Устройство детектирования гамма-излучения жидких сред и установка спектрометрическая для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости

Техническое решение относится к измерительной техники в атомной энергетике и предназначена для мониторинга гамма-излучения преимущественно в теплоносителе первого контура реакторных установок АЭС. Устройство 11 детектирования включает не менее одного детектора 2 гамма-излучения и измерительную камеру 1, установленные в свинцовом защитном блоке 4. Блок 4 выполнен в виде наборной конструкции и имеет технологический канал для измерительной камеры 1. Устройство 11 отличается тем, что чувствительный элемент детектора 2 выполнен на основе кристалла LaBr₃:Ce. Детектор 2 размещен в защитном блоке 4 горизонтально по направлению к измерительной камере 1. Измерительная камера 1 выполнена в виде цилиндрической капсулы с патрубками 3 для подачи и отвода среды и установлена вертикально. Защитный блок 4 имеет отверстия для вывода патрубков 3. Установка спектрометрическая включает устройство 11 детектирования предпочтительно с двумя детекторами 2 гамма-излучения, установленными на одной оси по разные стороны от измерительной камеры 1, пробоотборную систему 10 и контроллер управления. Устройство 11 соединено с пробоотборной системой 10 патрубками 3 для подачи и отвода среды. Пробоотборная система 10 снабжена патрубками 7, 8, 9 для подключения к внешним трубопроводам подачи контролируемой среды, ХОВ и сжатого воздуха соответственно, а также патрубком 16 для подключения к системе дренирования. Патрубки 7, 8, 9 и 16 снабжены шаровыми клапанами 6 с электроприводами. На трубопроводе подачи среды установлены компенсатор 15 избыточного давления и расходомер 13. Преимущества: простота конструкции, точность измерений, оперативность реагирования, надежность при эксплуатации. 2 н.п.ф., 14 з.п.ф., 3 ил.

Полезная модель относится к области измерительной техники в атомной энергетике и предназначена для детектирования и мониторинга гамма-излучения в жидких средах, в частности в теплоносителе первого контура реакторных установок атомных электростанций.

Известно устройство детектирования, применяемое в спектрометрическом мониторе МАРС-012-СУГ, предназначенном для автоматизированного измерения удельной активности гамма-излучающих радионуклидов, присутствующих в водных технологических средах (технологических контурах) атомных электростанций или других объектах атомной энергетики (Разработан ФГУП «НИТИ им. А.П.Александрова». Опубликовано на сайте ). Известное устройство детектирования выполнено на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия, содержит две измерительные камеры, свинцовую защиту с коллиматором и электроохладитель. Спектрометрический монитор, включающий устройство детектирования, оснащен системой коллимации, системой подготовки контролируемой среды и электронными блоками управления. Диапазон регистрируемых энергий гамма-излучения от 50 до 2000 кэВ. Недостатками МАРС-012-СУГ являются относительно большие габариты, наличие электроохладителя, коллиматоров и дополнительных измерительных камер.

Известен спектрометрический комплекс СТПК-01 (СТПК-01 - Спектрометрический комплекс контроля активности теплоносителя первого контура. НИН «АтомКомплексПрилад». Украина, Киев. Опубликовано на сайте в 2006 г.). СТПК-01 предназначен для дискретно-непрерывного контроля удельной активности радионуклидов в теплоносителе основного (первого) контура ядерного реактора с помощью гамма-спектрометрии высокого разрешения. Устройство детектирования спектрометрического комплекса СТПК-01 выполнено на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия и размещено в свинцовом защитном устройстве с управляемым коллиматором. В устройстве детектирования предусмотрен электроохладитель. В спектрометрическом комплексе СТПК-01 предусмотрена станция сбора данных и удаленного управления режимами измерений, а также амплитудный многоканальный анализатор спектров с цифровым спектрометрическим процессором. К недостаткам описанных устройства детектирования и монитора относятся громоздкость конструкции, наличие коллиматоров в защитном устройстве, перегруженность дополнительными механическими узлами.

