Устройство определения выгорания ядерного топлива

Заявляемая полезная модель относится к области неразрушающих методов контроля выгорания топлива и предназначена для определения выгорания ядерного топлива отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторов типа РБМК. Устройство включает блоки детектирования нейтронов (БДН), блоки детектирования гамма-излучения спектрометрические (БДС). В установку введены миниатюрные блоки детектирования гамма-излучения дозиметрические (БДД). С помощью БДД повышена точность и уменьшено время измерения выгорания топлива в ОТВС в области низких выгораний. Защитный слой из борированного полиэтилена вокруг блока детекторов защищает от фонового нейтронного излучения. Свинцовая оболочка БДН установлена для защиты предусилителей от гамма-излучения. Имеются полиэтиленовые замедлители нейтронов для повышения чувствительности к нейтронам БДН. Блоки детектирования расположены параллельно оси исследуемых тепловыделяющих сборок в основании для размещения блоков детектирования. Основание выполнено в виде цилиндрической конструкции и окружено слоем борированного полиэтилена. Все детекторы расположены под углом в горизонтальной плоскости. С помощью электромеханического манипулятора ампула с пучком твэлов (ПТ) ОТВС перемещается вдоль блоков детектирования непрерывно с заданной скоростью или с остановкой в фиксированных точках, равноудаленных друг относительно друга. Перемещение ампулы с ПТ ОТВС осуществляется по сигналу с блока управления устройства. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

Заявляемая полезная модель относится к области атомной энергетики, конкретно к области неразрушающих методов контроля выгорания топлива и предназначена для определения выгорания ядерного топлива отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторов типа РБМК в условиях камеры комплектации сухого хранилища ОЯТ (ХОТ-2) и в условиях «горячих» камер.

Выгоранием ядерного топлива является величина, равная количеству выделенной энергии при делении ядерного топлива в ОТВС в течение времени ее облучения в реакторе, деленному на начальную массу урана в ОТВС. Размерность выгорания - МВт·сут/кг и ГВт·сут/т.

Значения выгорания ядерного топлива могут использоваться:

- для обоснования ядерной и радиационной безопасности при:

- размещении ампул с ПТ(пучок твэл) ОТВС (ОТВС) в пеналы;

- загрузке ампул с ПТ ОТВС (ОТВС) в транспортные упаковочные комплекты.

- для системы учета и контроля ядерных материалов.

Диапазон измеряемых значений выгорания составляет 5-40 МВт·сут/кг, время от момента извлечения ОТВС из реактора до момента измерения выгорания (время выдержки ОТВС) должно составлять 2-50 лет.

К устройствам для неразрушающего метода контроля (НМК) выгорания топлива в топливных сборках предъявляются повышенные требования, связанные с необходимостью обеспечения ядерной и радиационной безопасности.

Использование системы по контролю выгорания ОЯТ (отработавшее ядерное топливо) позволяет реально контролировать состояние ядерной безопасности при хранении и транспортировке ядерного топлива и снижать финансовые, затраты при обращении с ОЯТ. При этом снижение финансовых затрат обусловлено увеличением загрузки облученного ядерного топлива в действующее оборудование (контейнеры сухого хранилища ОЯТ (СХОЯТ), транспортные контейнеры) или проектированием нового оборудования для ОЯТ.

В настоящее время для определения выгорания ядерного топлива получили распространение установки, в которых используется гамма-спектрометрический метод, основанный на регистрации -излучения продуктов деления (ПД) ОЯТ, и установки, в которых регистрируется собственное нейтронное излучение накопившихся в топливе актиноидов.

Недостатками этих установок являются ограниченность получаемой информации, а также недостаточная оперативность и точность измерений.

