RU2384913C1

RU2384913C1 - Ionisation chamber for nuclear reactor control and protection system

Info

Publication number: RU2384913C1
Application number: RU2009110690/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Бородулин (RU); Юрий Васильевич Бородулин; Николай Владимирович Веселовский (RU); Николай Владимирович Веселовский; Марк Соломонович Вольберг (RU); Марк Соломонович Вольберг; Игорь Анатольевич Горелов (RU); Игорь Анатольевич Горелов; Игорь Павлович Гурьев (RU); Игорь Павлович Гурьев; Александр Борисович Дмитриев (RU); Александр Борисович Дмитриев
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Красная звезда"
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-03-20

Abstract

FIELD: physics, nuclear.

SUBSTANCE: invention relates to neutron and gamma-ray detection, mainly neutron detection in nuclear reactor control and protection systems. The ionisation chamber has a partitioned electrode system formed by a set of paired coaxial cylinders, radiators and a housing closed on the butt-ends by flanges, fitted with a pipe for pumping and filling with gas and leads from each electrode. Electrodes of each section are fitted between insulator blocks, each of which is made in form of a metal bushing with insulators inside which are fitted with channels for holding conductors connecting the electrodes.

EFFECT: design of the ionisation chamber allows for placing an electrode system in it with a virtually unlimited length of the sensitive part, which enables placing in narrow (diametre less than 20 mm) reactor core channels with retention of mechanical strength and sensitivity to controlled radiations, which ensures high reliability of nuclear reactor protection and control systems.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регистрации ядерных излучений, преимущественно регистрации нейтронов в системах управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов.The invention relates to electrical engineering and can be used for registration of nuclear radiation, mainly registration of neutrons in control and protection systems (CPS) of nuclear reactors.

Известны ионизационные камеры (ИК) для контроля потоков нейтронов, являющиеся датчиками сигналов в СУЗ ядерных реакторов. Как правило, ИК входят в состав так называемых подвесок ионизационных камер (ПИК), защищающих электрическую линию связи (кабели, провода) ИК с вторичной аппаратурой от агрессивного воздействия окружающей среды. ИК, в составе ПИК, как правило, размещаются в канале (канале ИК) ядерного реактора, расположенного вдоль активной зоны (АЗ) реактора (см. «Научные и технические основы ядерной энергетики» по ред. К.Гудмена. - М.: Иностранная литература, 1948, с.231).Known ionization chambers (IR) for monitoring neutron fluxes, which are sensors of signals in the CPS of nuclear reactors. As a rule, IRs are part of the so-called suspensions of ionization chambers (PIK), which protect the electric communication line (cables, wires) of the IR with secondary equipment from aggressive environmental influences. IK, as a part of PIK, as a rule, are placed in the channel (channel IK) of a nuclear reactor located along the reactor core (AZ) (see "Scientific and technical fundamentals of nuclear energy" as amended by K. Goodman. - M .: Foreign literature, 1948, p.231).

Известна «Ионизационная камера системы управления и защиты ядерного реактора» (см. патент РФ №2215343 H01J 47/02) с секционированной электродной системой, образованной набором парных соосных цилиндров, и корпусом, образованным двумя коаксиальными трубами. ИК по указанному патенту является аналогом, наиболее близким к предлагаемому изобретению, и выбрана в качестве прототипа.The well-known "Ionization chamber of the control and protection system of a nuclear reactor" (see RF patent No. 2215343 H01J 47/02) with a sectioned electrode system formed by a set of paired coaxial cylinders and a housing formed by two coaxial pipes. IR according to the specified patent is the analogue closest to the proposed invention, and is selected as a prototype.

Недостатком прототипа является невозможность его применения в случае необходимости размещения ИК в канале ядерного реактора, диаметр которого сравним (близок) с диаметром электродов, определяемым требованиями к погонной (на единицу длины канала ИК) величине чувствительности ИК к контролируемому излучению.The disadvantage of the prototype is the impossibility of its application if it is necessary to place IR in the channel of a nuclear reactor, the diameter of which is comparable (close) to the diameter of the electrodes, determined by the requirements for the linear (per unit length of the IR channel) value of the sensitivity of IR to controlled radiation.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - создание устройства, обеспечивающего регистрацию ядерного излучения в реакторах с ограниченным сечением каналов реактора для размещения детекторов излучений.The task to which the claimed invention is directed, is the creation of a device for recording nuclear radiation in reactors with a limited cross section of the reactor channels to accommodate radiation detectors.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого технического решения, заключаются:The technical result obtained by the implementation of the proposed technical solution, are:

- в создании ионизационной камеры с прочной электродной системой практически произвольной длины при ограниченном диаметре корпуса ИК (менее 20 мм);- in creating an ionization chamber with a strong electrode system of almost arbitrary length with a limited diameter of the IR housing (less than 20 mm);

- в возможности создания надежной системы управления и защиты ядерного реактора с каналами, имеющими ограниченное сечение для размещения детекторов нейтронов вдоль активной зоны.- the possibility of creating a reliable control and protection system for a nuclear reactor with channels having a limited cross section for placing neutron detectors along the core.

