RU2705725C2 - Лазерная система измерения параметров теплоносителя в энергетическом ядерном реакторе - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области ядерной энергетики. Заявленная лазерная система измерения параметров теплоносителя в энергетическом ядерном реакторе содержит лазерный генератор 1, блок 2 измерения лазерного излучения, входной и выходной иллюминаторы 11, 12 трубопровода 10 теплоносителя, расширитель 3 пучка, первый и второй фотоприемные блоки 4, 5, третий фотоприемный блок 6 на основе передающей телевизионной камеры, оптический затвор 7, блок 8 управления и блок 9 обработки информации, линзы 13, 14, 17, 26, 28-35, отражательные зеркала 36-40 и 53, полупрозрачные зеркала 41-52 и 54, три управляемых пространственных фильтра 16, 25, 27 с блоками 55-57 управления, три фотоприемных гетеродинных блока 21-23, четвертый фотоприемный блок 18, два блока 19, 20 сдвига частоты лазерного излучения и две фурье-линзы 15, 24. Технический результат заключается в увеличении точности измерения параметров паросодержания, в том числе при малых уровнях влажности пара, в повышении точности измерения скорости течения теплоносителя по трубопроводу ядерного реактора, в увеличении надежности и достоверности получаемых результатов измерения параметров теплоносителя. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики и предназначено для использования в энергетических ядерных реакторах типа ВВЭР и РБМК для оперативного измерения физических параметров теплоносителя, в частности измерения паросодержания теплоносителя, влажности пара и скорости его течения по трубопроводу теплоносителя и в паропроводах. Изобретение предназначено непосредственно для использования в составе аппаратуры реакторов типа ВВЭР-440, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 в различных точках первого и второго контуров теплоносителя. Использование предлагаемого изобретения обеспечит непрерывный мониторинг влажности пара в паропроводах на выходе из парогенератора на АЭС с реакторами ВВЭР и на выходе из паросепараторов на АЭС с реакторами РБМК, что необходимо для безопасной и эффективной работы ядерных реакторов и паровых турбин АЭС.

Для обеспечения безопасной и эффективной работы ядерных энергетических реакторов с водным теплоносителем необходимо непрерывно получать точную и достоверную информацию о текущих параметрах паросодержания и влажности пара в трубопроводах и паропроводах теплоносителя. Такая информация позволит оперативно обнаруживать наличие внутренних повреждений в парогенераторе и трубопроводах, неисправности или неточности уровнемеров парогенератора, а также позволит оптимизировать режим работы парогенератора. В настоящее время на АЭС отсутствуют системы для непрерывного измерения параметров паросодержания. Существующие методики позволяют измерять паросодержание только при проведении специальных периодических испытаний и характеризуются низкой точностью. Поэтому создание эффективной системы непрерывного и высокоточного измерения параметров теплоносителя в штатном режиме работы АЭС является актуальной проблемой.

В настоящее время существует несколько методов определения уровня парообразования при кипении жидкостей и воды. Известен способ и устройство для определения закипания жидкости по патенту РФ №2065604 (опубл. 20.08.1996) [1]. Способ основан на осуществлении измерения уровня шума в жидкости с использованием ультразвуковых датчиков, а момент закипания и пузырькового кипения определяют по максимальному уровню шума. К недостаткам способа и устройства следует отнести низкую точность и низкую помехозащищенность. Главным недостатком является невозможность использования данных способа и устройства для работы в ядерном реакторе.

Известен способ определения пузырькового кипения по патенту РФ №2238547 (опубл. 20.10.2004) [2]. Способ основан на контроле физической величины, например, проводимости или диэлектрической проницаемости в жидкости, и определении момента закипания по резкому изменению переменной составляющей измеряемой величины посредством датчиков проводимости и датчиков диэлектрической проницаемости, размещаемых в жидкости. К недостаткам данного способа следует отнести невозможность точного определения уровня парообразования и, соответственно, плотности жидкости, а также невозможность использования устройств, реализующих данный способ, в активной зоне ядерного реактора.

