ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 15-20
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.1074
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПОЛНОГО
ВЫХОДА НЕЙТРОНОВ НА ITER
© 2004 г. И. Н. Аристов, В. Ф. Данилов, Н. Р. Кузелев
ФГУП "ВНИИ технической физики и автоматизации" Россия, 115230, Москва, Варшавское ш., 46 E-mail: vniitfa@tsmail.ru Поступила в редакцию 24.06.2003 г. После доработки 11.11.2003 г.
Описаны конструкция блока детектирования с линией связи для регистрации медленных нейтронов на основе камеры деления КНТ23-1 и блока счетчиков нейтронов СНМ67Б и конструкция блока детектирования с пороговой камерой деления КНТ23-8 и с линией связи для регистрации быстрых нейтронов. Приведены параметры разработанных блоков детектирования с линиями связи.
ВВЕДЕНИЕ
За последние несколько лет нашим предприятием разработан ряд блоков детектирования с линией связи для АЭС с реактором типа РБМК. Один из них - блок детектирования с линией связи широкодиапазонного канала (ш.д.к.) с диапазоном регистрации от 10-10 до 1.5 номинальной мощности реактора - успешно выдержал приемочные и сертификационные испытания, в том числе на сейсмостойкость, вибропрочность, виброустойчивость и электромагнитную совместимость в импульсном и токовом режимах. В настоящее время блоки детектирования с линиями связи ш.д.к. эксплуатируются на первом блоке Курской АЭС [1].
В процессе совершенствования технологии изготовления нейтронных ионизационных камер, счетчиков нейтронов, блоков детектирования с линиями связи появились специальные приемы работ, методы выбора и обработки радиационно-стойких материалов, методики испытания радиометрических параметров, и проведен анализ структурной модели надежности ионизационных камер и отдельных узлов. Кроме того, для подтверждения показателей надежности разработана методика ускоренных испытаний [2], которая позволила значительно сократить сроки ресурсных испытаний.
Научно-технический потенциал в данном направлении дал возможность реализовать полученный задел в разработке блоков детектирования с линиями связи для установки на Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER).
ПОСТАНОВКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ И ПУТИ РЕШЕНИЯ
Разрабатываемые блоки детектирования должны соответствовать следующим техническим требованиям:
1) блок детектирования с линией связи для регистрации медленных нейтронов:
- чувствительность детекторов к медленным нейтронам (три уровня) - не менее 10, 1.3 и 1.3 ■ 10-3 импульсов ■ см2;
- средний заряд в импульсе - не менее 2 ■ 10-13 Кл;
- время собирания заряда - не более 100 нс.
2) блок детектирования с линией связи для регистрации быстрых нейтронов:
- чувствительность к быстрым нейтронам - не менее 6 ■ 10-4 импульсов ■ см2;
- средний заряд в импульсе - не менее 2 ■ 10-13 Кл;
- время собирания заряда - не более 100 нс;
- площадь электродов, покрытых радиатором при малых габаритных размерах детектора (020, длина 280 мм), - не менее 700 см2.
К разрабатываемым блокам детектирования с линией связи предъявлялись повышенные требования по помехозащищенности и гамма-стойкости.
Проблемы помехозащищенности и гамма-стойкости импульсных измерений решаются конкретно для каждого тракта регистрации. В разрабатываемых блоках детектирования с линией связи эта проблема решалась путем повышения чувствительности ионизационных камер, увеличения амплитуды импульса, введения в конструкцию блоков детектирования с линией связи электростатического и электромагнитного экранов, применения в качестве линии связи многоэкранного кабеля, увеличения помехозащищенности регистрирующей аппаратуры.
Рис. 1. Внешний вид камеры КНТ23-1.
При разработке ионизационных нейтронных камер решался вопрос оптимизации параметров камер, линий связи и аппаратуры в целях улучшения нейтронных характеристик. Оптимизируемыми параметрами ионизационных нейтронных камер обычно являются межэлектродный зазор, состав и давление рабочего газа, площадь и поверхностная плотность радиатора. Кроме того, параметры ионизационной нейтронной камеры связаны с постоянными времени формирования сигнала в аппаратуре. Влияние параметров конструкции камер на ее импульсную чувствительность связано с понятием эффективности регистрации нейтронных импульсов:
Лимп _ ^имп^^ ,
где Пимп, импульсов ■ см2 - импульсная чувствительность камеры к нейтронам; £имп - эффективность регистрации нейтронов в импульсном режиме (импульсная эффективность); , см2 - сечение деления радиатора нейтронами; п - число делящихся ядер в камере.
Величина £имп по определению меньше единицы и приблизительно равна единице при оптимальных параметрах камеры. Импульсную эффективность можно представить как произведение отдельных величин £апп, £п и £геом, учитывающих соответственно потери импульсов в аппаратуре, потери осколков деления при выходе из слоя покрытия радиатора и геометрические потери за счет выхода осколков деления из рабочего объема камер. Малый рабочий зазор и высокое давление газа в значительной степени снижают геометрические потери в камерах. Потери осколков в покрытии радиатора зависят от поверхностной плотности радиатора. Однако для сохранения чувствительности при снижении плотности радиатора требуется увеличение площади покрытия, что приводит к увеличению электрической емкости и соответствующему изменению многих параметров камеры. Еще более сложно влияют на импульсную чувствительность состав и давление газа-наполнителя [3].
