции вещества при воздействии (возбуждении) лазерным излучением. В этом этапе измерений используется импульс ЛИ, генерируемый вторым лазерным генератором 28, а первый лазерный генератор 3 работает в режиме усилителя мощности импульса ЛИ, поступающего в первый лазерный генератор 3 с выхода второго лазерного генератора 28 через первое полупрозрачное зеркало 19, четвертый адаптер 16 оптического волокна, первую волоконно-оптическую линию 13, первый адаптер 7 оптического волокна и первое зеркало 5 открытого оптического резонатора. Усиленный импульс зондирующего ЛИ с оптического выхода первого лазерного генератора 3 проходит вдоль первой оптической оси от точки О до точки О и возбуждает флуоресцентное излучение в слое вещества в газовой фазе в объеме измерительного блока-контейнера 2 вдоль указанной оптической оси О-О. Возникающее флуоресцентное излучение улавливается первой линзой 11 и далее через третий адаптер 12 оптического волокна, вторую волоконно-оптическую линию 14 и пятый адаптер 17 оптического волокна поступает на оптический вход второго управляемого спектрального фильтра 23. Одновременно данное излучение с выхода пятого адаптера 17 оптического волокна через второе полупрозрачное зеркало 22 поступает на первую дифракционную решетку 32. Последняя формирует панорамный оптический спектр флуоресцентного излучения, поступающего на оптический вход третьего адаптера 12 оптического волокна от первой линзы 11 и образующегося в результате возбуждения этого излучения лазерным импульсом с выхода первого лазерного генератора 3, распространяющегося вдоль первой оптической оси от точки О к точке О. При этом управляемый оптический ослабитель 9 по сигналам управления от блока 40 обработки и управления переводится в режим наибольшего ослабления проходящего через него излучения для блокировки распространения импульса лазерного излучения до второго зеркала 6 резонатора и его обратного распространения с целью исключения рассеянного излучения от лазерного импульса в газовой среде в объеме измерительного блока-контейнера 2.
129
127
126
Флуоресцентное излучение возникает через некоторое короткое время после воздействия (прохождения) короткого возбуждающего импульса ЛИ и действует некоторое время, когда рассеянное излучение затухает. При этом возникающее флуоресцентное излучение имеет различие по спектру относительно длины волны возбуждающего импульса ЛИ от первого лазерного генератора 3. Поэтому для исключения влияния остаточного рассеянного лазерного излучения второй управляемый спектральный фильтр 23 настроен на пропускание спектральной полосы возникающего флуоресцентного излучения и блокирует длину волны, соответствующую длине волны возбуждающего импульса ЛИ от первого лазерного генератора 3. Кроме того первая линейка 34 фотоприемников имеет в своем составе перед каждым фотоприемником заграждающие фильтры, препятствующие прохождению рассеянного излучения на длине волны возбуждающего импульса ЛИ. Для регистрации флуоресценции молекулярного йода длину волны возбуждающего импульса лазерного излучения выбирают в диапазоне 632-636 нм, что соответствует линиям максимального поглощения оптического излучения изотопов йода I, I, а также максимальной линии поглощения стабильного йода I. Флуоресцентное излучение имеет спектральный диапазон 640-800 нм, на который настраивается второй управляемый спектральный фильтр 23. Регистрация возникающего флуоресцентного излучения осуществляется вторым фотоприемным блоком 24 и первой линейкой 34 фотоприемников.
Собственно определение концентрации измеряемой составляющей газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2 осуществляется следующими двумя способами.
Первый способ заключается в прямом вычислении концентрации газовой составляющей, например, молекулярного йода исходя из следующего соотношения:
где S - интенсивность сигнала (уровня) флуоресценции, зарегистрированная вторым фотоприемным блоком 24 при возбуждении зондирующим ЛИ соответствующей длины волны для каждой из трех указанных составляющих молекулярного йода по отдельности в указанном выше диапазоне и соответствующая максимуму поглощения какого-либо из изотопов радиоактивного йода или центру поглощения стабильного йода;
С - концентрация молекулярного йода;
n - градуировочный коэффициент.
Отсюда концентрация соответствующего изотопа йода, или общая концентрация молекулярного йода вычисляется по следующей формуле:
Вычисления по формулам (1) и (2) осуществляются на основе известных методов определения концентраций веществ в газовой фазе на основе исследования возбужденной флуоресценции с использованием специально разработанной системы поправочных и градуировочных коэффициентов.
