Ионизационная камера деления

Полезная модель - ионизационная камера деления (ИКД) относится к технике измерения ионизирующих излучений, в частности, к оборудованию системы управления и защиты ядерных реакторов, установленных на передвижных транспортных средствах, и используется в качестве внутриреакторного детектора нейтронного потока.

Сущность полезной модели заключается в том, что ионизационная камера деления представляет собой неразъемную многосекционную сборку электродных секций, собранных в виде обоймы. Каждая секция содержит наружный электрод с коаксиально расположенным ему внутренним электродом, изолированными друг от друга при помощи выносного дистанционирующего изолятора, установленного на державке внутреннего электрода. На внутреннюю поверхность наружного электрода и на наружную поверхность внутреннего электрода нанесено покрытие из делящегося материала.

Предложенная конструкция ИКД характеризуется высокой устойчивостью к механическим воздействиям, малыми габаритами и высокой чувствительностью.

2 иллюстрации.

Полезная модель - ионизационная камера деления (обозначаемая далее «ИКД») относится к технике измерения ионизирующих излучений, в частности, к оборудованию системы управления и защиты ядерных реакторов, установленных на передвижных транспортных средствах, и используется в качестве внутриреакторного детектора нейтронного потока.

К основным требованиям, предъявляемым к ИКД, относятся высокая чувствительность и надежность при минимальных поперечных габаритных размерах. Среди ионизационных камер деления так называемые малогабаритные ИКД являются единственным внутриреакторным детектором, способным контролировать плотность нейтронного потока внутри активной зоны в различных режимах работы реактора: в режиме источника, при переходном режиме и при выводе реактора на номинальную мощность. Таким образом, для внутризонных измерений ограничение по диаметру ИКД является одним из критических параметров.

Известна ионизационная камера деления, включающая трубчатый корпус с аксиально-концентрическими внутренними электродами с нанесенными на них покрытиями из делящегося материала и содержащая изоляторы (Ф.Пешке. Камера деления для измерения нейтронов. А.с. СССР №161085. МПК³ G 01 Т 3/00, Н 01 J 47/12. Заявл. 28.05.1962. Опубл. 09.03.1964, бюл. №6).

Данная конструкция позволяет расширить диапазон измерения нейтронов за счет использования нескольких коммутируемых катодов и анодов, покрытых различными радиоактивными материалами, обладающими различной способностью к расщеплению, или материалами

с одинаковой способностью к расщеплению, но различной толщины или площади. Основным недостатком известной многоэлектродной ИКД являются ее габаритные размеры, которые не позволяют использовать данную конструкцию для внутризонных измерений.

Известна ионизационная камера деления, включающая трубчатый корпус, в котором коаксиально расположен внутренний электрод, разделенный с корпусом дистанционирующими изоляторами, металлокерамический узел и штенгель (В.И.Алексеев, И.Я.Емельянов, В.М.Иванов и др. Ионизационная камера. А.с. СССР №482704. МПК³ G 01 Т 3/00. Заявл. 03.08.1973. Опубл. 05.08.1976, бюл. №29). Кроме того, в корпусе по длине камеры установлены наружный собирающий и промежуточный охранный коаксиальные электроды. Промежуточный охранный электрод отделен наружными дистанционирующими изоляторами от корпуса и внутренними изоляторами от внутреннего электрода, с которым соединен изолированными токопроводящими перемычками наружный собирающий электрод, разделенный по длине на расположенные с зазором между наружными дистанционирующими изоляторами секции, которые отделены изоляторами от промежуточного охранного электрода, а от трубчатого корпуса камеры - газонаполненным промежутком, причем покрытие из делящегося материала нанесено на внешнюю поверхность собирающего электрода.

Рассмотренная конструкция ионизационной камеры нашла широкое применение при контроле нейтронного потока внутри корпуса ядерного реактора вне его активной зоны. Ионизационная камера конструктивно объединяется с линией связи и внешним корпусом в единое устройство, называемое подвеской ионизационной камеры.

Недостатком данной конструкции является необходимость использования многочисленных дополнительных элементов: наружный собирающий и промежуточный охранный коаксиальные электроды, наружные дистанционирующие изоляторы, внутренние изоляторы,

изолированные токопроводящие перемычки, выполнение в виде секций наружного собирающего электрода, зазоры между секциями. Указанные дополнительные элементы обеспечивают требования к сопротивлению изоляционных материалов при эксплуатации ИКД в условиях длительного воздействия интенсивных полей излучения и высоких температур. Однако наличие в конструкции камеры такого большого числа дополнительных элементов приводит на практике к невысокой надежности рассмотренной ИКД.

Известна ионизационная камера деления, включающая трубчатый корпус с коаксиально расположенными в нем внутренним электродом, на который нанесено покрытие из делящегося материала, и дистанционирующими изоляторами, металлокерамический узел и штенгель (Малышев Е.К., Стабровский С.А. Малогабаритные ионизационные камеры и их применение на ядерных реакторах. - Атомная техника за рубежом, 1983, №12, с.10-17).

