Исследования БД на основе счётчиков СНМ-11

Ю.С.Коптелов, А.Ю.Миронов, Ю.Б.Прохоров, И.А.Щебатурин (ЗАО СНИИП-СИСТЕМАТОМ), ОПУБЛИКОВАНО 31.01.2016

С любезного разрешения ЗАО "СНИИП-СИСТЕМАТОМ" публикуем статью "Исследование чувствительности и оценка ресурсных характеристик блока детектирования на основе пропорциональных счётчиков СНМ-11".

УДК 620.93.

Авторы - Ю.С.Коптелов, А.Ю.Миронов, Ю.Б.Прохоров, И.А.Щебатурин, закрытое акционерное общество "СНИИП-СИСТЕМАТОМ", Россия, Москва, 123060, ул. Расплетина д.5, стр.10.

Аннотация

В работе приведены расчёты по выгоранию радиатора счётчика СНМ-11 в потоке тепловых нейтронов при номинальном уровне мощности ВВЭР-1000.

Произведена оценка срока полного выгорания радиатора, а также изменение чувствительности измерений при расходе ядер бора-10.

Произведён расчёт и обоснован выбор материалов и составных частей корпуса, оптимального количества счётчиков блока детектирования.

Ключевые слова: СУЗ, АКНП, блок детектирования, счётчик СНМ 11, чувствительность, скорость выгорания, ресурс.

Введение

Повышение технических и эксплуатационных характеристик аппаратуры контроля нейтронного потока (АКНП) для СУЗ АЭС с ВВЭР и ИЯР в России и за рубежом вот уже 45 лет является первостепенной задачей для ЗАО "СНИИП-СИСТЕМАТОМ" (ССА) (до 1994 года отделение НИЦ СНИИП).

За истекший период выработаны структурные, технические и конструктивные решения АКНП, подтверждённые длительным сроком эксплуатации [1].

На основе информации каналов АКНП в ССА при научном руководстве РНЦ-КИ разработаны и введены в эксплуатацию системы контроля энергораспределения и шумовой диагностики для ВВЭР, не имеющие аналогов в мире [2].

Одной из составных частей АКНП является устройство детектирования (УД), предназначенное для преобразования плотности потока тепловых нейтронов в нормализованный электрический сигнал (импульсы постоянного напряжения и длительности).

Для решения задач детектирования в АКНП ССА, как правило, применяются токовые камеры КНК-53М, КНК-17, КНК-4, камера деления КНК-15, импульсно-токовая камера КНУ-3, борные СНМ-11 и гелиевые СНП-18 пропорциональные счётчики.

ССА имеет положительный опыт работы АКНП на АЭС "Богунице" с блоком детектирования с пропорциональным борным счётчиком CPNB фирмы PHOTONIS [4].

Одной из насущных задач является повышение чувствительности при сохранении и расширении диапазона контроля и показателей надёжности УД АКНП в диапазоне источника с применением отечественных комплектующих изделий.

Как правило, для контроля плотности потока тепловых нейронов до пуска реактора на ВВЭР используются УД с пропорциональными счётчиками СНМ-11, применение которых обусловлено относительно высокой чувствительностью, но ограничивается эксплуатационными характеристиками [5], вследствие чего УД разрабатывались с перемещаемыми блоками детектирования.

Рассмотрим характеристики блока детектирования на основе нескольких пропорциональных счётчиков СНМ-11 в одном конструктивном исполнении, обоснуем возможность создания неперемещаемой конструкции УД, требования к конструктивным материалам применительно для реакторов ВВЭР-1000.

Оценим скорость выгорания ядер бора-10 и определим ожидаемую величину потери чувствительности при бесполезном нахождении счётчика в рабочем положении и выключенном высоком напряжении.

Определение скорости выгорания ядер бора-10

Физический процесс, используемый для получения сигнала в счётчике нейтронов, представляет собой реакцию взаимодействия нейтронов с ядрами бора-10 [6].

Для обеспечения максимально достижимой чувствительности толщина слоя бора должна быть больше, но не должна значимо превышать длины свободного пробега α-частицы, чтобы она не поглотилась следующим атомом бора в нанесённом слое.

Появляется задача оптимизации. Примем в качестве критерия толщину слоя равной длине свободного пробега α-частицы в веществе и оценим число ядер бор-10.