Ближайшим аналогом, взятым за прототип предлагаемой полезной модели, является установка, описанная в статье П.И.Федотова «Неразрушающие методы контроля выгорания и состава топлива ядерных реакторов» («Ежеквартальное журнальное обозрение» 6, декабрь 1991 г., с.22-25). Представленная установка для измерения выгорания ядерного топлива включает в себя контейнер под тепловыделяющую сборку, измерительный блок и механизм вертикального перемещения измерительного блока, содержащего детекторы измерения нейтронного потока и спектрометрического измерения гамма-излучения и регистрирующий блок. Недостатком прототипа являются: громоздкость регистрирующего оборудования, низкая точность измерения, большое время измерений, осложняющее использование метода при массовых измерениях выгорания на АЭС.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение оперативности определения выгорания ОТВС, точности и безопасности определения выгорания ядерного топлива.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство, включающее блоки детектирования нейтронов (БДН) и блоки детектирования гамма - излучения спектрометрические (БДС) в свинцовой защите с коллиматором с возможностью изменения места нахождения относительно исследуемой тепловыделяющей сборки.

Отличительной особенностью устройства является то, что в устройстве дополнительно установлены блоки детектирования гамма-излучения дозиметрические (БДД) в свинцовой защите с коллиматором, совмещенной в одном корпусе со свинцовой защитой БДС, БДН размещены в полиэтиленовой защите, а верхняя часть БДН размещена в свинцовой защите, при этом блоки детектирования расположены параллельно оси исследуемых тепловых сборок в основании для размещения блоков детектирования, которое выполнено в виде цилиндрической конструкции и окружено торцевыми и боковым слоем борированного полиэтилена, а все детекторы расположены под углом в горизонтальной плоскости. Кроме того, блок детектирования гамма излучения дозиметрический выполнен на основе миниатюрного алмазного детектора, а блок детектирования гамма излучения спектрометрический выполнен на основе миниатюрного CdZnTe детектора.

Кроме того, все детекторы расположены под углом 120 градусов в горизонтальной плоскости.

Кроме того, в верхней части основания размещены грибки для захвата основания электромеханическим манипулятором. Кроме того, в нижней части основания и верхней части опоры для размещения основания размещены ножевые разъемы для связи БДН, БДС и БДД с модулем электронным.

Блок детектирования гамма-излучения дозиметрический используется для измерения мощности дозы гамма-излучения, на основе которой вычисляется выгорание ядерного топлива

Введение в установку детекторов гамма-излучения дозиметрических позволяет повысить точность и уменьшить время измерения выгорания топлива в ОТВС в области низких выгораний по сравнению с детекторами нейтронного излучения и детекторами гамма-излучения спектрометрическими, т.к. измерение мощности дозы гамма-излучения производится значительно быстрее измерений спектров гамма-излучения и скорости набора импульсов от каналов регистрации нейтронного излучения. Детекторы гамма-излучения дозиметрические выполнены на основе алмаза с объемом чувственной области порядка 1 мм³, что делает блоки детектирования гамма-излучения дозиметрические миниатюрными.

При измерении выгорания при непрерывном движении детекторов относительно отработавшей тепловыделяющей сборки (ОТВС) также увеличивается оперативность измерений т.к. не требуется время на остановки, перезапуск программ. Кроме того, повышается точность измеренных значений выгорания, т.к. блоки детектирования при своем движении сканируют все участки ОТВС.

В отличие от аналогов, для градуировки каналов регистрации нейтронного излучения и каналов регистрации гамма-излучения дозиметрических используются градуировочные отработавшие тепловыделяющие сборки, абсолютное выгорание которых измеряется с использованием каналов регистрации гамма-излучения спектрометрических.

Безопасность при определении выгорания ядерного топлива повышается за счет следующих конструктивных элементов предлагаемого устройства:

- защитный блок вокруг блока детекторов установки из борированного полиэтилена - для защиты от фонового нейтронного излучения;

- свинцовая оболочка блока детектирования нейтронного излучения - для защиты предусилителей от гамма - излучения;

- полиэтиленовые замедлители нейтронов для повышения чувствительности к нейтронам блоков детектирования нейтронного излучения.

Предложенное устройство иллюстрируется графическим материалом. На фиг.1 показана функциональная схема канала регистрации нейтронного излучения установки измерения.

На фиг.2 показана функциональная схема канала регистрации гамма-излучения спектрометрического.