Вторым способом определения концентрации молекулярного йода в газовой фазе в объеме измерительного блока-контейнера 2 является прямое сравнение уровней флуоресценции от эталонной газовой смеси из баллона 47 и от исследуемой газовой среды из помещения 1 при возбуждении импульсом лазерного излучения на одной и той же длине волны и с одинаковыми параметрами интенсивности этого импульса. При этом контроль параметров возбуждающего импульса ЛИ осуществляется с помощью измерителя 31 лазерного излучения, а также с помощью первого фотоприемного блока 21, в который попадает обратный сигнал от первого лазерного генератора 3, работающего в этом случае, как было указано, в режиме усилителя мощности ЛИ. Концентрация составляющей молекулярного йода определяется в этом случае по следующей формуле на основе сравнения интенсивностей флуоресценции от эталонной газовой смеси и от газовой среды из помещения 1:
1
где С - концентрация молекулярного йода исследуемой газовой среды,
э
С - концентрация молекулярного йода в эталонной газовой смеси из баллона 47,
1
э
S и S - соответственно, интенсивности сигналов флуоресценции от исследуемой атмосферы помещения 1 и от эталонной газовой смеси из баллона 47 при одинаковых параметрах возбуждающих импульсов лазерного излучения.
Полученная информация накапливается в блоке 40 обработки и управления. Изменение длины волны возбуждающего импульса лазерного излучения в указанном выше диапазоне длин волн осуществляют во втором лазерном генераторе 28, который обеспечивает возможность перестройки длины волны импульса генерируемого ЛИ по управляющим сигналам от блока 40 обработки и управления. Первый лазерный генератор 3, как было указано, работает в режиме усиления мощности импульса лазерного излучения. Изложенная процедура измерения параметров газовой среды на основе регистрации и измерения флуоресцентного излучения осуществляется для каждого из трех вариантов заполнения объема измерительного блока-контейнера 2: эталонной газовой смесью от баллона 47, атмосферой из помещения 1, а также атмосферой из помещения, в котором расположен собственно измерительный блок-контейнер 2. Далее в блоке 40 обработки и управления осуществляется обработка и сравнение полученных результатов измерения характеристик газовой среды по двум методам измерений и осуществляется принятие решения о параметрах газовой среды в помещении 1. Сформированная на основе этого решения информация передается на пульт управления ядерным реактором. На этом цикл измерения параметров газовой среды в трех вариантах заполнения объема измерительного блока-контейнера 2 и по двум методикам измерений завершается.
В лазерной системе по настоящему изобретению возможно осуществление измерений по нескольким алгоритмам. Далее рассмотрим некоторые варианты реализации первого метода (методики) осуществления измерений параметров газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2.
0
Первый метод измерения основан, как было указано выше, на абсорбционно-спектральном методе определения величины поглощения оптического излучения определенной длины волны при его прохождении через исследуемое вещество - газовую атмосферу в измерительном блоке-контейнере 2. При использовании данного метода, называемого также фотометрическим методом, измеряется величина уровня ослабления лазерного излучения I соответствующей длины волны при его прохождении через измеряемый объем газовой среды. Величину концентрации С газовой составляющей, например, молекулярного йода можно определить в этом случае по следующей хорошо известной формуле:
0
6
7
где V - величина, на которую уменьшается световой поток при прохождении слоя исследуемого вещества с толщиной (длиной) L: V = I - I, К - удельное светопоглощение конкретного газа - в данном случае газообразного молекулярного йода (параметр, характеризующий способность молекулы йода поглощать оптическое излучение определенной длины волны). Размерность К - л/г/см. Размерность С - г/л. Параметр L является длиной открытого оптического резонатора. Длина L - расстояние между точками О и O на первой оптической оси. Данная формула характеризует измерительный процесс при однократном прохождении зондирующего ЛИ через исследуемую газовую среду.