Известен радиометр-спектрометр РСКВ-01 гамма-излучения для непрерывного контроля содержания гамма-излучающих радионуклидов в жидких проточных средах (Алексеев СВ. и др. Радиометр-спектрометр гамма-излучения для мониторинга жидких сред РСКВ-01 // Материалы V Международного совещания «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии», 15-18 октября 2001 г. / г.Дубна, Московской обл. Опубликовано на сайте ). Известное устройство детектирования содержит измерительную камеру в защитном экране, сцинтилляционный детектор гамма-излучения на основе кристалла NaI(T1). Принцип работы РСКВ-01 заключается в том, что гамма-излучение от контролируемой среды (воды) регистрируется сцинтилляционным устройством детектирования и в виде спектра передается на пульт управления, где производится расчет суммарной активности контролируемой воды. Измерения проводятся в непрерывном автоматическом режиме. При работе в составе системы радиационного мониторинга результаты измерений передаются на компьютер для обработки гамма-спектров, которая включает идентификацию радионуклидов, расчет их удельной активности и формирование отчетов. Основным недостатком известного технического решения является использование сцинтилляционного детектора на основе кристалла NaI(T1), который имеет относительно низкие характеристики энергетического разрешения, что не позволяет достоверно определять радионуклидный состав измеряемой пробы.

В качестве наиболее близких технических решений для заявляемой полезной модели выбраны устройство детектирования гамма-излучения жидких сред и спектрометрический жидкостной монитор гамма-излучения СГЖ-01, предназначенные для дискретно-непрерывного контроля удельной активности радионуклидов в теплоносителе основного (первого) контура ядерного реактора с помощью гамма-спектрометрии высокого разрешения (Патент РФ на ПМ 90923. МПК G21С 17/032 (2006.01). Устройство детектирования гамма-излучения жидких сред и спектрометрический жидкостной монитор гамма-излучения. Опубликовано 20.01.2010, Бюл. 2). Известное устройство детектирования выполнено на основе полупроводникового детектора из особо чистого германия и размещено в свинцовом защитном экране. В устройстве детектирования предусмотрен электроохладитель. В жидкостном спектрометрическом мониторе СГЖ-01 предусмотрена станция сбора данных и удаленного управления режимами измерений, а также амплитудный многоканальный анализатор спектров с цифровым спектрометрическим процессором. К недостаткам описанного устройства детектирования и монитора относятся использование дорогостоящего детектора на основе особо чистого германия, требующего электроохлаждения, что снижает его надежность при эксплуатации. Кроме того, детекторы на основе особо чистого германия с электроохладителями способны работать при внешних температурах до 28°С, тогда как в помещениях АЭС, где обычно устанавливаются такие приборы, температура может достигать ~50°С. В результате СГЖ-01 функционирует в помещениях АЭС только в том случае, если специальными средствами создаются необходимые климатические условия.

Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки и разработать спектрометрическую установку для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости, содержащую устройство детектирования гамма-излучения жидких сред, для преимущественного применения в качестве измерительной системы, контролирующей состояние теплоносителя первого контура реакторных установок. Предлагаемое устройство детектирования характеризуется небольшими габаритами, простотой конструкции, монтажа и эксплуатации, а также надежностью и точностью измерений в энергетическом диапазоне гамма-излучения от 50 до 3000 кэВ. Спектрометрическая установка позволяет эффективно проводить измерения активности контролируемой среды и оперативно реагировать на ее изменения и/или возникновение внештатных ситуаций.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство детектирования гамма-излучения жидких сред на основе кристалла бромида лантана, допированного церием LaBr₃:Ce, и установка спектрометрическая для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости, включающая такое устройство.