Длину свободного пробега α-частицы в нужной среде можно вычислить из следующего соотношения [7]:

где:

       l_α - длина свободного пробега α-частицы;

       А - атомная масса среды;

       ρ - плотность среды;

       Е_α - энергия α-частицы.

Для среды, состоящей из атомов бора-10, эти показатели следующие [8]:

       А_B10 = 10,0 г;

       ρ = 2,34 г/см³;

       Е_α = 2,8 МэВ.

Подставив значения, получим:

Так как l_α=6,33×10^-4 см, следовательно, объём, который пройдёт α-частица, равен 6,33×10^-4 см³, тогда на 1 см² приходится следующее количество бора-10:

Теперь рассчитаем площадь боковой поверхности [10], на которой нанесён бор-10, счётчик представляет собой цилиндр высотой 33,6 см [5]:

где:

       d_осн= 18,5 мм = 1,85 см;

       r = 0,925 см.

Тогда на поверхности цилиндра нанесено:

На 10 г бора приходится 6,02×10²³ ядер (молекул), (число Авогадро) [9].

На 0,29 г приходится N_B = 0,174088×10²³ ядер.

Теперь рассчитаем, сколько атомов бора выгорит за 1 сек под потоком нейтронов n=2,2×10⁹ n/(см²с) [12]. Взяв интеграл по времени от n(t), получим, что на 1 см² попадает 2,2×10⁹ нейтронов в секунду, s=6±2 - чувствительность, которую должен выдавать датчик в заданном потоке.

Число взаимодействий К за секунду нейтронов и атомов бора равно:

Оценим, за какое время чувствительность изменится на приемлемо малую величину от начального значения при полученной скорости выгорания ядер бора-10.

За год выгорит:

Следовательно, после года работы датчика на поверхности счётчика останется:

то есть, за год выгорит ≈0,5% ядер бора-10, следовательно, и чувствительность ухудшится на ≈0,5%.

Данные расчёты указывают на возможность применить счётчик СНМ-11 в конструкции нового невыгружаемого блока детектирования в новых условиях эксплуатации.

Выбор материалов для блока детектирования

Также важным параметром для разрабатываемого блока детектирования является выбор материала для составных частей конструкции.

Изначально основным материалом был алюминиевый сплав, а сам блок детектирования перемещался по каналу. Сегодняшние условия эксплуатации не позволяют его перемещать, поэтому использовать алюминиевый сплав нецелесообразно.

Также недостатком является плохая свариваемость алюминиевых сплавов, так как очень сложно произвести сварку без микротрещин, то есть, нельзя обеспечить герметичность блока детектирования.

Таким образом, оптимальным материалом для разрабатываемого БД по-прежнему остаётся нержавеющая сталь 12Х18Н10Т.

Этот материал обладает следующими свойствами:

      - обладает коррозионной стойкостью без дополнительных гальванических покрытий;

      - выдерживает влияние высоких температур до 600°С и давления до 850МПа;

      - обладает хорошей свариваемостью.

Расчёт толщины стенки корпуса нового невыгружаемого блока детектирования

Рассчитаем оптимальную толщину стенки корпуса для разрабатываемого блока детектирования. Воспользуемся следующей формулой для расчёта [11]:

где:

       s - толщина стенки цилиндрического корпуса;

       P - рабочее давление в МПа;

       D - наружный диаметр трубы, мм;

       n - запас прочности;

       σ_B - временное сопротивление при растяжении, МПа.

Для режима "большой" аварии эти параметры следующие [12]:

       P = 0,51 МПа;

       D = 65 мм;

       n = 25;

       σ_B = 540 МПа.

Подставив значения в формулу (3), получим:

Примем толщину стенки равной s=0,77 мм.

Сравнение чувствительностей

Сравним чувствительности блоков детектирования в зависимости от материала корпуса - алюминий и нержавеющая сталь. В качестве детектора будем использовать один и тот же пропорциональный счётчик нейтронов, помещая его поочередно в колбы, изготовленные из разных материалов.

Для создания потока тепловых нейтронов использовалась установка УРН-1 (Фото 1), представляющая собой полиэтиленовый куб с установочной нишей под источник нейтронов.

В качестве источника нейтронов применялся плутоний-бериллиевый источник, обеспечивающий поток тепловых нейтронов в месте расположения блока детектирования в замедлителе 1017±10% нейтрон/(см²×с) [3].