На фиг.3 показана функциональная схема канала регистрации гамма-излучения дозиметрического.

На фиг.1, 2, 3 показаны:

1 - плата предусилителя

2 - блок детектирования нейтронного излучения

3 - блок напряжения высоковольтный

4 - блок пересчетный

5 - блок напряжения низковольтный

6 - плата интенсиметра

7 - ЭВМ

8 - блок детектирования гамма-излучения спектрометрический

9 - блок усилителя

10 - амплитудно-цифровой преобразователь

11 - блок детектирования гамма-излучения дозиметрический

12 - блок обработки сигналов.

На фиг.4 показана блок-схема расположения оборудования установки измерения, где:

13 - электромеханический манипулятор

14 - блок детекторов

15 - пучок твэл отработавшей тепловыделяющей сборки

16 - блок вторичной аппаратуры

17 - блок управления

18 - компактный распределительный шкаф.

На фиг.5 показан общий вид устройства, где:

19 - защита свинцовая

20 - полиэтилен

21 - основание для размещения блоков детектирования

22 - борированный полиэтилен

23 - защита свинцовая

24 - коллиматор.

Основания для размещения блоков детектирования (21) вместе с размещенными на ней блоками детектирования нейтронного (2) и гамма-излучения (8, 11) образуют блок детекторов (БД). БДН в совокупности с электронными блоками БВА (блок вторичной аппаратуры) 16) и БУ (блок управления установкой и обработки данных) (17) образуют канал регистрации нейтронного излучения.

БДС в совокупности с электронными блоками БВА и БУ образуют канал регистрации гамма-излучения спектрометрический.

БДД в совокупности с электронными блоками БВА и БУ образует канал регистрации гамма-излучения дозиметрический.

Установка измерения размещается в следующих помещениях:

- БД с каналами регистрации нейтронного и гамма-излучения в камере комплектации пеналов сухого хранилища ОЯТ (ХОТ-2) (см фиг.4) или в «горячей» камере;

- модуль электронный - в операторском (см. фиг.4) или подоператорском помещениях;

- стенд для ремонта и наладки БД - в помещении ремонтной зоны.

Основание (21) для размещения блоков детектирования предназначено для размещения детекторов для проведения измерений:

- с ПТ ОТВС в ампуле в камере комплектации пеналов сухого хранилища ОЯТ (ХОТ-2);

- с ОТВС или с ПТ ОТВС в «горячей» камере.

Основание для размещения блоков детектирования выполнено в виде цилиндрической конструкции. Основание устанавливается ориентированно на опору, которая в свою очередь устанавливается и фиксируется, ориентированно на гнездах для ампулы с проверяемым ПТ ОТВС.

На опоре с основанием размещены три контактных ножевых разъема. Разъемы соединяются с компактным распределительным шкафом жгутом, содержащим сдублированные кабельные лини связи. Опора одержит элемент для ее захвата и съема с гнезда.

Основание окружено слоем борированного полиэтилена (22) для защиты БДН от фонового нейтронного излучения. На нижнем торце основания размещены три ответные части ножевых разъемов, соединенные с блоками детектирования. Основание накрывается крышкой из борированного полиэтилена для защиты БДН от фонового нейтронного излучения. В верхней части крышки из борированного полиэтилена размещается грибок для захвата основания электромеханическим манипулятором (13) камеры комплектации пеналов.

Во время ПНР и при остановках в использовании установки измерения опора с основанием накрывается защитной крышкой. Блоки детектирования каналов регистрации (14) расположены в основании для размещения блоков детектирования параллельно оси исследуемых ПТ ОТВС.

БД содержит 9 блоков детектирования: три БДН, три БДС и три БДД. Все детекторы расположены вертикально под углом 120° в горизонтальной плоскости.

Блоки детектирования нейтронного излучения размещены в полиэтиленовом замедлителе (20) для увеличения эффективности регистрации нейтронного излучения. Верхняя часть блока детектирования размещена в свинцовой защите (19) для уменьшения дозовой нагрузки от гамма-излучения на предусилитель. Блок детектирования нейтронного излучения в свинцовой защите работает при мощности поглащенной дозы гамма - излучения до 10 ² Гр/ч.