Предлагается устройство детектирования гамма-излучения жидких сред, включающее по меньшей мере один детектор гамма-излучения с чувствительным элементом на основе кристаллического сцинтиллятора и измерительную камеру, детектор гамма-излучения и измерительная камера размещены в свинцовом защитном блоке, который выполнен в виде наборной конструкции из уложенных друг на друга дисков и в котором предусмотрен технологический канал для установки измерительной камеры, отличающееся тем, что чувствительный элемент детектора гамма-излучения выполнен на основе кристалла бромида лантана, допированного церием LaBr₃:Ce, детектор гамма-излучения размещен в свинцовом защитном блоке горизонтально и ориентирован чувствительным элементом по направлению к измерительной камере, измерительная камера выполнена в виде цилиндрической капсулы, в которой предусмотрены патрубки для подачи и отвода среды, и установлена в технологическом канале, ориентированном вертикально, а в защитном блоке предусмотрены отверстия для вывода патрубков для подачи и отвода среды.

Устройство предпочтительно включает два горизонтально ориентированных детектора гамма-излучения.

Детекторы гамма-излучения предпочтительно размещены в центральной части свинцового защитного блока.

Детекторы гамма-излучения предпочтительно установлены на одной оси по разные стороны от измерительной камеры.

Измерительная камера предпочтительно изготовлена из нержавеющей стали.

Внутреннюю поверхность измерительной камеры целесообразно выполнить с покрытием из политетрафторэтилена (PTFE).

Защитный блок предпочтительно снабжен легкосъемной свинцовой крышкой.

Предлагается установка спектрометрическая для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости, включающая устройство детектирования гамма-излучения, соединенное трубопроводами подачи и отвода контролируемой среды с пробоотборной системой, и контроллер управления, при этом в устройстве детектирования гамма-излучения предусмотрены по меньшей мере один детектор гамма-излучения с чувствительным элементом на основе кристаллического сцинтиллятора и измерительная камера, которые размещены в свинцовом защитном блоке, в котором предусмотрен технологический канал для установки измерительной камеры, на трубопроводе подачи среды установлен расходомер, отличающаяся тем, что чувствительный элемент детектора гамма-излучения выполнен на основе кристалла бромида лантана, допированного церием LaBr ₃:Се, детектор гамма-излучения размещен в свинцовом защитном блоке горизонтально и ориентирован чувствительным элементом по направлению к измерительной камере, измерительная камера выполнена в виде цилиндрической капсулы с патрубками для подачи и отвода среды, и установлена в технологическом канале, ориентированном вертикально, в защитном блоке предусмотрены отверстия для вывода патрубков для подачи и отвода среды, а в качестве контроллера управления выбрано устройство с функциями накопления и обработки информации.

Устройство детектирования спектрометрической установки предпочтительно включает два горизонтально ориентированных детектора гамма-излучения, установленных на одной оси по разные стороны от измерительной камеры.

Защитный блок предпочтительно выполнен в виде наборной конструкции из уложенных друг на друга дисков.

На трубопроводе подачи среды перед расходомером предпочтительно установлен компенсатор избыточного давления.

В пробоотборной системе предпочтительно предусмотрены трубопровод подачи контролируемой среды, трубопровод подачи химически обессоленной воды, и трубопровод сжатого воздуха, выходящие в трубопровод подачи среды.

Трубопровод подачи контролируемой среды, трубопровод подачи химически обессоленной воды, и трубопровод сжатого воздуха предпочтительно снабжены запорной арматурой.

В качестве запорной арматуры предпочтительно установлены шаровые клапаны с электроприводом.

Устройство детектирования предпочтительно установлено на основании.

Устройство детектирования предпочтительно снабжено приспособлением для съемного прикрепления устройства детектирования к основанию.