Определяли скорость счёта, то есть, при неизменном пороге дискриминации выше уровня шумов коронного разряда сняли показания числа импульсов в секунду [12]. Все испытания проводились в контролируемых нормальных лабораторных условиях.

Фото 1. Общий вид УРН-1 с размещённым блоком детектирования.

Структурная схема и внешний вид измерительного стенда приведены на Рис.1 и Фото 2, соответственно.

Рис.1. Структурная схема измерительного стенда.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Фото 2. Внешний вид измерительного стенда.

Проводили по пять измерений при каждом уровне дискриминации. При этом сняли дискриминационные характеристики с источником нейтронов.

На Рис.2 в качестве примера приведён выходной сигнал на линейном выходе импульсного усилителя от нейтронов и шумов коронного разряда счётчиков СНМ-11.

Рис.2. Осциллограмма выходного сигнала на линейном выходе импульсного усилителя от нейтронов и шумов коронного разряда счётчиков СНМ-11.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Рис.3. Результаты измерений.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Полученная разность чувствительности для блоков детектирования с разным материалом корпуса составляет не более 6%, что допустимо, так как при такой разнице, при пороге дискриминации выше уровня шумов, обеспечивается нужная, заданная проектными условиями, величина чувствительности блока детектирования.

Определение оптимального количества счётчиков

Проведены лабораторные исследования по определению оптимального количества счётчиков нейтронов СНМ-11 при размещении в одном конструктивном исполнении.

Испытания проводились поочерёдно с одним, двумя, тремя, четырьмя и пятью счётчиками, размещение которых показано на Рис.4. Результаты лабораторных исследований представлены в виде графиков на Рис.5.

Рис.4. Расположение счётчиков СНМ-11 в корпусе БД.

Рис.5. Результаты измерений скорости счёта.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

       U_д - уровень дискриминации, мВ;

       N - скорость счёта импульсов БД, с^-1.

Значение основной абсолютной погрешности измерений составляет не более ±(N×10^-4 + 1).

Результаты эксперимента показали, что увеличение числа счётчиков в конструкции блока детектирования приводит к увеличению скорости счёта, а, следовательно, и самой чувствительности.

Определим зависимость скорости счёта от количества счётчиков в блоке детектирования. Для неизменяемого порога дискриминации, равного 350 мВ, значения для каждого из измерений будут следующие (Таблица 1):

Таблица 1.
Значения скорости счёта для каждого из измерений
для порога дискриминации 350 мВ.

Количество счётчиков		1		2		3		4		5
N, с-1		2932		4134		5110		5868		6546

Взяв отношение каждой скорости счёта к скорости счёта одного счётчика, получим:

Из приведённых расчётов видно следующее, что при количестве счётчиков n=2 скорость счёта по отношению к скорости счёта одного счётчика равна 1,4010, что приблизительно равно √n.

Также и для других отношений:

Тогда зависимость скорости счёта от количества счётчиков в блоке детектирования имеет следующий вид:

где:

       N_n - скорость счёта n счётчиков;

       n - количество счётчиков в блоке детектирования;

       N₁ - скорость счёта одного счётчика.

Так как скорость счёта пропорциональна чувствительности для определённого уровня дискриминации, в нашем случае U_д=350 мВ, и равна
S = N/Φ, то и для чувствительности справедлива зависимость (4), то есть:

Из полученной зависимости можно теоретически рассчитать, как изменится скорость счёта блока детектирования при увеличении счётчиков, например, до десяти. Результаты расчётов приведены в Таблице 2.

Таблица 2.
Теоретические значения скорости счёта для 6...10 счётчиков.

Количество счётчиков		6		7		8		9		10
N, с-1		7182		7756		8292		8796		9272

Зависимость скорости счёта от количества счётчиков представлена на Рис.6.

