Измерение энерговыделения в активной зоне ВВЭР. Детекторы прямого заряда

Для измерения распределения энерговыделения по объему активной зоны в системе ВРК используются детекторы прямой зарядки (ДПЗ) с эмиттером из родия. По сравнению с другими типами нейтронно-чувствительных детекторов ДПЗ обладают следующими преимуществами:

· Малые габариты позволяют разместить в реакторе большое количество детекторов, необходимое для получения детальной картины распределения энерговыделения по объему активной зоны;

· ДПЗ не требуют внешнего источника питания, имеют достаточно высокую надежность, срок службы не менее одной кампании реактора, их чувствительность мало изменяется в процессе эксплуатации, и эти изменения можно скорректировать расчетным путем;

· ДПЗ просты по конструкции, технологичны при изготовлении, имеют хорошую воспроизводимость параметров (разброс чувствительности не более ± 1%) и невысокую стоимость.

Наряду с этим ДПЗ присущи и некоторые недостатки:

· небольшой выходной сигнал – в реакторах ВВЭР на номинальной мощности их выходной ток составляет единицы микроампер; сравнительно большая постоянная времени (порядка 1 мин);

· зависимость чувствительности ДПЗ от различных параметров, характеризующих состояние активной зоны (выгорание, обогащение ближайших твэлов, концентрация борной кислоты, температуры теплоносителя и т.д.), и от выгорания эмиттера ДПЗ.

Конструкция ДПЗ состоит из эмиттера и коллектора, между которыми находится изолятор. При облучении нейтронами эмиттер излучает электроны, которые через изолятор попадают на коллектор и образуют во внешней цепи электрический ток. По кабелю выходной сигнал ДПЗ выводится за пределы корпуса реактора.

В применяемых на реакторах ВВЭР детекторах типа ДПЗ-1М эмиттер представляет собой родиевую проволочку диаметром 0,5 и длиной 200 мм. Изолятор изготовлен из кварцевой трубки, коллектор из нержавеющей трубки диаметром 1,3 мм. В качестве линии связи используется двухжильный кабель типа КТМС с изоляцией из окиси магния.

Таблица.

Материал эмиттера	Чувствительность	Выгорание
тепловые	надтепловые
Родий			10 %
Серебро			6 %
Ванадий			0.6 %
Кобальт		–	4 %
Платина		–	0.7 %

Недостатки Ванадия: инерционность~ 3.75 минут и большой вклад вносит гамма-излучение реактора, в узком диапазоне сигнал пропорционаленпотоку.

Родий: малая инерционность ~ 1 мин, хорошая чувствительность, вклад гамма-излучения мал, характеристика линейна до выгорания 75%.

Схема радиоактивных превращений ядра родия при захвате нейтрона.

Радионуклид ^104m₄₅Rh переходит в ¹⁰⁴₄₅Rh путем внутренней конверсии с периодом полураспада 4,4 мин. Нуклид ¹⁰⁴₄₅Rh в результате b-распада с периодом 44 с переходит в стабильный ¹⁰⁴₄₆Pd.

Этот активационный компонент составляет основную часть (до 90%) выходного сигнала ДПЗ. Он имеет две основные составляющие, соответствующие периодам полураспада, приведенным на схеме.

Кроме того, часть выходного сигнала ДПЗ обусловлена электронами, образующимися на эмиттере под воздействием g-излучения в результате фотоэффекта и комптон-эффекта. В образовании этой компоненты участвует как внешнее g излучение, так и g излучение, образующееся при активации ядра родия нейтронами. Мгновенный компонент, вызванный (n–g) - реакцией на эмиттере, составляет обычно 7–8% активационной составляющей. Существенно, что этот компонент практически безынерционен.

Третья составляющая сигнала ДПЗ обусловлена током, образующимся в линии связи при воздействии на нее внутриреакторных излучений. Этот так называемый фоновый компонент пропорционален длине линии связи, находящейся в активной зоне. Для ДПЗ-1М ее доля может доходить до 10% общего выходного сигнала. Чтобы скомпенсировать ее влияние, в кабеле связи ДПЗ-1М предусмотрена вторая (фоновая) жила, вырабатывающая фоновый ток, который в измерительной аппаратуре должен быть вычтен из тока основной жилы.

Выходной сигнал ДПЗ пропорционален плотности нейтронного потока в месте его расположения, который в свою очередь связан с энерговыделением в ближайших твэлах.

Восстановление поля энерговыделения по сигналам ДПЗ осуществляется на основе коэффициентов пропорциональности, зависящих от многих факторов, в том числе от обогащения топлива и его выгорания, концентрации борной кислоты, температуры теплоносителя и т.д. Значения этих коэффициентов находят расчетным путем. При нахождении коэффициентов учитывают также и выгорание материала эмиттера ДПЗ. Для ДПЗ-1М падение чувствительности на единицу длины за счет этого фактора составляет примерно 0,082% -м/(А*с).

Результирующая погрешность определения линейного энерговыделения с помощью родиевого ДПЗ складывается из следующих основных составляющих:

· погрешности определения коэффициента перехода а от сигнала эмиттера к энерговыделению (~4%);

· неидентичности чувствительности ДПЗ (±1%);

· погрешности учета фонового тока линии связи (до 2%);

· погрешности учета термотоков (1%);

· погрешности измерения сигналов ДПЗ (1%).

Среднеквадратичная погрешность составляет примерно 5%. Аппаратурных средств для проведения периодической проверки метрологических характеристик ДПЗ в процессе их эксплуатации на серийных ВВЭР не предусмотрено; гарантия обеспечения необходимой точности достигается благодаря соблюдению технологии при их изготовлении и достаточно высокой точности определения коэффициента а, обоснованной комплексом расчетно-экспериментальных работ. Есть также расчетный метод проверки погрешности ДПЗ, использующий наличие определенной избыточности по датчикам в активной зоне.

Поскольку вырабатываемый электрический сигнал ДПЗ - источник тока, входное сопротивление измерительного прибора желательно выбирать возможно меньшим по следующим соображениям: поскольку выходное сопротивление ДПЗ зависит от напряжения на нем, желательно, чтобы это напряжение было минимально, так как экспериментально установлено, что в процессе эксплуатации ДПЗ-1М его сопротивление изоляции падает; погрешность измерения будет тем меньше, чем меньше сопротивление нагрузки ДПЗ.

При эксплуатации ДПЗ необходимо следить за тем, чтобы его цепь была либо подсоединена к измерительному прибору, либо замкнута накоротко. В противном случае ток ДПЗ может зарядить линию связи до большого напряжения, в результате чего может наступить пробой в ДПЗ или линии связи.