Техническим результатом полезной модели является создание спектрометрической установки для контроля состояния среды, преимущественно теплоносителя первого контура реакторных установок, в широком энергетическом диапазоне гамма-излучения. Использование кристалла бромида лантана, допированного церием LaBr₃:Ce, в чувствительном элементе детектора гамма-излучения, позволяет быстро и точно проводить измерения в диапазоне от 50 до 3000 кэВ при температуре от +5°С до +50°С (кратковременно до +55°С) и относительной влажности воздуха до 80%; при температуре 35°С и более низких температурах - без конденсации влаги. Кроме того, заявляемые устройство детектирования и спектрометрическая установка устойчивы к воздействию атмосферного давления от 84 до 107 кПа. Отсутствие в спектрометрической установке электроохладителя позволяет повысить надежность контроля состояния среды (теплоносителя первого контура), уменьшить габариты установки и исключить операции по обслуживанию и ремонту электроохладителя. Включение двух детекторов на основе LaBr₃:Ce в устройство детектирования обеспечивает функциональную надежность спектрометрической установки в указанных выше диапазонах измерений, повышает скорость измерений. Наборная конструкция защитного блока из свинцовых дисков, диаметр которых можно варьировать в зависимости от геометрии детектора/детекторов и размеров измерительной камеры, позволяет обеспечить максимальную защиту устройства детектирования от фонового излучения. Модульная конструкция защитного блока и легкосъемность всех элементов защиты обеспечивает простой доступ к детекторам и измерительной камере и облегчает монтаж, эксплуатацию и обслуживание спектрометрической установки. Геометрия измерительной камеры исключает образование застойных зон, обеспечивает эффективную зону измерения и позволяет легко коммутировать измерительную камеру с трубопроводами подачи и отвода среды. Нержавеющая сталь, из которой предпочтительно изготавливают измерительную камеру, обладает минимальной сорбирующей способностью и позволяет осуществлять промывку камеры дезактивирующими растворами. Для усиления указанного эффекта внутреннюю поверхность измерительной камеры целесообразно полировать или выполнять с покрытием из политетрафторэтилена (PTFE). Крепление устройства детектирования позволяет оптимально позиционировать устройство относительно остальных модулей установки при проведении измерений, обработки информации и управлении измерительным процессом. Контроллер управления, которым оснащена спектрометрическая установка, исключает необходимость подключения установки к цифровому спектроанализатору и, фактически, не только управляет пробоотборной подсистемой, но и обрабатывает спектры, вычисляет активности, контролирует состояние системы, регистрирует архивы измерений и событий, а также обеспечивает передачу информации на верхний уровень автоматизированной системы.

Ниже сущность полезной модели поясняется более подробно со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи и блок-схему:

фиг.1 представляет вертикальный разрез устройства детектирования гамма-излучения жидких сред;

фиг.2 представляет блок-схему установки спектрометрической для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости;

фиг.3 представляет схематический чертеж установки спектрометрической для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости.

Позиции на чертежах обозначают: 1 - измерительная камера; 2 - детектор гамма-излучения; 3 - патрубки для подачи и отвода среды; 4 - свинцовый защитный блок; 5 - соединение типа фланец для подключения патрубков измерительной камеры к трубопроводам подачи и отвода среды; 6 - запорная арматура (шаровые клапаны с электроприводом); 7 - патрубок для подключения пробоотборной системы к внешнему трубопроводу подачи контролируемой среды; 8 - патрубок для подключения пробоотборной системы к внешнему трубопроводу подачи химически обессоленной воды (ХОВ); 9 - патрубок для подключения пробоотборной системы к внешнему трубопроводу подачи сжатого воздуха; 10 - пробоотборная система; 11 - устройство детектирования; 12 - шкаф управления; 13 - расходомер; 14 - блок индикации расходомера; 15 - компенсатор избыточного давления; 16 - патрубок для подключения к трубопроводу спецканализации (системе дренирования).

Устройство детектирования гамма-излучения жидких сред, показанное на фиг.1, представляет собой частный случай выполнения заявляемой полезной модели и включает два горизонтально ориентированных сцинтилляционных детектора 2 на основе кристалла LaBr₃ :Ce и измерительную камеру 1, выполненную в виде цилиндрической капсулы и снабженную патрубками 3 для подачи и отвода среды. Детекторы 2 и измерительная камера 1, ориентированная вертикально, размещены в свинцовом защитном блоке 4, выполненном в виде наборной конструкции с отверстиями для вывода патрубков 3. На концах патрубков 3 предусмотрены соединения 5 типа фланец для подключения патрубков 3 измерительной камеры 1 к трубопроводам подачи и отвода среды.