Формула (4) является основной для определения концентрации С вещества в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известна в технической литературе. Однако чувствительность измерительного процесса (метода) при однократном проходе через измерительную среду является невысокой и недостаточной. Для измерения малых концентраций молекулярного йода, на начальном этапе работы вновь загруженного ядерного реактора, используется специальный режим измерений. Данный специальный режим измерений является модифицированным абсорбционным методом измерений и характеризуется многократным прохождением лазерного измерительного зондирующего импульса через исследуемый слой газовой среды в измерительном блоке-контейнере 2. При этом используется лазерный зондирующий импульс короткой длительности, который формирует (генерирует) второй лазерный генератор 28. Первый лазерный генератор 3 в этом методе измерений не используется, или работает в режиме усиления мощности первого зондирующего импульса ЛИ, поступающего на его оптический вход от первого зеркала 5 открытого резонатора и, соответственно, от первого адаптера 7 оптического волокна через первую волоконно-оптическую линию 13 и от первого полупрозрачного зеркала 19. Управляемый оптический ослабитель 9 в этом режиме измерений также не используется и пропускает без ослабления образующуюся серию импульсов лазерного излучения.
0
Измерение концентрации молекулярного йода в атмосфере объема измерительного блока-контейнера 2 осуществляется на основе сравнения амплитуды импульса I(N) зондирующего лазерного излучения, прошедшего через открытый оптический резонатор между зеркалами 5 и 6 2N раз, с амплитудой I импульса лазерного излучения, прошедшего один раз через слой газовой среды, т.е. амплитудой первого импульса из серии импульсов ЛИ, многократно прошедших через открытый оптический резонатор между зеркалами 5 и 6 и зарегистрированного третьим фотоприемным блоком 27 в серии импульсов, образующихся на выходе второго зеркала 6 оптического резонатора в результате многократного прохождения первого исходного зондирующего импульса ЛИ через объем газовой среды в измерительном блоке-контейнере 2. Формула для определения концентрации молекулярного йода С в составе атмосферы объема измерительного блока-контейнера 2 на основе амплитуды I(N) N-го импульса зондирующего лазерного излучения приобретает следующий вид:
Здесь в качестве величины I следует подставлять значение величины измеренного импульса зондирующего лазерного излучения с номером N: I=I(N). Измерение амплитуды данного импульса осуществляет третий фотоприемный блок 27. Как следует из формулы (5), чувствительность лазерной системы измерений возросла в 2N раз, что обусловлено увеличением в N раз длины пути прохождения зондирующего импульса лазерного излучения через исследуемый слой газовой среды. Это позволяет обеспечить измерение в техническом помещении 1, в котором расположен ядерный реактор, весьма малых концентраций продуктов деления урана в газообразной форме, например, молекулярного йода, образующегося при возникновении аварийной ситуации.
Таким образом, чувствительность лазерной системы по настоящему изобретению непосредственно зависит от возможного числа прохождений зондирующего импульса лазерного излучения через исследуемый объем газовой среды внутри открытого оптического резонатора в измерительном блоке-контейнере 2. Данная чувствительность ограничивается уровнем оптических потерь в оптическом открытом резонаторе. Для уменьшения и компенсации этих потерь в лазерной системе по настоящему изобретению используется первый лазерный генератор 3 и соответствующий метод проведения измерений параметров газовой среды с использованием этого лазерного генератора. Данный метод проведения измерений был изложен выше и является наиболее чувствительным методом, разработанным на основе измерения параметров зондирующего лазерного излучения при его прохождении и взаимодействии с веществом измеряемой газовой среды. Здесь так же, как и в предыдущем методе, чувствительность определяется длиной оптического пути, пройденного зондирующим лазерным импульсом через измеряемую газовую среду. При этом операция формирования импульса ЛИ (генерации импульса) и его многократного прохождения через исследуемую среду совмещены вследствие расположения первого лазерного генератора 3 и его открытого оптического резонатора (зеркала резонатора 5 и 6) непосредственно внутри исследуемой газовой среды в объеме измерительного блока-контейнера 2. В этом случае используется режим генерации длинного импульса в первом лазерном генераторе 3.
Как было показано выше, удлинение генерируемого импульса и меры по улучшению его формы обеспечивают увеличение чувствительности при использовании данного метода измерения параметров газовой среды. При использовании специальной настройки импульса накачки первого лазерного генератора 3 от блока 4 накачки и осуществлении коррекции формы импульса ЛИ с помощью управляемого оптического ослабителя 9 удается довести длительность генерируемого зондирующего импульса лазерного излучения в данной лазерной системе до величины t=20 мсек. За это время фотоны генерируемого лазерного излучения проходят в исследуемой газовой среде в измерительном блоке-контейнере 2 расстояние порядка 6000 км, что и обеспечивает значительное увеличение чувствительности по сравнению с однократным прохождением через исследуемую газовую среду на расстоянии одного метра. Измерение параметров газовой среды на основе данного метода основано на высокоточном определении поглощения лазерного зондирующего импульса на длине волны линии наибольшего поглощения в спектральной характеристике исследуемой газовой составляющей, например, молекулярного йода в его стабильном состоянии или в виде радиоактивного изотопа йода.