Рис.6
Зависимость скорости счёта от количества счётчиков в блоке детектирования
при пороге дискриминации равном 350 мВ.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

Заключение

Приведённые в данной работе расчёты и измерения позволяют сделать следующие выводы:

      - теоретически подтверждается возможность использования счётчиков СНМ-11 в конструкции разрабатываемого блока детектирования потока тепловых нейтронов в диапазоне источника на ВВЭР-1000;

      - экспериментально получена разность чувствительности для блоков детектирования с разным материалом корпуса; разница по измерениям составляет не более 6%, что допустимо, так как при такой разнице, при пороге дискриминации выше уровня шумов, обеспечивается нужная, заданная проектными условиями, величина чувствительности блока детектирования;

      - найдено оптимальное количество счётчиков в зависимости от диапазона контроля, линейности и чувствительности БД в соответствии с требованиями к аппаратуре перегрузки топлива для ВВЭР-1000, а также их расположение в корпусе БД в зависимости от конструктивных размеров каналов ИК.

Дальнейшие задачи исследований

      - Разработать конструкцию блока детектирования, которая будет содержать более пяти счётчиков, провести испытания на чувствительность.

      - Произвести модернизацию счётчиков, исключить уязвимые элементы конструкции, произвести испытания и проанализировать результаты.

      - Провести испытания на чувствительность к потоку тепловых нейтронов.

      - Сравнить результаты измерений с результатами, приведёнными в данной работе.

Авторы признательны Соколову И.В. за идею написания этой статьи.

Авторы благодарят Заикина А.А. Маленкина Д.А., Бахарева С.А. за предоставленные материалы и ценные советы и других сотрудников ССА за работы в подготовке экспериментов. Также авторы благодарят Шикалова В.Ф. НИЦ "Курчатовский институт".

Литература

[1] - Borovik G.F. and other. The hardware complex of neutron flux monitoring system for control and protection of pressurized-water reactor. Nuclear energy t.54, rel.1, January 1983.

[2] - Gusarov A.M., Greckij L.Yu., Zhernov V.S., Kamyshan A.N., Konoplev N.P., Miroshnik Ju.M., Pronjakin A.V., Sokolov I.V., Jakushev A.G. Management system protective action of PWR. Nuclear measurement and information technology, № 1, 2004.

[3] - Sources of neutron radiation. JSC "V/O "Isotop", http://www.isotop.ru/.

[4] - The boron-lined proportional counters (CPNB), PHOTONIS, https://www.photonis.com/en/product/boron-lined-proportional-counters.

[5] - Reference of label counter SNM-11. DGYP NPC "Detector".

[6] - Matveev V.V., Khazanov B.I. // Devices for measurement ionizing radiation. Moscow, Atomisdat Publ., 1967.

[7] - Mashkovich V.P., Kudryavceva A.V. // Directory. Protection against ionizing radiation. Moscow, Energoatomisdat Publ., 1995.

[8] - Skalnyi A.V., Rudakov I.A. // Bioelements and medicine. Moscow, Mir Publ., 2004.

[9] - The great Soviet encyclopedia. Moscow, Soviet encyclopedia Publ.,1926-1990.

[10] - Prokop'ev A.A., Gysev V.A. // Geometry. Full guide. Moscow, Makhaon Publ., 2006.

[11] - Anyr'ev V. I. // The reference design of mechanical engineering, Moscow, Mechanical Publ., 2006.

[12] - Technical task for neutron flux monitoring equipment AKNP-32R RUNK.501319.103 TU.

---

Annotation

Research of the sensitivity and the estimation resource characteristics of the detection unit on the basis of proportional counters SNM-11

Y.S. Koptelov, A.Y. Mironov, Y.B. Prokhorov, I.A. Schebatyrin

Joint stock company "SNIIP-SYSTEMATOM", Russia, Moscow, 123060, 5, Raspletina str., building 10

The paper presents the calculations for the burn up of the radiator counter SNM-11 in the thermal neutron flux at the rated power level of the PWR-1000. Estimated date for the complete burnout of the radiator, and also change the sensitivity of measurements at the urban nuclei of boron-10. The calculation and the choice of materials and component parts of the body, the optimal number of counters of the detecting unit are made.

Keywords: SCP, NFME, detection unit, the counter SNM 11, sensitivity, speed of burnout, resource.

Ключевые слова: КИПиА, СНИИП, Статьи

---

Другие новости:

70 лет ОКБ "ГИДРОПРЕСС"

Фоторепортаж о торжественном заседании.

БН-800 впервые вышел на 50%

Далее - этап ОПЭ.

Росатом: основной этап строительства Курской АЭС-2 начнётся в 2016 году

Работы начнутся в этом году, но, возможно, будут вестись не с той скоростью, как планировалось.

---

---

---

---

Поиск по сайту: