Детектор нейтронов прямого заряда
Детектор нейтронов прямого заряда (далее ДПЗ) принадлежит к области техники, связанной с измерением ионизирующих излучений, в частности, к оборудованию систем управления и защиты ядерных реакторов. ДПЗ используется в качестве первичного преобразователя внутриреакторных каналов контроля плотности потока нейтронов.
ДПЗ содержит коллектор, эмиттер, выполненный в виде отрезка провода из родия, серебра, ванадия (или капиллярной трубки, заполненной окисью гафния), изолятора, расположенного между эмиттером и коллектором, и линию связи, выполненную из кабеля с минеральной изоляцией, предназначенную для передачи электрического сигнала от эмиттера к электронной аппаратуре. Кабель содержит элемент контроля фонового тока в виде вспомогательной токоведущей жилы кабеля, расположенной вдоль основной токоведущей жилы кабеля с минеральной изоляцией и изолированной от нее. На конце кабеля установлен гермоввод, к которому подсоединены основная и вспомогательная жилы кабеля. Гермоввод выполнен в виде элемента, представляющего из себя стакан с двумя фланцами, один из которых герметично подсоединяется к оболочке кабеля, а на другом фланце размещены металлокерамические изоляторы, один из которых предназначен для герметичного сварного подсоединения основной токоведущей жилы кабеля, а другой - для вспомогательной токоведущей жилы. С каждым металлокерамическим изолятором герметично соединен штенгель, предназначенный для обеспечения вакуумной сушки изоляции кабеля.
Область техники, к которой относится полезная модель (детектор нейтронов прямого заряда, обозначаемый далее ДПЗ) - измерение ионизирующих излучений, в частности, к оборудованию систем управления и защиты ядерных реакторов и используется в качестве первичного преобразователя внутриреакторных каналов контроля плотности потока нейтронов.
К основным требованиям, предъявляемым к ДПЗ для внутриреакторных каналов контроля плотности потока нейтронов, относятся высокая надежность и чувствительность при минимальных поперечных размерах.
Для обеспечения надежности и помехозащищенности внутриреакторных каналов контроля плотности потока нейтронов ДПЗ конструктивно объединяется с элементами экранирования, электрическими соединителями и внешним корпусом в одно устройство.
При создании ДПЗ для внутриреакторных каналов контроля плотности потока нейтронов требование по надежности и стабильности параметров является одним из критических параметров. Так, например, в системе внутриреакторного контроля энерговыделения энергетического ядерного реактора используются до 80 каналов контроля с применением ДПЗ и допускается выход их строя за время кампании не более 10% ДПЗ.
Известен датчик нейтронов прямой зарядки, включающий цилиндрический корпус, являющийся коллектором, в котором коаксиально расположен эмиттер из родиевой проволоки, изоляционный элемент, выполненный в виде электроизоляционной трубки, стенки которой расположены между эмиттером и коллектором, кабель, одна жила которого подсоединена к эмиттеру, а вторая является вспомогательной и служит для
контроля фонового тока, оболочка кабеля на противоположном от эмиттера конце герметично подсоединена к гермовводу, в качестве которого используется металлическая втулка, заполняемая эпоксидным компаундом (Миттельман М.Г. и др. «Детекторы для внутриреакторных измерений энерговыделения», М., Атомиздат, 1997 г.). Недостатком описываемого детектора является его недостаточная надежность гермоввода, использующего эпоксидный компаунд, вследствие того, что при эксплуатации происходит разгерметизация гермоввода, сопротивление изоляции ДПЗ понижается ниже допустимого предела вследствие сорбции атмосферной влаги и ДПЗ выходит из строя.
Известна также конструкция ДПЗ, в котором изолятор между эмиттером и коллектором выполнен в виде плотной набивки из порошка окиси магния или алюминия (Автушенко А.Ф. и др., Свидетельство РФ на полезную модель №29380 МПК7 G 01 Т 3/00 Заявл. 14.08.02. Опубл. 10.05.03. Бюл.№13) Недостатком этой конструкции также является то, что в качестве гермоввода используется металлическая втулка, заполняемая эпоксидным компаундом.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является датчик нейтронов прямого заряда, включающий коллектор, изготовленный из материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, эмиттер, выполненный в виде отрезка провода из родия, серебра, ванадия или капиллярной трубки, заполненной окисью гафния, электроизоляционной трубки из спрессованного порошка окиси магния или окиси алюминия, расположенной между эмиттером и коллектором, кабель с минеральной изоляцией, предназначенный для передачи электрического сигнала от эмиттера к электронной аппаратуре, элемент контроля фонового тока в виде вспомогательной токоведущей жилы кабеля, расположенной вдоль основной токоведущей жилы кабеля с минеральной изоляцией и изолированной от нее, установленный на конце кабеля гермоввод, к которому подсоединены
основная и вспомогательная жилы кабеля (Миттельман М.Г. и др., Патент РФ №2138833 МПК6 G 01 T 3/00, H 01 J 47/12 заявл. 08.02.99, опубл.27.09.99).