0
0
0
Как было указано, в спектральной характеристике зондирующего импульса ЛИ образуется провал на частоте линии поглощения, например, молекулярного йода. По величине этого провала определяется величина спектрального поглощения молекулярного йода в газовой составляющей в объеме измерительного блока-контейнера 2. Соответственно, по величине этого спектрального поглощения определяется концентрация молекул йода в газовой составляющей в объеме измерительного блока-контейнера 2, которая характеризует уровень проникновения в атмосферу помещения 1 продуктов деления урана в твэлах в ядерном реакторе и возможное наступление аварийной ситуации, в случае если концентрация молекул йода в объеме измерительного блока-контейнера 2 превысит некоторый заранее известный установленный регламентом опасный уровень. Измерение уровня провала в центре спектральной характеристики зондирующего импульса ЛИ осуществляется с помощью первого и третьего фотоприемных блоков 21 и 27, а также с помощью второй линейки 37 фотоприемников. Последняя регистрирует панорамный спектр сформированного импульса зондирующего лазерного излучения, поступающего по третьей волоконно-оптической линии 15. Третий управляемый спектральный фильтр 26 настроен на выделение линии поглощения ƒ в спектре молекулярного йода (или линии поглощения одного из радиоактивных изотопов йода). Первый управляемый спектральный фильтр 20 настроен на выделение окрестности в районе линии поглощения ƒ молекулярного йода, что обеспечивается небольшим сдвигом по спектру относительно центра линии поглощения. Таким образом, первый и третий фотоприемные блоки 21 и 27 измеряют указанный выше провал в центре спектра сформированного импульса зондирующего ЛИ. Интенсивность генерации ЛИ на частоте ƒ линии поглощения молекулярного йода изменяется со временем по закону Ламберта - Бугера-Бэра:
0
0
0
0
0
Здесь J(ƒt) - интенсивность генерации ЛИ в центре линии поглощения на частоте ƒ (во времени t), J(ƒt) - интенсивность генерации ЛИ в окрестности линии поглощения на частоте ƒ, κ(ƒ) - показатель поглощения молекулярного йода в центре его линии поглощения на частоте ƒ. Данный показатель поглощения связан известным образом с концентрацией молекулярного йода в объеме измерительного блока-контейнера 2, с - скорость света, t - время от начала генерации импульса лазерного излучения, то есть длительность импульса ЛИ.
0
0
Отношение интенсивности спектра генерации на частоте линии поглощения Н(ƒ) и в ее окрестности H согласно уравнению (6) имеет следующий вид:
0
0
0
-18
2
Из уравнения (7) по измеренной величине отношения Н(ƒ)/Н можно определить показатель поглощения κ=KC, а по нему определить и концентрацию С'=С/m молекулярного йода с массой молекулы т в объеме измерительного блока-контейнера 2 по следующей формуле, связывающей концентрацию молекулярного йода С' с показателем его поглощения на основной длине волны κ(ƒ) с сечением поглощения молекулярного йода σ, величина которого хорошо известна и экспериментально измерена - σ = 4,6×10 см:
0
0
0
Таким образом, в блоке 40 обработки и управления по поступившей от первого и третьего фотоприемных блоков 21 и 27 информации о величинах спектральных составляющих H(ƒ) и Н (т.е. информации о величине провала в центре спектральной характеристики импульса генерации лазерного зондирующего излучения), осуществляется расчет показателя поглощения κ(ƒ) молекулярного йода, а по нему по известным соотношениям определяется и собственно величина концентрации йода в газовом объеме в измерительном блоке-контейнере 2.