Известен способ безынерционного контроля паросодержания в теплоносителе ядерного реактора по патенту РФ №2167457 (опубл. 20.05.2001) [3]. Способ основан на размещении в теплоносителе коллектора и эмиттера бета-электронов. Эмиттер выполнен на основе стронция-90, переходящего при радиоактивном распаде в короткоживущий радиоактивный изотоп иттрий-90, испускающий при бета-распаде бета-электроны. Последние проходят через слой теплоносителя и собираются на коллекторе. Возникающий ток с коллектора поступает на предварительный преобразователь и далее на измерительное устройство. По величине тока определяется уровень паросодержания в данном участке теплоносителя. К недостаткам данного способа и реализующего устройства следует отнести низкую точность определения уровня паросодержания вследствие отсутствия информации о точной величине эмитируемых из эмиттера бета-электронов в условиях высокого уровня радиации в активной зоне ядерного реактора. Большую сложность также представляет определение (измерение) величины постоянного электрического тока с коллектора и передача этой информации на значительное расстояние в жестких температурных и радиационных условиях, характерных для активной зоны ядерного реактора, при которых невозможно обеспечить непрерывную работу современных электронных измерительных средств.

Известны способ и канал обнаружения кипения теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР по патенту РФ №2437176 (опубл. 20.12.2011) [4]. Способ включает оценку флуктуаций нейтронного потока, выделение, обработку и оценку сигналов от детекторов нейтронов по всей высоте сборки ТВС, компенсацию помеховых и паразитных сигналов, присутствующих в активной зоне ВВЭР. Канал обнаружения включает детекторы нейтронов, являющихся датчиками прямой зарядки, распределенными по всей высоте контролируемой ТВС, а также содержит располагаемые в активной зоне реактора полосовые фильтры, блоки обработки сигналов. Согласно способу осуществляют регистрацию флуктуаций нейтронного потока на фоне шумов и помех активной зоны реактора, а наличие кипения в теплоносителе определяют по превышению уровня флуктуаций выше некоторого заданного предела. К недостаткам данного способа и реализующего устройства следует отнести низкую точность определения паросодержания теплоносителя, а также низкую достоверность получаемых результатов. Уровень паросодержания определяется косвенным путем по превышению флуктуаций нейтронного потока выше некоторого установленного расчетным путем предела. В то же время определение уровня паросодержания необходимо для того, чтобы своевременно предотвратить именно это недопустимое увеличение флуктуаций мощности реактора, характерное для аварийного режима работы реактора. Можно утверждать, что получаемая в данном способе информация является запоздалой и не обеспечивает в полной мере безопасность работы ядерного реактора. Недостатком устройства, реализующего способ, является размещение измерительных блоков в активной зоне реактора, что существенно снижает точность и достоверность проводимых измерений.

Наиболее адекватным методом решения проблемы измерения параметров жидкости и паросодержания в условиях теплоносителя ядерного реактора является оптический метод измерения характеристик теплоносителя, предложенный в работах [5, 6], [9-10] и реализованный в системах измерения по патентам РФ №2594364 (опубл. 20.08.2016) [7], в патенте №2606369 (опубл. 10.01.2017) [8], и в лазерной системе измерения паросодержания по патенту №2652521 (опубл. 26.11.2018) [11], выбранном в качестве ближайшего аналога. В указанных системах осуществляется просвечивание теплоносителя лазерным излучением и измерение характеристик излучения, прошедшего через слой теплоносителя. Измеренные параметры прошедшего через теплоноситель лазерного излучения позволяют оценить уровень парообразования и плотность теплоносителя. Указанные системы измерения предназначены для работы в условиях ядерного реактора при наличии радиоактивности, высоких температур и давления. Лазерная система измерения паросодержания в теплоносителе ядерного реактора по патенту РФ №2652521 содержит лазерные генераторы, измерители лазерного излучения, оптические переключатели, фотоприемные блоки, оптические датчики, размещенные в трубопроводе теплоносителя, управляемые оптические фильтры и модель-аналог ядерного реактора. К недостаткам данной системы следует отнести ограниченную точность измерения параметров паросодержания при низком уровне влажности пара, а также отсутствие возможности измерения основного энергетического параметра парового теплоносителя - скорости движения теплоносителя по трубопроводу. Информация о данных параметрах влажности пара и скорости его движения по трубопроводу необходима для обеспечения безопасности ядерного реактора, увеличения срока службы трубопроводов и паровых турбин и для установления и обеспечения оптимального режима работы ядерного реактора и паровых турбин АЭС.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, создание измерительной системы, обеспечивающей непрерывное измерение с высокой точностью параметров паросодержания теплоносителя при минимальном требуемом уровне влажности пара и при одновременном измерении скорости движения теплоносителя по трубопроводу. Поставленная цель достигается путем более полного использования всей информации, образующейся и получаемой при непрерывном просвечивании теплоносителя ядерного реактора зондирующим лазерным излучением и на основе анализа и измерения параметров рассеянного лазерного излучения средствами современной лазерной техники. Достигаемым новым техническим результатом является увеличение точности измерения параметров паросодержания, в том числе при малых уровнях влажности пара, повышение точности измерения скорости течения теплоносителя по трубопроводу ядерного реактора, увеличение надежности и достоверности получаемых результатов измерения параметров теплоносителя.