Указанная конструкция характеризуется хорошими метрологическим свойствами и не требует индивидуальной калибровки ДПЗ перед установкой в реактор.
Однако, в этой конструкции герметизация выводов сигнальной и фоновой жил осуществляется с помощью блока, в котором выводы обеих жил пропущены через металлические трубки и подсоединены к ним пайкой или сваркой. Трубки, в свою очередь, одновременно герметично впаяны в изолирующую стеклянную часть металлостеклянного блока. Оболочка металлостеклянного блока герметично приварена к оболочке кабеля.
Существенным недостатком такого технического решения является невысокая надежность герметизирующего металлостеклянного блока вследствие сложности обеспечения герметичности блока при одновременном впаивании двух трубок при малом диаметра блока, а также невысокой технологичности и неремонтопригодности указанного соединения. Кроме того, невозможно подсоединение ДПЗ с указанной конструкцией гермоввода к вакуумной системе для обеспечения качественной сушки изоляции ДПЗ.
Перед авторами полезной модели стояла задача повышения надежности и технологичности узла герметизации, а также обеспечения возможности пооперационного контроля герметичности и устранения дефектов сварки во время процесса изготовления ДПЗ и исключения клеевых соединений, а также обеспечения возможности подсоединения ДПЗ к вакуумной системе для обеспечения сушки изоляции ДПЗ.
Поставленная задача решается тем, что ДПЗ содержащий коллектор, изготовленный из материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, эмиттер, выполненный в виде отрезка провода из родия, серебра, ванадия или капиллярной трубки, заполненной окисью гафния, электроизоляционной трубки из спрессованного порошка окиси магния или окиси алюминия, расположенной между эмиттером и коллектором, кабель с
минеральной изоляцией, предназначенный для передачи электрического сигнала от эмиттера к электронной аппаратуре, элемент контроля фонового тока в виде вспомогательной токоведущей жилы кабеля, расположенной вдоль основной токоведущей жилы кабеля с минеральной изоляцией и изолированной от нее, установленный на конце кабеля гермоввод, к которому подсоединены основная и вспомогательная жилы кабеля.
В заявляемой конструкции гермоввод выполнен в виде элемента, представляющего из себя стакан с двумя фланцами, один из которых герметично подсоединяется к оболочке кабеля, а на другом фланце размещены металлокерамические изоляторы, один из которых предназначен для герметичного сварного подсоединения основной токоведущей жилы кабеля, а другой - для вспомогательной токоведущей жилы. Такая конструкция гермоввода позволяет провести поузловую проверку герметичности этого элемента ДПЗ и, при необходимости устранение дефектов сварки, а также исключает применение клеевых соединений. Кроме того, к металлокерамическим изоляторам сваркой подсоединены штенгели, которые позволяют подсоединить ДПЗ к вакуумной системе для качественной сушки изоляции ДПЗ. При этом повышается надежность ДПЗ в целом.
Указанная совокупность отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого ДПЗ критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1, на которой схематически изображена заявляемая конструкция ДПЗ.
ДПЗ содержит коллектор 1 (см. фиг.1), изготовленный из электропроводящего материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, в котором размещен эмиттер 2, изготовленный из материала с высоким сечением взаимодействия с тепловыми нейтронами и испускающим вследствие этого электроны, изоляционный элемент 3, расположенный между эмиттером и коллектором и изготовленный из материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, кабель 4, токоведущая жила 5
которого подсоединена сваркой или пайкой к эмиттеру, а оболочка 6 герметично сваркой или пайкой подсоединена по периметру к коллектору.
Изоляционный элемент 3 выполнен в виде плотной набивки, например, из порошка окиси алюминия или окиси магния, а коллектор 1 выполнен из нержавеющей стали.
Коллектор оканчивается штенгелем 7, предназначенным для подсоединения ДПЗ к вакуумной системе для обеспечения качественной сушки изоляционного элемента 3.
На противоположном от эмиттера конце кабеля 4 к его оболочке 6 герметично сваркой или пайкой подсоединен гермоввод, состоящий из фланца 9, стакана 10 и фланца 11, к которому герметично подсоединены металлокерамические изоляторы 12, к которым, в свою очередь, сваркой или пайкой подсоединены токовая 5 и фоновая 8 жилы кабеля 4. Металлокерамические изоляторы 13 снабжены штенгелями 13, предназначенными для подсоединения ДПЗ к вакуумной системе для качественной сушки его изоляции. Для подсоединения ДПЗ к системе электрическим соединителям системы внутриреакторного контроля штенгели снабжены гибкими проводниками 14.