-11
-1
Проведены теоретические и экспериментальные исследования разработанного экспериментального опытного образца лазерной системы. Теоретическая оценка чувствительности лазерной системы при проведении измерений параметров газовой смеси, содержащей молекулярный йод по первому изложенному здесь методу внутрирезонаторной лазерной спектроскопии при использовании первого лазерного генератора 3 на основе красителей составляет порядка 10 см. Это позволяет обеспечить следующую чувствительность при обнаружении и регистрации молекулярного йода в единицах концентрации молекул йода в одном кубическом сантиметре:
6
7
Данная оценка получена на основании приведенных выше формул (7) и (8). При этом учтена длина L действующего отрезка расстояния активной зоны в измерительном блоке-контейнере 2: L=100 см (между точками О-О). Данный уровень обнаружения концентрации молекулярного йода на несколько порядков меньше предельно допустимой концентрации радиоактивных изотопов йода в стандартной атмосфере. Как было указано, такой же высокой чувствительностью обладает и второй используемый метод, основанный на регистрации флуоресценции молекулярного йода при воздействии зондирующего лазерного излучения. Таким образом, лазерная измерительная система по настоящему изобретению вследствие высокой чувствительности позволяет обеспечить обнаружение фактически предаварийного режима работы ядерного реактора, когда поступающие в атмосферу помещения 1 с ядерным реактором величины продуктов деления урана очень малы и не могут быть обнаружены каким-либо другими средствами, например, измерением уровня дополнительной радиации, вызываемой этими продуктами деления в помещении 1. Дополнительное измерение концентрации продуктов деления урана в газовой смеси в измерительном блоке-контейнере 2 с помощью второго измерительного метода, основанного на другом физическом эффекте, нежели первый метод измерения, позволяет повысить точность общей оценки концентрации молекулярного йода, а также существенно увеличить достоверность (доверительную вероятность) к получаемым очень малым значениям концентрации молекулярного йода в контролируемом помещении 1 с ядерным реактором.
Лазерная система по настоящему изобретению осуществляет мониторинг атмосферы в помещении 1 в течение всего времени работы ядерного реактора, начиная от первичной загрузки реактора ядерным топливом - тепловыделяющими элементами. При этом постоянное и непрерывное измерение параметров атмосферы в помещении 1 расположения ядерного реактора и в соседнем с ним помещении расположения измерительного блока-контейнера 2 позволяет сформировать в блоке 40 обработки и управления информационный портрет состояния атмосферы в контролируемых помещениях АЭС и динамики изменения этой атмосферы на значительном отрезке времени в ходе непрерывной работы ядерного реактора от периода загрузки твэлов до окончания цикла работы и перезагрузки ядерного реактора. Это позволяет с высокой степенью достоверности обнаружить предаварийный режим работы ядерного реактора, прогнозировать динамику изменения атмосферы при развитии этого предаварийного состояния и своевременно прогнозировать и обнаружить собственно аварийный режим работы ядерного реактора при реально существующей возможности такой ситуации вследствие изношенности оборудования реактора, например, твэлов.
-11
-1
В лазерной системе по настоящему изобретению возможна реализация еще одного алгоритма измерения малых величин концентрации молекулярного йода на основе измерения поглощения ЛИ при прохождении через исследуемую среду - молекулярный йод в газовой фазе. Это измерение поглощения йода осуществляется при работе первого лазерного генератора 3 в так называемом сверхрегенеративном режиме. В этом случае генерация лазерного излучения в первом лазерном генераторе 3 осуществляется с помощью короткого импульса накачки от блока 4 накачки. Далее осуществляется срыв генерации лазерного излучения путем привнесения в открытый резонатор большого уровня потерь с помощью управляемого оптического ослабителя 9. При этом осуществляется измерение параметров генерируемого импульса ЛИ от начала генерации до полного затухания импульса ЛИ. При этом в параметрах импульса ЛИ с высокой точностью отражается величина малых потерь, обусловленных небольшой концентрацией молекулярного йода. Теоретические оценки показывают, что чувствительность данного метода очень высока, порядка 10 см, что также позволяет использовать данный алгоритм и метод измерений для обнаружения начальной стадии развития аварийного режима работы ядерного реактора.