Поставленная цель достигается следующим.

1) В лазерную систему измерения параметров теплоносителя в энергетическом ядерном реакторе, содержащую лазерный генератор, блок измерения лазерного излучения, входной и выходной иллюминаторы трубопровода теплоносителя, расширитель пучка, оптический вход которого связан с выходом лазерного генератора, а оптический выход оптически связан с входным иллюминатором трубопровода теплоносителя, первый и второй фотоприемные блоки, третий фотоприемный блок на основе передающей телевизионной камеры, оптический затвор, блок управления и блок обработки информации, первую линзу, оптически связывающую посредством третьего полупрозрачного зеркала оптический вход первого фотоприемного блока со входным иллюминатором трубопровода теплоносителя, вторую линзу, оптически связывающую оптический вход второго фотоприемного блока посредством восьмого полупрозрачного зеркала с выходным иллюминатором трубопровода теплоносителя, четыре отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, при этом управляющие входы лазерного генератора и оптического затвора подсоединены к блоку управления, выходы первого, второго и третьего фотоприемных блоков и блока измерения лазерного излучения подключены к блоку обработки информации, оптический вход блока измерения лазерного излучения связан с выходом лазерного генератора посредством тринадцатого полупрозрачного зеркала, введены три управляемых пространственных фильтра с блоками управления, три фотоприемных гетеродинных блока, четвертый фотоприемный блок, два блока сдвига частоты лазерного излучения, десять линз и две фурье-линзы, а также введены два отражательных зеркала и семь полупрозрачных зеркал, при этом оптический выход лазерного генератора оптически связан с оптическими входами первого и второго блоков сдвига частоты лазерного излучения посредством первого и второго полупрозрачных зеркал, оптический вход первого управляемого пространственного фильтра посредством первой фурье-линзы оптически связан с выходным иллюминатором трубопровода теплоносителя, а оптический выход посредством третьей линзы оптически связан с оптическим входом третьего фотоприемного блока, оптический выход первого управляемого пространственного фильтра дополнительно оптически связан с оптическим входом четвертого фотоприемного блока посредством третьей линзы, одиннадцатого полупрозрачного зеркала, шестого отражательного зеркала и шестой линзы, оптический вход второго управляемого пространственного фильтра посредством второй фурье-линзы и четвертого отражательного зеркала оптически связан с выходным иллюминатором трубопровода теплоносителя, а оптический выход посредством четвертой линзы оптически связан с оптическим входом третьего управляемого пространственного фильтра, оптический выход которого оптически связан посредством пятой линзы с оптическим входом третьего фотоприемного гетеродинного блока, оптический вход первого фотоприемного гетеродинного блока оптически связан со входным иллюминатором трубопровода теплоносителя посредством восьмой линзы, отражательного зеркала и первой линзы, оптический вход первого фотоприемного гетеродинного блока дополнительно оптически связан с оптическим выходом первого блока сдвига частоты лазерного излучения посредством четвертого полупрозрачного зеркала, пятого отражательного зеркала и седьмой линзы, оптический вход второго фотоприемного гетеродинного блока оптически связан с выходным иллюминатором трубопровода теплоносителя посредством второй фурье-линзы, седьмого полупрозрачного зеркала и девятой линзы, оптический вход второго фотоприемного гетеродинного блока дополнительно оптически связан с оптическим выходом второго блока сдвига частоты лазерного излучения посредством второго отражательного зеркала, шестого полупрозрачного зеркала, десятой линзы и пятого полупрозрачного зеркала, оптический вход третьего фотоприемного гетеродинного блока оптически связан с оптическим выходом второго блока сдвига частоты лазерного излучения посредством последовательно оптически связанных второго и третьего отражательных зеркал, одиннадцатой линзы и десятого полупрозрачного зеркала, оптический выход первого управляемого пространственного фильтра дополнительно оптически связан с оптическим входом третьего управляемого пространственного фильтра посредством третьей линзы, двенадцатого полупрозрачного зеркала, оптического затвора, двенадцатой линзы и девятого полупрозрачного зеркала, управляющие входы блоков сдвига частоты лазерного излучения и блоков управления управляемыми пространственными фильтрами подключены к блоку управления, выходы фотоприемных гетеродинных блоков и четвертого фотоприемного блока подключены к блоку обработки информации.