Блоки детектирования гамма-излучения спектрометрический находятся в свинцовой защите (23) для уменьшения дозовой нагрузки на датчик и защиты предусилителя от гамма-излучения. Внутри свинцовой защиты напротив отверстия коллиматора (24) размещается источник гамма- излучения для поверки и проверки БДС(8). Кроме того, этот источник используется для контроля размещения эффективного центра детектора напротив коллиматора. Блоки детектирования гамма-излучения дозиметрический (11) находятся в свинцовой защите (23) от фонового излучения с щелевым коллиматором(24) обеспечивающим «просмотр» ПТ ОТВС (ОТВС).

Свинцовые защиты БДС и БДД совмещены в одном корпусе.

Все блоки детектирования выполнены в герметичном исполнении и изготавливаются из материалов, которые могут дезактивироваться моющими растворами (перед демонтажем БД из камеры комплектации пеналов или из «горячей» камеры и перед его разборкой).

Блок детектирования нейтронного излучения установки измерения предназначен для размещения камеры деления КНТ-15-1, экранировки от электрических и электромагнитных помех и предусилителя, обеспечивающего работу с кабелем длиной до 100 м.

В БДН размещена плата предусилителя (1) и узел детектора. Блок детектирования выполнен в защитном герметичном чехле из нержавеющей стали с использованием специального разъема. Плата предусилителя находится в свинцовой защите от гамма-излучения.

Блок детектирования нейтронного излучения способен работать при мощности поглащенной дозы сопутствующего гамма-излучения облучения до 10² Гр/ч.

БДН соединен с крейтом БВА (16) посредством кабельной линии трассы. Кабельная линия трассы представляет собой множительный кабель в электрозащитном экране.

Блок детектирования гамма-излучения спектрометрический (8) установки измерения представляет собой миниатюрный герметичный зонд с полусферическим CdZnTe - детектором и предусилителем, обеспечивающим работу с кабелем длиной от 2, 5 до 100 м. Предназначен для измерения энергетических спектров гамма-излучения.

БДС выполнен в виде щупа. Корпус изготавливается из нержавеющей стали, материал платы специализированный, металлизированный полимер без эпоксидного наполнения. В блоке детектирования размещена плата зарядочувствительного предусилителя (ЗЧПУ) и узел детектора. БДС выполнен в полностью герметизированном варианте с использованием специального разъема.

БДС соединен с крейтом БВА (16) посредством кабельного канала. Кабельный канал представляет собой сборку из многожильного кабеля в электрозащитном экране.

Блок детектирования гамма-излучения спектрометрический размещен в свинцовой защите для уменьшения дозовой нагрузки на детектор и предусилитель.

Блок детектирования гамма-излучения дозиметрический на основе алмазного детектора предназначен для измерения мощности поглощенной дозы и поглощенной дозы. Блок детектирования выполнен в виде выносного зонда, представляющую собой алмазную детектирующую структуру, размещенную в герметичном водонепроницаемом корпусе.

Блок детектирования гамма-излучения дозиметрический соединен с крейтом БВА (16) посредством кабельного канала. Кабельный канал представляет собой сборку из кабеля в электрозащитном экране.

Блок вторичной аппаратуры БВА представляет собой металлический шкаф, внутри которого располагаются три крейта «Евромеханика» со вторичной электронной аппаратурой. БВА располагается в операторском (см. фиг.4) или подоператорском помещениях (или определяется проектной организацией). Соединение блоков детектирования, расположенных на БД, со вторичной электронной аппаратурой, осуществляется с помощью кабелей, объединенных в кабельном распределителе через клеммную коробку. Клеммная коробка расположена на внешней поверхности камеры комплектации пеналов (см. фиг.4) сухого хранилища ОЯТ (ХОТ-2) на выходе кабельной проходки. БВА соединен кабелем с блоком управления и обработки данных, который располагается в этом же шкафу.