1
2
Экспериментальные исследования опытного образца данной лазерной системы проводились с использованием метода (режима) внутрирезонаторной лазерной спектроскопии без включения первого лазерного генератора 3. В этом режиме измерений второй лазерный генератор 28 осуществлял генерацию достаточно короткого импульса зондирующего ЛИ, который поступал через первое зеркало 5 в открытый оптический резонатор и многократно проходил по нему в прямом и обратном направлениях вдоль первой оптической оси О-О при отражениях от зеркал 5 и 6 резонатора. Далее серия образующейся последовательности коротких импульсов ЛИ через второе зеркало 6 резонатора поступала на регистрирующий третий фотоприемный блок 27. Длительность исходного импульса ЛИ, генерируемого вторым лазерным генератором 28, составляла порядка 100 пс, что позволяло по отдельности наблюдать и измерять каждый импульс в сформированной последовательности импульсов ЛИ на выходе из открытого оптического резонатора.
-7
-1
8
-3
На Фиг. 2 представлена осциллограмма такой серии импульсов ЛИ, зарегистрированная третьим фотоприемным блоком 27. Данная осциллограмма характеризует достигнутую чувствительность лазерной системы при измерении поглощения газовой составляющей, например, молекулярного йода, в объеме измерительного блока-контейнера 2. Как следует из этой осциллограммы, импульс лазерного излучения совершает порядка 250 оборотов по первой оптической оси между первым и вторым зеркалами 5, 6 открытого резонатора, о чем свидетельствует число импульсов в осциллограмме Фиг. 2. Последний хорошо разрешаемый и измеряемый импульс на осциллограмме соответствует номеру N=250, что характеризует увеличение чувствительности лазерной системы с многократным проходом ЛИ через измеряемую среду в 2N=500 раз. Чувствительность лазерной системы, измеренная по осциллограмме Фиг. 2, составляет κ=10 см. Отсюда по приведенным выше формулам для молекулярного йода при данной измеренной по осциллограмме чувствительности получаем следующий уровень чувствительности при обнаружении молекул йода для концентрации С в единицах числа обнаруживаемых частиц (молекул йода) в одном кубическом сантиметре: С=2×10 см. Данная концентрация йода примерно в два раза меньше предельно допустимой концентрации изотопов радиоактивного йода в стандартной окружающей атмосфере.
-5
-1
На Фиг. 3 представлена осциллограмма серии импульсов на выходе из открытого резонатора, зарегистрированная при внесении в объем измерительного блока-контейнера 2 в открытый оптический резонатор, образованный зеркалами 5 и 6, дополнительного поглощения, равного показателю экстинкции 3×10 см. Данное дополнительное поглощение может быть внесено, например, с помощью управляемого оптического ослабителя 9. Внесение ослабления ЛИ такого небольшого уровня может быть использовано для тестирования работы предлагаемой лазерной системы и контроля ее работы в режиме высокой чувствительности.
129
127
Таким образом, лазерная система по настоящему изобретению позволяет уверенно обнаруживать йод в атмосфере технических помещений АЭС, начиная от уровня меньшего, чем ПДК для радиоактивных изотопов йода даже при выключенном первом лазерном генераторе 3 в составе измерительного блока-контейнера 2, т.е. в режиме пустого резонатора, помещенного в исследуемую газовую среду. Для измерения концентраций изотопов йода I, и I необходимо настроить второй лазерный генератор 28 на генерацию длины волны, соответствующей центру линий изотопов йода. При включенном первом лазерном генераторе 3 чувствительность лазерной системы по настоящему изобретению, как было отмечено, многократно возрастает. При этом реализуемая чувствительность данной лазерной системы является настолько высокой, что позволяет осуществить измерение концентрации молекулярного йода, имеющегося в весьма малых количествах в естественной атмосфере Земли.
В лазерной системе по настоящему изобретению использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Лазерные генераторы и фотоприемники выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Оптические приборы и элементы, входящие в состав данной измерительной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические отражательные и полупрозрачные зеркала, волоконно-оптические линии с входящими в их состав адаптерами оптического волокна на диапазон от 200 нм до ИК диапазона, управляемые спектральные фильтры, выполненные на основе акустооптических ячеек, работающие в широком диапазоне длин волн от видимого до ультрафиолетового диапазона [9, 10]. Управляемые спектральные фильтры обеспечивают спектральную узкополосную фильтрацию зондирующего ЛИ перед его поступлением на входы фотоприемных блоков. Длина волны спектральной фильтрации задается сигналом управления от блока 40 обработки и управления и соответствует длине волны лазерного излучения, генерируемого в этот момент времени соответствующим лазерным генератором. Управляемые спектральные фильтры выполняют также функцию необходимого ослабления поступающего лазерного излучения, а также обеспечивают защиту фотоприемных блоков от высокого уровня интенсивности лазерного излучения в первый момент генерации импульса излучения лазерным генератором. Фотоприемные блоки 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. Для формирования оптических спектров импульсов лазерного излучения используются дифракционные решетки высокого разрешения, выпускаемые промышленностью. При этом могут использоваться дифракционные решетки отражательного типа (показаны на Фиг. 1), а также пропускающие излучение дифракционные решетки.