Указанный технический результат достигается за счет того, что ионизационная камера содержит:The specified technical result is achieved due to the fact that the ionization chamber contains:

- герметичный корпус, образованный трубой, закрытой по торцам фланцами, снабженными трубкой для откачки воздуха и наполнения объема корпуса рабочим газом и электрическими выводами от электродной системы;- a sealed housing formed by a pipe closed at the ends by flanges equipped with a tube for pumping air and filling the housing volume with working gas and electrical leads from the electrode system;

- электродную систему, которая может иметь несколько секций, каждая из которых образована наружным и внутренним цилиндрическими коаксиальными электродами, укрепленными между одинаковыми, жестко и герметично зафиксированными в корпусе блоками изоляторов;- electrode system, which can have several sections, each of which is formed by the outer and inner cylindrical coaxial electrodes, mounted between the same blocks of insulators rigidly and tightly fixed in the housing;

- блоки изоляторов, каждый из которых выполнен в виде металлической втулки с расположенными внутри и не соприкасающимися друг с другом изоляторами, снабженными каналами для размещения проводников, соединяющих однополярные электроды соседних секций.- blocks of insulators, each of which is made in the form of a metal sleeve with insulators located inside and not in contact with each other, equipped with channels for accommodating conductors connecting unipolar electrodes of neighboring sections.

Указанная совокупность признаков необходима и достаточна для обеспечения технического результата, получаемого при реализации предложенной ионизационной камеры.The specified set of features is necessary and sufficient to ensure the technical result obtained by the implementation of the proposed ionization chamber.

Вариант ионизационной камеры в статике показан на чертеже.A variant of the ionization chamber in statics is shown in the drawing.

ИК содержит герметичный корпус, образованный трубой 1, фланцами 2 и 3, трубкой 4 для откачки воздуха и наполнения объема корпуса рабочим газом, электрическими выводами 5 и 6 от электродной системы, которая может иметь несколько секций 7 (на чертеже показан вариант ИК с двумя секциями).The IR contains a sealed housing formed by a pipe 1, flanges 2 and 3, a pipe 4 for pumping air and filling the body with working gas, electrical leads 5 and 6 from the electrode system, which can have several sections 7 (the figure shows an IR variant with two sections )

Каждая секция электродной системы образована наружным 8 и внутренним 9 цилиндрическими коаксиальными электродами. Электроды каждой секции укреплены между одинаковыми блоками изоляторов 10.Each section of the electrode system is formed by the outer 8 and inner 9 cylindrical coaxial electrodes. The electrodes of each section are mounted between the same blocks of insulators 10.

Блок изоляторов выполнен в виде металлической втулки 11 с диаметром, равным внутреннему диаметру трубы корпуса, в которой зафиксированы три керамических изолятора 12, 13 и 14, из которых два изолятора 12 и 13 расположены соосно и служат опорами электродов. Центральный изолятор 14, проходящий через втулку насквозь параллельно ее оси, имеет канал для размещения проводника 15, соединяющего внутренние электроды соседних секций. Третий боковой изолятор 14, расположенный во втулке 11 параллельно ее оси, имеет канал для размещения проводника 16, соединяющего наружные электроды соседних секций.The block of insulators is made in the form of a metal sleeve 11 with a diameter equal to the inner diameter of the housing pipe, in which three ceramic insulators 12, 13 and 14 are fixed, of which two insulators 12 and 13 are aligned and serve as supports for the electrodes. The Central insulator 14, passing through the sleeve through parallel to its axis, has a channel for accommodating a conductor 15 connecting the internal electrodes of adjacent sections. The third side insulator 14, located in the sleeve 11 parallel to its axis, has a channel for accommodating a conductor 16 connecting the outer electrodes of adjacent sections.