2) В системе по пункту 1 фотоприемные гетеродинные блоки могут содержать последовательно соединенные фотоэлектронный умножитель, электронный усилитель и блок электрических спектральных фильтров.

3) В системе по пункту 1 входной и выходной иллюминаторы трубопровода теплоносителя могут быть расположены последовательно на фиксированном расстоянии друг от друга на оптической оси, совпадающей с осью расширителя пучка.

4) В системе по пункту 1 блоки сдвига частоты лазерного излучения могут быть выполнены на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены акустические волны, взаимодействующие с проходящим через ячейку лазерным излучением.

5) В системе по пункту 1 оптическая ось первой линзы может составлять с осью трубопровода теплоносителя угол α₁ от 20 до 60 градусов.

6) В системе по пункту 1 оптическая ось второй фурье-линзы может составлять с осью трубопровода теплоносителя угол α₂ от 20 до 60 градусов.

7) В системе по пункту 1 лазерный генератор может быть выполнен для перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

8) В системе по пункту 1 четвертый фотоприемный блок может состоять из двух одинаковых линеек фотоприемников, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, причем выходы линеек фотоприемников параллельно подключены к блоку оцифровки, выход которого подсоединен к блоку обработки информации.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемой лазерной измерительной системы. Цифрами обозначены следующие элементы.

1 - Лазерный генератор.

2 - Блок измерения лазерного излучения.

3 - Расширитель пучка.

4 - Первый фотоприемный блок.

5 - Второй фотоприемный блок.

6 - Третий фотоприемный блок на основе передающей телевизионной камеры.

7 - Оптический затвор.

8 - Блок управления.

9 - Блок обработки информации.

10 - Трубопровод теплоносителя.

11 и 12 - Входной и выходной иллюминаторы трубопровода теплоносителя.

13 - Первая линза.

14 - Вторая линза.

Далее цифрами обозначены вновь введенные элементы.

15 - Первая фурье-линза.

16 - Первый управляемый пространственный фильтр.

17 - Третья линза, выполняющая функции объектива переноса изображения.

18 - Четвертый фотоприемный блок.

19 и 20 - Первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения.

21, 22 и 23 - Первый, второй и третий фотоприемные гетеродинные блоки (ФПГ блоки).

24 - Вторая фурье-линза.

25 - Второй управляемый пространственный фильтр.

26 - Четвертая линза.

27 - Третий управляемый пространственный фильтр.

28 - Пятая линза.

29 - Шестая линза.

30 - Седьмая линза.

31 - Восьмая линза.

32 - Девятая линза.

33 - Десятая линза.

34 - Одиннадцатая линза.

35 - Двенадцатая линза.

36, 37, 38, 39 и 40 - Первое - пятое отражательные зеркала соответственно.

53 - Шестое отражательное зеркало.

41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52 - Первое - двенадцатое полупрозрачные зеркала соответственно.

54 - Тринадцатое полупрозрачное зеркало.

55, 56 и 57 - Блоки управления управляемыми пространственными фильтрами 16, 25 и 27.

58 - Направление движения теплоносителя по трубопроводу поз. 10.

На фиг. 1 обозначены следующие оптические оси и ось трубопровода:

O1-O2 - оптическая ось расширителя пучка 3;

O2-O3 - оптическая ось иллюминаторов поз.11 и 12;

O4-O5 - ось трубопровода теплоносителя поз. 10. Данная ось параллельна образующим цилиндрической поверхности трубопровода и параллельна направлению движения теплоносителя по трубопроводу 58. Оптическая ось O2-О3 иллюминаторов перпендикулярна оси трубопровода O4-O5.

Оптическая ось первой линзы 13 составляет с осью трубопровода O4-O5 угол α₁ от 20 до 60 градусов.

Оптическая ось второй фурье-линзы 24 составляет с осью трубопровода O4-O5 угол α₂ от 20 до 60 градусов.

Представленная на фиг. 1 схема введения зондирующего лазерного излучения в трубопровод теплоносителя приведена в работе авторов [11] (ближайший аналог) на стр. 55 фиг. 19.