Одним из необходимых условий регистрации медленных нейтронов за пределами вакуумной
камеры является высокая чувствительность детектора. Максимальные значения импульсной чувствительности серийных камер деления достигают 1.3 импульсов ■ см2 и ограничены возрастанием а-фона радиатора и электрической емкостью камер.
С целью повышения чувствительности в конструкцию разрабатываемого блока детектирования с линией связи для регистрации медленных нейтронов кроме камеры деления введен блок счетчиков нейтронов с твердым радиатором 10В 95%-ного обогащения. Использование в качестве радиатора газов 3Не или ВБ3 нецелесообразно из-за низкой гамма-стойкости счетчика нейтронов с этими радиаторами.
Одним из требований к блоку детектирования с линией связи для регистрации быстрых нейтронов, устанавливаемому в щели между бланкетами в вакуумной камере, являлось получение максимально возможной чувствительности к быстрым нейтронам при малых габаритных размерах детектора, ограниченных размерами места установки блока детектирования. Выпускаемые в настоящее время в России серийные пороговые камеры деления имеют низкую чувствительность к быстрым нейтронам (порядка 10-6 импульсов ■ см2).
Технические решения, использованные в блоке детектирования с линией связи ш.д.к., позволили разработать блоки детектирования с линиями связи по техническим требованиям ТРИНИТИ. В рамках работы по проектированию были разработаны:
• блок детектирования с линией связи ионизационной камеры КНТ23-1 (радиатор 235и 90%-ного обогащения) и блока счетчиков нейтронов СНМ67Б (радиатор 10В 95%-ного обогащения) для внешнего мониторинга нейтронного потока (регистрации медленных нейтронов);
• блок детектирования с линией связи пороговой ионизационной камеры деления КНТ23-8 (радиатор 238и 99.9999%-ного обогащения) для внутреннего мониторинга нейтронного потока (регистрации быстрых нейтронов).
КОНСТРУКЦИЯ КАМЕРЫ ДЕЛЕНИЯ КНТ23-1 И СЧЕТЧИКА НЕЙТРОНОВ СНМ67Б
Для регистрации медленных нейтронов импульсная камера деления КНТ23-1 и блок счетчиков нейтронов СНМ67Б используются в качестве базовых датчиков.
Камера КНТ23-1 (рис.1) конструктивно является частью серийно выпускаемой нашим предприятием камеры КНУ3 [4] и представляет собой размещенные в одном объеме две ионизационные камеры деления с отношением чувствитель-ностей к тепловым нейтронам 1/1000.
5 4
Рис. 2. Счетчик нейтронов СНМ67Б. 1 - катод; 2 - радиатор 10В; 3 - анод; 4 - изолятор; 5 - газопоглотители.
3 1 2 4
-
Рис. 3. Камера деления КНТ23-8. 1 - трубки с радиатором 238и; 2 - керамические втулки; 3 - корпус; 4 -металлокерамические узлы.
Каждая камера состоит из набора пластин, покрытых 235и. Высокочувствительная камера содержит 53 пластины с общей площадью покрытия радиатором 1300 см2, плотностью покрытия 1 мг/см2. Низкочувствительная камера содержит три пластины с общей площадью покрытия радиатором 25 см2, плотностью покрытия 0.06 мг/см2. Каждая пластина в электродных системах камер закреплена с помощью контактно-точечной сварки на металлических стойках, которые изолированы от корпуса камеры опорными керамическими изоляторами из терморадиационно-стойкой керамики ВК-100-2.
Обе камеры размещены в одном корпусе из нержавеющей стали, изготовленном из трубы 050 мм.
Выводы электродов каждой камеры осуществляются через металлокерамические узлы, размещенные на верхнем фланце камеры.
Камеры обезгаживаются в вакууме при повышенной температуре и наполняются смесью инертных газов (4Не, К2, Лг).
Для измерения нейтронного потока, меньшего 0.1 нейтронов/см2с, в блоке детектирования с линией связи установлен блок пропорциональных нейтронных счетчиков СНМ67Б (рис. 2). Катодом 1 счетчика служит его корпус. На внутреннюю поверхность катода нанесено покрытие 2, содержащее 10В. Площадь покрытия 200 см2. Внутри катода коаксиально расположен анод 3 из молибденовой нити. Для повышения радиационной стойкости в качестве изоляторов 4 в счетчике применяется терморадиационно-стойкая керамика. После обезгаживания при повышенной температуре нейтронные счетчики наполняются смесью инертных газов (4Не, Лг).
Для стабилизации параметров счетчиков нейтронов СНМ67Б в широком диапазоне температур применяется газопоглотитель КНТ-18 (5), связывающий примеси молекулярных газов. При этом состав наполнителя (смеси инертных газов) остается практически неизменным.
Блок счетчиков отличается высокой стабильностью параметров при воздействии повышенных температур до 200°С (отклонение скорости счета <10%) и у-излучения до 500 Р/ч.
Термостойкость счетчиков подтверждалась измерением отклонения скорости счета.
КОНСТРУКЦИЯ ПОРОГО
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.