Указанная конструкция ИКД характеризуется малым диаметром, но недостаточно высокой чувствительностью и может быть использована для контроля нейтронного потока вне активной зоны реактора. Однако данная ИКД не может быть использована для контроля нейтронного потока внутри активной зоны судового реактора из-за недостаточной механической прочности, обусловленной, в первую очередь, низкой устойчивостью ИКД к поперечным механическим воздействиям.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является ионизационная камера деления, включающая трубчатый корпус, представляющий собой наружный электрод, с коаксиально расположенными в нем внутренним электродом, покрытием из делящегося материала и дистанционирующими изоляторами, металлокерамический узел и штенгель. Трубчатый корпус камеры выполнен в виде неразъемной многосекционной сборки, при этом в каждой секции с внутренней стороны трубчатого корпуса сформированы торцевые выборки, в которых

установлены дистанционирующие изоляторы с перекрытием объема выборок соседних секций. Металлокерамический узел и штенгель зафиксированы изоляторами торцевых выборок оконечных секций и охватывающими спаями, а покрытие из делящегося материала нанесено на внутреннюю поверхность корпуса между изоляторами (С.В.Алексеев, В.В.Школяренко, Г.П.Кириченко. Ионизационная камера деления. Патент РФ на изобретение №2223519. С1 7 G 01 Т 3/00, Н 01 J 47/12. Заявл. 14.08.2002. Опубл. 10.02.2004).

Данная ИКД обладает достаточной чувствительностью и может использоваться для контроля нейтронного потока внутри активной зоны стационарных реакторов типа РБМК-1000. Но ей присущ тот же недостаток, что и предыдущему аналогу, а именно - невозможность использования для контроля нейтронного потока внутри активной зоны реакторов, установленных на передвижных транспортных средствах, из-за недостаточной механической прочности, обусловленной, в первую очередь, низкой устойчивостью ИКД к поперечным механическим воздействиям.

Перед авторами полезной модели стояла задача разработать конструкцию ИКД способную выдерживать в процессе эксплуатации большие механические нагрузки при сохранении высокой чувствительности ИКД к нейтронному потоку.

Поставленная задача достигается тем, что в ионизационной камере деления, выполненной в виде многосекционной неразъемной сборки электродов, каждая секция которой содержит наружный электрод с нанесенным на его внутреннюю поверхность делящимся материалом и с коаксиально расположенным в нем внутренним электродом, изолированными друг от друга дистанционирующими изоляторами, многосекционная сборка электродов представляет собой обойму с параллельно расположенными в ней электродными секциями, при этом на наружную поверхность внутреннего электрода нанесено покрытие из

делящегося материала, а внутренний электрод изолирован от наружного электрода при помощи выносного дистанционирующего изолятора, установленного на державке внутреннего электрода.

В заявляемом техническом решении электродная часть выполнена в виде неразъемной многосекционной сборки электродов. Выполнение электродной части в виде многосекционной сборки электродов, собранных в обойму и расположенных параллельно друг другу позволяет сохранить требуемую чувствительность камеры и обеспечить необходимую механическую устойчивость камеры при вибрационных нагрузках до 20g. Кроме того, для обеспечения требуемой чувствительности камеры на наружную поверхность внутреннего электрода дополнительно нанесено покрытие из делящегося материала.

Выполнение ИКД секционной позволяет формировать однородное по плотности покрытие из делящегося материала на внутренней поверхности наружного электрода и наружной поверхности внутреннего электрода каждой отдельной секции корпуса.

Неразъемная многосекционная сборка допускает надежное конструктивное объединение ионизационной камеры с линией связи в единое устройство - подвеску ионизационной камеры, допускающее при достигнутых минимальных продольных размерах (компактности) ее размещение внутри канала активной зоны реактора. Устойчивость неразъемной многосекционной сборки к механическим воздействиям при эксплуатации камеры в реакторе обеспечивается при помощи выносного дистанционирующего изолятора, установленного на державке внутреннего электрода. Дистанционирующие изоляторы обеспечивают постоянный зазор между наружным и внутренним электродами для обеспечения электрического сопротивления изоляции.

Выполнение ИКД в виде неразъемной многосекционной сборки обеспечивает ее малогабаритность и сохраняет возможность ее размещения внутри активной зоны реактора, а также решает проблему

сохранения чувствительности ИКД за счет набора требуемой площади покрытия из делящегося материала.

Дистанционирующие изоляторы, установленные на державках внутренних электродов, позволяют надежно фиксировать относительное расположение элементов неразъемной сборки.

В заявляемом устройстве решается проблема повышения способности ИКД выдерживать большие механические нагрузки, в процессе эксплуатации при сохранении высокой чувствительности ИКД к нейтронному потоку. Заявляемая ИКД, входящая в состав двухсекционной подвески ионизационных камер ИКС-П-2, позволяет обеспечить ядерную безопасность и контроль состояния судового атомного реактора при эксплуатации.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 схематически изображена конструкция заявляемой ионизационной камеры деления. На фиг.2 показано поперечное сечение ИКД (вид А-А).