Блок 40 обработки и управления выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 40 обработки и управления выполняет функции обработки поступающей с выходов фотоприемных блоков информации, на основе которой осуществляется расчет и определение концентрации молекулярного йода или других составляющих атмосферы контролируемых технических помещений. Одновременно блок 40 осуществляет управление работой всех элементов и устройств лазерной системы измерений по соответствующей программе. Блок 40 обработки и управления содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами лазерной измерительной системы.
1
2
Волоконно-оптические линии 13-15 позволяют расположить основную измерительную аппаратуру лазерной системы по настоящему изобретению в безопасном помещении на расстоянии порядка 1000 метров от контролируемого технического помещения 1 с ядерным реактором. В качестве первого и второго лазерных генераторов 3 и 28 используются лазеры на красителях, перестраиваемые в широком диапазоне длин волн. В качестве блока 4 накачки может также использоваться лазерный генератор, параметры генерации которого управляются от блока 40 обработки и управления. Лазеры на красителях могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах и обеспечивают перестройку длины волны генерируемого ЛИ в широком диапазоне, что позволяет обеспечить различные режимы работы лазерной системы. Перспективным является использование в данной лазерной системе полупроводниковых лазеров, которые также могут работать в режиме перестройки частоты генерируемого лазерного излучения. Собственно первый лазерный генератор 3 представляет собой кювету с оптическими окнами, заполненную активным веществом, накачиваемым блоком 4 накачки, в качестве которого может использоваться также специальный лазерный генератор. Оптические зеркала 5 и 6 открытого резонатора первого лазерного генератора 3 показаны отдельно. Тем не менее, вся совокупность элементов 3-6 названа первым лазерным генератором, так как в этом блоке осуществляется усиление и генерация лазерного излучения при многократном проходе фотонов вдоль первой оптической оси О-О. Зеркала 5 и 6 открытого резонатора выполнены полупрозрачными и обеспечивают как многократное прохождение ЛИ при отражении от них, так и выход лазерного излучения из резонатора и поступление его в первую и третью волоконно-оптические линии 13, 15, а также поступление импульса лазерного излучения от второго лазерного генератора 28 через первое зеркало 5 открытого резонатора на оптический вход первого лазерного генератора 3.
Воздушные трубопроводы, используемые в данной лазерной системе, выполнены на основе стандартной газовой аппаратуры и снабжены запирающими управляемыми вентилями и нагнетающими вентиляторами. В третьем трубопроводе 43 вентилятор отсутствует, так как в баллоне 47 эталонная газовая смесь находится под некоторым давлением, которое при открывании вентиля 51 обеспечивает закачку газовой смеси из баллона без использования вентилятора.
Измерительный блок-контейнер 2 расположен в помещении, соседнем с техническим помещением 1 расположения ядерного реактора. Возможно размещение измерительного блока-контейнера 2 непосредственно в помещении 1 с ядерным реактором. В этом случае первый и второй трубопроводы 41 и 42 осуществляют соединение объема измерительного блока-контейнера 2 с помещением, соседним с указанным помещением 1. Связь объема измерительного блока-контейнера 2 с атмосферой помещения 1 осуществляется в этом случае через пятый и шестой трубопроводы 45 и 46.
Настоящее изобретение, во-первых, реализует непрерывный контроль состава атмосферы в двух технических помещениях атомной электростанции, в одном из которых расположен контролируемый ядерный реактор. Собственно контроль режима работы ядерного реактора осуществляется в отношении атмосферы технического помещения 1 расположения реактора. При наличии аварийного или предаварийного режима работы ядерного реактора в атмосферу этого помещения 1 начинают поступать продукты деления урана, обнаружение которых при весьма малой концентрации с помощью лазерной системы позволяет выявить эту нештатную ситуацию в работе ядерного реактора. Высокая чувствительность данной лазерной системы позволяет обеспечить своевременное обнаружение опасных концентраций молекулярного йода и других составляющих, образующихся при длительной работе ядерного реактора.