Установка спектрометрическая для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости, схематически представленная на фиг.2 и 3, представляет собой частный случай выполнения заявляемой полезной модели и включает устройство 11 детектирования гамма-излучения, описанное в предыдущем абзаце, пробоотборную систему 10 и контроллер управления, размещенный в шкафу 12 управления. Устройство 11 детектирования соединено с пробоотборной системой 10 посредством патрубков 3 для подачи и отвода среды. Пробоотборная система 10 снабжена патрубком 7 для подключения к внешнему трубопроводу подачи контролируемой среды, патрубком 8 для подключения к внешнему трубопроводу подачи ХОВ, патрубком 9 для подключения к внешнему трубопроводу подачи сжатого воздуха, а также патрубком 16 для подключения к трубопроводу спецканализации (системе дренирования). Патрубки 7, 8, 9, 16 снабжены шаровыми клапанами 6 с электроприводами. На трубопроводе подачи среды перед входом в устройство И детектирования установлены компенсатор 15 избыточного давления и расходомер 13 с блоком 14 индикации расхода.

Полезная модель работает следующим образом.

Шкаф управления 12 подает команду на открытие/закрытие клапанов 6 пробоотборной системы 10 и обеспечивает подачу контролируемой среды (теплоносителя) в измерительную камеру 1, контролируя ее заполнение с помощью расходомера 13. После заполнения измерительной камеры 1 устройство 11 детектирования регистрирует гамма-спектры с помощью детекторов 2 и автоматически передает информацию о гамма-спектрах на контроллер управления в шкаф 12 управления. Контроллер управления выполняет обработку аппаратурных гамма-спектров: определение радионуклидного состава теплоносителя, расчет значений активности, оценку погрешности определения активностей, расчет нижнего допустимого предела измерения и другие заданные операции. После обработки гамма-спектров в измерительную камеру 1 последовательно подается сжатый воздух для ее осушения и ХОВ для промывки и дезактивации. Слив контролируемой среды и ХОВ производят в трубопровод спецканализации (систему дренирования) через патрубок 16.

Описанные и иллюстрируемые устройство детектирования гамма-излучения жидких сред и установка спектрометрическая для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости являются только примерами выполнения полезной модели, практические детали могут широко варьироваться в пределах заявляемого объема правовой охраны предлагаемого технического решения. Контроллер управления, трубопроводы, запорная арматура, патрубки, фланцевые соединения и другие приспособления могут быть общеизвестными для специалистов.

Полезная модель рекомендуется для применения в качестве измерительной системы, контролирующей состояние теплоносителя первого контура реакторных установок, с выполнением следующих функций:

- проведение автоматических (циклических) измерений;

- обработка аппаратурных спектров, полученных от измерительных узлов, в соответствии с заданными математическими алгоритмами;

- обработка полученных спектров с целью расчета объемной (удельной) активности контролируемых радионуклидов;

- вычисление активностей обнаруженных радионуклидов, а также сопутствующих величин;

- сравнение рассчитанных активностей с установленными контрольными уровнями (предупредительным и аварийным);

- определение загрязненности измерительного узла;

- выполнение дополнительных промывок, в случае загрязненности измерительного узла;

- хранение аппаратурных спектров (например, за последний месяц) и результатов обработки;

- формирование признаков неисправности;

- оперативное отображение на экране результатов последнего измерения;

- построение графиков изменения контролируемых параметров.