Ионизационная камера деления состоит из трубчатого корпуса 1, в котором параллельно расположены наружные 2 и внутренние электроды 3, собранные в многосекционную неразъемную сборку в виде обоймы. Внутренний электрод 3 изолирован от наружного электрода 2 при помощи выносных дистанционирующих изоляторов 4. Выносные Дистанционирующие изоляторы 4 установлены на державках 5 внутренних электродов 3. На внутреннюю поверхность наружного электрода 2 нанесено покрытие 6 из делящегося материала. На наружную поверхность внутреннего электрода 3 нанесено покрытие 7, поверхностная плотность которого может варьироваться в зависимости от требуемой чувствительности ИКД.

ИКД представляет собой многосекционную сборку. Количество секций определяется типом реактора и связанными с ним требуемой чувствительностью ИКД и ее габаритными ограничениями.

Для надежного и достоверного контроля нейтронных потоков при работе судового атомного реактора, например, реактора лихтеровоза «Севморпуть» чувствительность ИКД должна быть на уровне 0,2 импульссм²/нейтрон. ИКД по прототипу не позволяла осуществлять контроль нейтронного потока судового реактора из-за несоответствия габаритов ИКД и ее механических характеристик. Существуют ограничения, как по наружному диаметру корпуса, так и на общую длину ИКД.

Трубчатый корпус 1 ИКД представляет собой трубку диаметром 20 мм и длиной 880 мм. Внутри корпуса расположена многосекционная неразъемная сборка наружных 2 и внутренних электродов 3. Количество электродов в секции ИКД для судового реактора составляет 19. Основными материалами конструкции ИКД служат нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и высокоглиноземная керамика ВК-100-2. Внутренний электрод 3 выполнен из проволоки диаметром 0,8 мм. Дистанционирующие изоляторы 4 выполнены в виде цилиндра диаметром 2,5 мм, длиной 6 мм с отверстием диаметром 0,9 мм. Содержание Аl₂О₃ в дистанционирующих изоляторах составляет ˜99%.

В качестве делящегося материала покрытия использованы окислы урана с обогащением по изотопу ²³⁵U до 95%. Поверхностная плотность покрытия составляет ˜1 мг/см² , подобрана экспериментально и согласуется с рекомендуемыми значениями, представленными в специальной литературе. Нанесение покрытия 6 и 7 осуществляют методом термического разложения металлоорганических комплексов урана на основе альфа - разветвленных карбоновых кислот ряда С₇-С₉.

Сборка ионизационной камеры деления в неразъемную многосекционную конструкцию заключается в соединении наружных электродов в специальном приспособлении при помощи лазерной сварки (сварка на чертеже обозначена символом сварки в соответствии с ЕСКД). В процессе сборки ИКД производится промежуточный пооперационный

контроль электрического пробоя межэлектродного зазора и сопротивления изоляции.

Надежная работа ИКД обеспечивается постоянным составом и давлением газовой смеси в межэлектродном зазоре. Межэлектродный зазор составляет 0,6-1,0 мм согласно соответствующей конструкторской документации. Степень герметичности ИКД определяется массспектрометрическим методом на всех этапах изготовления.

ИКД работает следующим образом. При облучении камеры потоком нейтронов происходит деление ядер покрытия из делящегося материала. Осколки деления ионизируют рабочую газовую смесь в межэлектродном зазоре, и образующийся объемный электрический заряд создает импульс тока, регистрируемый вторичной электронной аппаратурой. При этом количество импульсов тока пропорционально плотности нейтронного потока. В зависимости от количества импульсов ИКД работает в импульсном, флуктуационном и токовом режимах.

Заявляемое устройство позволяет решить проблему контроля плотности нейтронного потока внутри активной зоны в различных режимах работы реактора, включая контроль нейтронных потоков минимальной плотности и их распределение внутри активной зоны. С использованием данного устройства могут быть успешно проведены перегрузки топлива и физпуски реакторов, установленных на транспортных средствах, таких как атомный лихтеровоз «Севморпуть», а также атомные ледоколы «Советский Союз», «Арктика», «Россия», «Таймыр».

Ионизационная камера деления, выполненная в виде многосекционной неразъемной сборки электродов, каждая секция которой содержит наружный электрод с нанесенным на его внутреннюю поверхность делящимся материалом и с коаксиально расположенным в нем внутренним электродом, изолированные друг от друга дистанционирующими изоляторами, отличающаяся тем, что многосекционная сборка электродов представляет собой обойму с параллельно расположенными в ней электродными секциями, при этом на наружную поверхность внутреннего электрода каждой секции нанесено покрытие из делящегося материала, а внутренний электрод изолирован от внешнего электрода при помощи выносного дистанционирующего изолятора, установленного на державке внутреннего электрода.