Применение для измерений состава атмосферы метода многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через контролируемый слой атмосферы в измерительном блоке-контейнере позволяет увеличить чувствительность и точность измерений параметров атмосферы.
Во-вторых, в настоящем изобретении реализуется измерение уровня концентрации молекулярного йода с помощью двух методов, основанных на двух различных физических эффектах, каждый из которых обладает высокой чувствительностью при определении концентраций газовых составляющих в газовой смеси. Действительно, при получении результатов измерений параметров атмосферы в техническом помещении АЭС в виде двух весьма малых концентраций газообразного йода, но различающихся не более чем на 15-20% при измерении двумя принципиально различающимися методами, достоверность и доверительность этих измерений существенно повышается. Таким образом, реализация высокого уровня чувствительности данной лазерной системы на основе использования двух различных физических эффектов и методов измерений позволяет существенно увеличить достоверность (доверительность) получаемой информации, что особенно важно при осуществлении контроля режимов работы ядерного энергетического реактора, особенно на ранних стадиях развития предаварийной и аварийной ситуации, а также для предотвращения возможности наступления аварийной ситуации высокого уровня.
Использование лазерной системы по настоящему изобретению 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 атмосферы непосредственно в помещениях расположения первого и второго контуров ядерного реактора, а также в других необслуживаемых помещениях, например, помещениях бассейнов для выдержки твэлов. При этом возможно определение концентрации не только молекулярного йода, но и других радионуклидов, образующихся при длительной работе ядерного реактора и воздействии радиации. Для обнаружения указанных веществ возможно использование всего спектра лазерного излучения от короткого ультрафиолета до инфракрасного излучения.
2) В необслуживаемых и полуобслуживаемых помещениях первого контура (зона строгого режима) устанавливается только измерительный блок-контейнер 2 герметичного исполнения. Остальное оборудование лазерной системы и устройства отображения информации могут быть вынесены в любое помещение АЭС на расстояние порядка 1000 метров от ядерного реактора за счет использования волоконно-оптических линий связи. Такая структура при высоком ресурсе работы оптических элементов позволит снизить радиационные нагрузки обслуживающего персонала АЭС.
3) Применение лазерной системы по настоящему изобретению позволяет своевременно организовать работы по предотвращению аварийной ситуации высокого уровня, а также осуществить непрерывный контроль уровня загрязнения технического помещения АЭС как во время работ по очистке атмосферы помещения от радиоактивного йода с помощью сорбционных фильтров, так и после проведения таких работ. При этом с высокой точностью оценивается эффективность проведения работ по очистке атмосферы и контроль дальнейшего состояния параметров атмосферы в течение всего срока работы загрузки твэлов в контролируемый ядерный реактор.
Лазерная система по настоящему изобретению может быть использована для мониторинга атмосферы окружающей среды и оперативного определения концентрации следующих молекулярных составляющих газов: сероводорода, двуокиси серы, двуокиси азота, окиси углерода, метана и метилмеркаптана. При этом обеспечивается чувствительность при определении указанных газовых компонентов в 100-200 раз более высокая, чем при использовании известных газоанализирующих средств.
Лазерная система по настоящему изобретению 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. Марченко З.И. Фотометрическое определение элементов. Москва. Мир. 1971.
2. Патент США №5750461, опубл. 12.05.1998.
3. Заявка Японии №2008134135, опубл. 12.06.2008
4. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектралъный фотометрический метод измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе контура охлаждения энергетического ядерного реактора. Атомная энергия, 2016, Т. 121, вып. 5, С. 265-269.
5. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный метод контроля характеристик теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Препринт ФИАН №12. М. 2015 г. 34 с.
6. Патент РФ №2594364, опубл. 20.08.2016.
7. Патент РФ №2606369, опубл. 10.01.2017.
8. Патент РФ №2705212, опубл. 06.11.2019 (ближайший аналог).
9. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М. Радио и связь. 1985. С. 134-234.
10. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985, Т.12, №4.
11. Лазарев Н.В., Астраханцев П.И. Химически вредные вещества в промышленности. Справочник Т.1 и Т.2. Госхимтехиздат.1933 г. Ленинград.