1. Устройство детектирования гамма-излучения жидких сред, включающее по меньшей мере один детектор гамма-излучения с чувствительным элементом на основе кристаллического сцинтиллятора и измерительную камеру, детектор гамма-излучения и измерительная камера размещены в свинцовом защитном блоке, который выполнен в виде наборной конструкции из уложенных друг на друга дисков и в котором предусмотрен технологический канал для установки измерительной камеры, отличающееся тем, что чувствительный элемент детектора гамма-излучения выполнен на основе кристалла бромида лантана, допированного церием LaBr ₃:Се, детектор гамма-излучения размещен в свинцовом защитном блоке горизонтально и ориентирован чувствительным элементом по направлению к измерительной камере, измерительная камера выполнена в виде цилиндрической капсулы, в которой предусмотрены патрубки для подачи и отвода среды, и установлена в технологическом канале, ориентированном вертикально, а в защитном блоке предусмотрены отверстия для вывода патрубков для подачи и отвода среды.

2. Устройство детектирования по п.1, отличающееся тем, что оно включает два горизонтально ориентированных детектора гамма-излучения.

3. Устройство детектирования по п.2, отличающееся тем, что детекторы гамма-излучения размещены в центральной части свинцового защитного блока.

4. Устройство детектирования по п.3, отличающееся тем, что детекторы гамма-излучения установлены на одной оси по разные стороны от измерительной камеры.

5. Устройство детектирования по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что измерительная камера изготовлена из нержавеющей стали.

6. Устройство детектирования по п.5, отличающееся тем, что внутренняя поверхность измерительной камеры покрыта слоем политетрафторэтилена (PTFE).

7. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что защитный блок снабжен легкосъемной свинцовой крышкой.

8. Установка спектрометрическая для измерения объемной активности гамма-излучающих радионуклидов в жидкости, включающая устройство детектирования гамма-излучения, соединенное трубопроводами подачи и отвода среды с пробоотборной системой, и контроллер управления, при этом в устройстве детектирования гамма-излучения предусмотрены по меньшей мере один детектор гамма-излучения с чувствительным элементом на основе кристаллического сцинтиллятора и измерительная камера, которые размещены в свинцовом защитном блоке, в котором предусмотрен технологический канал для установки измерительной камеры, на трубопроводе подачи среды установлен расходомер, отличающаяся тем, что чувствительный элемент детектора гамма-излучения выполнен на основе кристалла бромида лантана, допированного церием LaBr₃:Се, детектор гамма-излучения размещен в свинцовом защитном блоке горизонтально и ориентирован чувствительным элементом по направлению к измерительной камере, измерительная камера выполнена в виде цилиндрической капсулы с патрубками для подачи и отвода среды и установлена в технологическом канале, ориентированном вертикально, в защитном блоке предусмотрены отверстия для вывода патрубков для подачи и отвода среды, а в качестве контроллера управления выбрано устройство с функциями накопления и обработки информации.

9. Установка спектрометрическая по п.8, отличающаяся тем, что устройство детектирования включает два горизонтально ориентированных детектора гамма-излучения, установленных на одной оси по разные стороны от измерительной камеры.

10. Установка спектрометрическая по п.8 или 9, отличающаяся тем, что защитный блок выполнен в виде наборной конструкции из уложенных друг на друга дисков.

11. Установка спектрометрическая по п.8 или 9, отличающаяся тем, что на трубопроводе подачи среды перед расходомером установлен компенсатор избыточного давления.

12. Установка спектрометрическая по п.8 или 9, отличающаяся тем, что в пробоотборной системе предусмотрены трубопровод подачи контролируемой среды, трубопровод подачи химически обессоленной воды и трубопровод сжатого воздуха, выходящие в трубопровод подачи среды.

13. Установка спектрометрическая по п.12, отличающаяся тем, что трубопровод подачи контролируемой среды, трубопровод подачи химически обессоленной воды и трубопровод сжатого воздуха предпочтительно снабжены запорной арматурой.

14. Установка спектрометрическая по п.13, отличающаяся тем, что в качестве запорной арматуры использованы шаровые клапаны с электроприводом.

15. Установка спектрометрическая по п.8 или 9, отличающаяся тем, что устройство детектирования установлено на основании.

16. Установка спектрометрическая по п.15, отличающаяся тем, что устройство детектирования снабжено приспособлением для съемного прикрепления устройства детектирования к основанию.