ДПЗ изготавливается следующим образом.
Коллектор 1 изготовлен из трубки из стали 12Х18Н10Т с внешним диаметром от 2 до 3 мм и длиной от 120 до 7000 мм. В коллекторе размещен эмиттер 2, представляющий из себя либо проволоку из родия или серебра, либо капиллярную трубку, заполненную окисью гафния. Эти материалы имеют высокое сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами. Изоляционный элемент 3 расположен между эмиттером 2 и коллектором 1 и представляет из себя плотную набивку мелкодисперсного порошка окиси алюминия или окиси магния.
В качестве линии связи ДПЗ с электронной аппаратурой системы внутриреакторного контроля (на фиг.1 и 2 не показана) используется двужильный кабель с минеральной изоляцией и проводящей оболочкой,
например, КНМС диаметром от 1 до 1,5 мм. Токоведущая жила 5 кабеля подсоединена к эмиттеру 2, например, лазерной сваркой, а его оболочка 6 герметично подсоединена к коллектору 4 по периметру, например, лазерной сваркой.
К кабелю 4 по периметру оболочки 6 герметично (например, лазерной сваркой) подсоединен гермоввод, состоящий из фланца 9, стакана 10 и фланца 11 с металлокерамическими изоляторами 12. Гермоввод собирается отдельно от ДПЗ, проверяется на герметичность масс-спектрометрическим методом, а затем присоединяется к оболочке 6 кабеля 4.
После подсоединения гермоввода к кабелю 4 токоведущая жила 5 и фоновая жила 8 кабеля подсоединяются лазерной сваркой к металлокерамическим изоляторам 2. Затем к металлокерамическим изоляторам 12 герметично лазерной сваркой подсоединяются штенгели 13, представляющие из себя трубки диаметром 2×0,2 из стали 12Х18Н10Т, предназначенные для подсоединения ДПЗ к технологической вакуумной системе в процессе вакуумной сушки пористой изоляции кабеля 4.
Коллектор 1 снабжен штенгелем 7, предназначенным для подсоединения ДПЗ к технологической вакуумной системе в процессе вакуумной сушки изоляционного элемента 3.
Штенгели 7 и 13 подсоединяются к технологической вакуумной системе, производится проверка герметичности сварных соединений ДПЗ масс-спектрометрическим методом, при необходимости производится исправление дефектов сварных соединений и повторная проверка герметичности.
После получения удовлетворительных результатов контроля герметичности производится подсоединение штенгелей 7 и 13 к технологической вакуумной системе и осуществляется вакуумная сушка изоляции элементов ДПЗ при температуре не ниже 150°С.
Качество сушки изоляции элементов ДПЗ контролируется по сопротивлению изоляции между выводами токовой и фоновой жил и
корпусом ДПЗ, которое является основным технологическим параметром, определяющим качество ДПЗ.
ДПЗ работает следующим образом. В активной зоне реактора после воздействия поток нейтронов на эмиттер 2 он становится радиоактивным и окончательным результатом радиоактивного распада являются электроны, которые проходят через изоляционный элемент 3 и достигают коллектора 1. При этом возникает ток, который пропорционален потоку нейтронов в месте расположения ДПЗ. Поток нейтронов, в свою очередь, пропорционален энерговыделению в ближайших тепловыделяющих элементах топливной кассеты.
В сравнении с известными заявляемый ДПЗ характеризуется повышенной технологичностью и ремонтопригодностью, а также возможностью контроля параметров на всех стадиях технологического процесса его изготовления.
Детектор нейтронов прямого заряда, содержащий коллектор, изготовленный из материала с малым сечением взаимодействия с нейтронами, эмиттер, выполненный в виде отрезка провода из родия, серебра, ванадия или капиллярной трубки, заполненной окисью гафния, электроизоляционной трубки из спрессованного порошка окиси магния или окиси алюминия, расположенной между эмиттером и коллектором, кабель с минеральной изоляцией, предназначенный для передачи электрического сигнала от эмиттера к электронной аппаратуре, элемент контроля фонового тока в виде вспомогательной токоведущей жилы кабеля, расположенной вдоль основной токоведущей жилы кабеля с минеральной изоляцией и изолированной от нее, установленный на конце кабеля гермоввод, к которому подсоединены основная и вспомогательная жилы кабеля, отличающийся тем, что гермоввод выполнен в виде элемента, представляющего из себя стакан с двумя фланцами, один из которых герметично подсоединяется к оболочке кабеля, а на другом фланце размещены металлокерамические изоляторы, один из которых предназначен для герметичного сварного подсоединения основной токоведущей жилы кабеля, а другой - для вспомогательной токоведущей жилы, причем с каждым металлокерамическим изолятором герметично соединен штенгель, предназначенный для обеспечения вакуумной сушки изоляции кабеля.