Блоки изоляторов 10 закреплены в трубе 1 корпуса сваркой втулок 11 и трубы 1 корпуса. Возможна герметичная сварка втулок 11 и трубы 1 корпуса через отверстия 17 в корпусе напротив каждой втулки. Возможны и другие варианты герметичного крепления втулок 11 с трубой 1 корпуса, например контактной электросваркой и лазерной сваркой, не нарушающей герметичность корпуса.The blocks of insulators 10 are fixed in the pipe 1 of the housing by welding the bushings 11 and pipe 1 of the housing. Possible tight welding of the sleeves 11 and the pipe 1 of the housing through the holes 17 in the housing opposite each sleeve. There are other options for the tight mounting of the sleeves 11 with the pipe 1 of the housing, for example by contact welding and laser welding, which does not violate the tightness of the housing.

Для регистрации нейтронов в ИК размещен радиатор - материал, который при взаимодействии с нейтронами генерирует сильноионизирующие частицы, попадающие в межэлектродное пространство. Газообразными радиаторами могут служить изотоп гелия ³Не, генерирующий при взаимодействии с нейтронами сильноионизирующие изотопы водорода ¹Н и ³Н, и соединение бора - BF₃, в котором изотоп ¹⁰В генерирует при взаимодействии с нейтронами сильноионизирующие частицы ⁴Не и ⁷Li. Радиатор может быть введен в ИК и в виде твердого покрытия поверхности электродов, обращенных к межэлектродному зазору. В этом случае радиаторами могут служить покрытия из бора или урана, изотоп которого ²³⁵U делится при взаимодействии с нейтронами на сильноионизирующие осколки. В отсутствии радиаторов ИК регистрирует гамма-излучение.To register neutrons in the IR, a radiator is placed - a material that, when interacting with neutrons, generates strongly ionizing particles falling into the interelectrode space. Gaseous radiators can be a ³ He helium isotope, which generates strongly ionizing hydrogen isotopes ¹ H and ³ N when interacting with neutrons, and a boron compound, BF ₃ , in which a ¹⁰ V isotope generates ⁴ He and ⁷ Li strongly ionizing particles when interacting with neutrons. The radiator can be introduced into IR and in the form of a hard coating of the surface of the electrodes facing the interelectrode gap. In this case, coatings made of boron or uranium, the isotope of which ²³⁵ U is divided into strongly ionizing fragments upon interaction with neutrons, can serve as radiators. In the absence of radiators, IR detects gamma radiation.

Работа ионизационной камеры происходит следующим образом. Вывод одного из электродов соединяется с высоковольтным выводом источника постоянного напряжения (обычно в диапазоне 200÷500 В). Вывод другого электрода через входное сопротивление вторичной аппаратуры электрически соединяется с заземленным корпусом ИК и вторым выводом источника постоянного напряжения. При воздействии на ИК нейтронного потока и (или) гамма-излучения газ в межэлектродном промежутке ионизуется и возникает электрический ток, величина которого является мерой плотности нейтронного потока и (или) мощности дозы гамма-излучения. Для ИК с урановым радиатором (ионизационной камеры деления) возможна регистрация импульсов тока от отдельного акта деления ядра ²³⁵U (см. А.Б.Дмитриев, Е.К.Малышев «Нейтронные ионизационные камеры для реакторной техники», М.: Атомиздат, 1975).The operation of the ionization chamber is as follows. The output of one of the electrodes is connected to the high-voltage output of a constant voltage source (usually in the range 200 ÷ 500 V). The output of the other electrode through the input resistance of the secondary equipment is electrically connected to the grounded IR housing and the second output of the DC voltage source. When the neutron flux and (or) gamma radiation is exposed to IR, the gas in the interelectrode gap is ionized and an electric current arises, the value of which is a measure of the neutron flux density and (or) gamma radiation dose rate. For IR with a uranium radiator (fission ionization chamber), it is possible to register current pulses from a separate fission event of the ²³⁵ U nucleus (see A.B.Dmitriev, E.K. Malyshev "Neutron ionization chambers for reactor technology", Moscow: Atomizdat, 1975 )

Образец ионизационной камеры по настоящей заявке был изготовлен и успешно испытан.A sample of the ionization chamber of this application has been manufactured and successfully tested.

Claims

Ionization chamber for a control and protection system for a nuclear reactor with an electrode system partitioned along the axis of the casing, formed by a set of paired coaxial cylinders, radiators and a casing closed at the ends by flanges equipped with a tube for pumping and filling with gases and leads from each electrode, characterized in that the electrodes of each section are installed between the blocks of insulators, each of which is made in the form of a metal sleeve with non-contacting insulators located inside, provided with channels for I am placing the conductors connecting the electrodes.