Вторичная электронная аппаратура выполняет следующие функции:

- питание детекторов;

- питание предусилителей CdZnTe-детекторов и нейтронных детекторов;

- регистрацию измеряемых сигналов от детекторов, их усиление и дискриминацию;

- накопление поступающей информации и передачу ее программному обеспечению на блок БУ.

В состав электронного модуля, располагаемого в операторском или подоператорском помещениях и соединенного с блоками детектирования кабельными линиями связи, входит набор электронных блоков для обеспечения работы блоков детектирования и обработки данных. Блок управления и обработки данных состоит из промышленного компьютера (7) начального уровня со встроенными платами амплитудно-цифрового преобразователя (10), счетчика-интенсиметра (6) и модуля передачи информации от датчиков обнаружения ампулы с ПТ ОТВС (ОТВС).

Плата интенсиметра, и две платы цифрового преобразователя размещаются в системном блоке ЭВМ.

Программный комплекс FLAME обеспечивает функционирование установки: градуировку и проверку каналов регистрации нейтронного и гамма-излучения установки; измерения скорости счета импульсов блоков детектирования нейтронного излучения, мощности дозы и энергетических спектров гамма-излучения, вычисление выгорания ОТВС.

Устройство работает следующим образом:

Проводят сбору, монтаж и подготовку к работе основных блоков устройства.

Блок-схема расположения оборудования представлена на фиг.4.

Подсоединить все шнуры питания основных блоков измерительной установки к сети питания.

Включить БУ, крейты БВА.

Установить высокое напряжение питания каналов регистрации на соответствующих блоках БНВ (3)

Загрузить программный комплекс FLAME. После запуска на экране появится главное окно с четырьмя вложенными подчиненными окнами:

«Параметры», «Измерение», «Градуировка», «Проверка».

Меню главного окна позволяет выбирать параметры и режимы работы программы, проводить проверку, градуировку и измерения, а также получить информацию о самой программе и работе с ней.

Далее проводят градуировку каналов регистрации нейтронного и гамма-излучения.

Необходимо ввести или выбрать номер карточки градуировочной ОТВС, тип топлива, дату извлечения ОТВС из активной зоны реактора и значение выгорания - учетное значение выгорания, если производится градуировка по спектрометрическим каналам. Установить режим «Градуировка».

В выпадающем списке «Режимы» установить режим измерения «Ручной», в окне «Время измерения» задать время измерения в секундах. Время измерения устанавливается таким образом, чтобы площадь под пиками в спектрах, полученных с использованием каналов регистрации гамма-излучения спектрометрических, были не менее 10⁴ импульсов.

Дать команду оператору электромеханического манипулятора подвесить ПТ ОТВС в положение, при котором центры детекторов располагаются на определенной высоте от нижней границы топливной части ПТ. В окошке «Текущая высота» отметить координату канала регистрации. Далее начать измерение.

Измерение остановится по истечении заданного времени. В течение измерения в окне «Измерения» будет активен график «Гамма-спектр в текущей точке» окна «Скорость счета N» и «Мощность дозы G». После окончания измерения данные будет временно сохранены и связаны с градуировочным ПТ ОТВС.

Повторить измерения последовательно для четырех других положений ОТВС относительно центра блока детекторов.

Далее вычисляют градуировочные коэффициенты. Программа автоматически произведет поиск пиков и вычислит площадь под пиками, заполнит окна «Левая» и «Правая» граница пиков, «Площадь» под пиками, «Погрешность» площади. Все данные записываются.

Повторить измерение для других точек данного канала регистрации гамма-излучения спектрометрического и для всех точек другого канала регистрации гамма-излучения спектрометрического.

В окне «Градуировка» выбирают функцию «Вычислить», а затем - «Сохранить». При этом происходит запись соответствующих коэффициентов градуировки в данной точке для данной ПТ ОТВС в базу и память компьютера.

Если в качестве градуировочной используется ПТ ОТВС, выгорание которой определено экспериментально, то измерения спектров гамма-излучения градуировочной ПТ ОТВС не производятся. В этом случае время одного измерения с использованием каналов регистрации нейтронов и каналов регистрации гамма-излучения дозиметрических выбирается таким, чтобы число зарегистрированных импульсов нейтронов было не менее 10 импульсов.

Проведение измерений.

Выбирают «Параметры ОТВС» аналогично выше принятым (кроме названия файла с ежедневным графиком мощности ОТВС).

При выборе режимов измерения задают параметры:

«Режимы» - непрерывный либо ручной;

При непрерывном режиме:

- «Скорость движения» (скорость перемещения БД вдоль ПТ ОТВС).

- «Начало» (начальная координата канала регистрации).

- «Конец» (конечная координата канала регистрации).

При ручном режиме:

- «Начало» (начальная координата канала регистрации).

- «Конец» (конечная координата канала регистрации).

- «Время измерения» (время одного измерения).

С помощью электромеханического манипулятора ампула с ПТ ОТВС перемещается вдоль блоков детектирования непрерывно с заданной скоростью или с остановкой в фиксированных точках, равноудаленных друг относительно друга. Перемещение ампулы с ПТ ОТВС (ОТВС) осуществляется по сигналу с БУ. Количество фиксированных точек должно быть не менее 12. Измерения с остановками производятся в течение промежутков времени, количество которых при полном перемещении ПТ ОТВС относительно установки должно быть не менее 12.

Если измерения производятся в непрерывном режиме, то в окне «Измерение» выбирают функцию «Ждать сигнала». После получения сигнала от датчика высоты программа автоматически проводит измерение. В течение измерения в окнах «Скорость счета N» и «Мощность дозы G» «Данные каналов регистрации нейтронов по высоте», «Данные дозиметрических каналов» отображаются данные каналов регистрации гамма и нейтронного излучения. Далее программа автоматически произведет расчет выгорания во всех точках вдоль ПТ ОТВС. Программа произведет автоматическое заполнение окна «Профиль выгорания по высоте» в окне «Измерение». Далее информацию необходимо сохранить.

Одна и та же ПТ ОТВС может быть записана несколько раз - как градуировочная, и как измеренная.

Если необходимо провести серию измерений в непрерывном режиме с одинаковыми параметрами, открывают окно «Типовые измерения» и задают требуемые параметры.

По окончании измерений ПТ ОТВС устанавливается в пенал хранения.

Снимают высокое напряжение с детекторных блоков.

Выключают основные блоки установки: БВА и БУ.

Значение выгорания ядерного топлива могут использоваться для обеспечения ядерной и радиационной безопасности при загрузке ОТВС в транспортные упаковочные комплекты, транспортировке ОТВС в хранилище отработавшего ядерного топлива или на переработку, для системы учета и контроля ядерных материалов, для верификации программ расчета выгорания и изотопного состава ОТВС.

1. Устройство определения выгорания ядерного топлива, включающее блоки детектирования нейтронов (БДН) и блоки детектирования гамма-излучения спектрометрические (БДС) в свинцовой защите с коллиматором с возможностью изменения места нахождения относительно исследуемой тепловыделяющей сборки, отличающееся тем, что в устройстве дополнительно установлены блоки детектирования гамма-излучения дозиметрические (БДД) в свинцовой защите с коллиматором, совмещенной в одном корпусе со свинцовой защитой БДС, БДН размещены в полиэтиленовом замедлителе, и верхняя часть БДН размещена в свинцовой защите, а нижняя - в полиэтиленовой защите, при этом блоки детектирования расположены параллельно оси исследуемых тепловыделяющих сборок в основании для размещения блоков детектирования, которое выполнено в виде цилиндрической конструкции и окружено торцевыми и боковым слоями борированного полиэтилена, а все детекторы расположены под одинаковым углом друг к другу в горизонтальной плоскости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок детектирования гамма-излучения дозиметрический выполнен на основе алмазного детектора.

3. Устройство по п.1, отличающее тем, все детекторы расположены под углом 120º в горизонтальной плоскости.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в верхней части основания размещены грибки для захвата основания электромеханическим манипулятором.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нижней части основания и верхней части опоры для размещения основания размещены ножевые разъемы для связи БДН, БДС и БДД с модулем электронным.