На фиг. 2 представлена блок-схема фотоприемного гетеродинного блока (ФПГ блока).

59 - Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

60 - Электронный усилитель.

61 - Блок электрических спектральных фильтров. Каждый электрический спектральный фильтр настроен на соответствующую спектральную частоту и содержит ячейку оцифровки сигналов с выхода фильтра. Выходы данных ячеек оцифровки подключены к блоку 9 обработки информации.

На фиг. 3a и фиг. 3б представлена схема управляемого пространственного фильтра, выполненного на основе многоэлементного матричного электрооптического модулятора света с управляемыми и независимо электрически адресуемыми элементами. Фиг. 3а - вид со стороны оптического входа управляемого пространственного фильтра - вид по оптической оси от первой фурье-линзы 15. Фиг. 3б - вид сбоку.

62 - Управляемые элементы (оптические затворы) в режиме пропускания света.

63 - Управляемые элементы в закрытом режиме, перекрывающие прохождение светового пучка через данный управляемый элемент.

На фиг. 4 изображена схема четвертого фотоприемного блока 18 на фиг. 1, вид со стороны линзы 29 - вдоль оптической оси. Данный четвертый фотоприемный блок состоит из двух одинаковых линеек 64 и 65 фотоприемников, расположенных в плоскости изображения шестой линзы 29 на фиг. 1 на некотором фиксированном расстоянии L₁ друг от друга. Выходы линеек 64 и 65 фотоприемников параллельно подключены к блоку 66 оцифровки, выход которого подсоединен к блоку 9 обработки информации на фиг. 1.

Позицией 67 обозначена условно плоскость изображения линзы 29, в которой расположены линейки 64 и 65 фотоприемников.

68 - Направление движения изображения слоя теплоносителя в плоскости линеек фотоприемников. Последние перпендикулярны направлению движения указанного изображения. Линейки фотоприемников осуществляют непрерывную регистрацию (развертку) текущего движущегося изображения слоя теплоносителя, распространяющегося по трубопроводу и находящегося в момент облучения зондирующим лазерным излучением между иллюминаторами 11 и 12.

Принцип действия лазерной измерительной системы заключается в следующем. Лазерная измерительная система осуществляет непрерывное измерение параметров паросодержания теплоносителя ядерного реактора в трубопроводе 10 теплоносителя путем просвечивания теплоносителя зондирующим лазерным излучением, генерируемым лазерным генератором поз. 1 фиг. 1. Облучение теплоносителя лазерным излучением осуществляется в трубопроводе 10 теплоносителя, который для прохождения зондирующего лазерного излучения снабжен входным 11 и выходным 12 иллюминаторами, выполненными из оптического стекла, пропускающего излучение соответствующего диапазона длин волн (видимого диапазона). Зондирующее лазерное излучение с выхода лазерного генератора 1 поступает на вход расширителя 3 пучка, и далее с его выхода проходит через входной иллюминатор 11, проходит через движущийся теплоноситель, далее через выходной иллюминатор 12 покидает трубопровод и выходит наружу. Далее прошедшее через теплоноситель лазерное излучение распространяется вдоль оптической оси, поступает на оптические входы первой 15 и второй 24 фурье-линз, а также после отражения от полупрозрачного зеркала 48 поступает на оптический вход второй линзы 14. Далее в лазерной измерительной системе осуществляется измерение параметров лазерного излучения, прошедшего через вещество теплоносителя, непрерывно движущегося в трубопроводе 10. В предлагаемой лазерной измерительной системе осуществляется измерение параметров теплоносителя одновременно по нескольким алгоритмам (методам), реализуемым посредством оптических элементов, входящих в состав лазерной измерительной системы.

С помощью первого и второго фотоприемных блоков 4 и 5 осуществляется измерение интенсивности рассеянного зондирующего излучения при прохождении его через теплоноситель в трубопроводе 10. Фотоприемный блок 4 регистрирует рассеянное назад зондирующее лазерное излучение, а фотоприемный блок 5 регистрирует излучение, прошедшее через теплоноситель, и одновременно регистрирует рассеянное вперед излучение. Уровень рассеянного излучения обусловлен наличием неоднородностей в теплоносителе, что определяется параметрами паросодержания теплоносителя - наличием паровой фазы и водной фазы в составе теплоносителя. Для повышения чувствительности и точности измерений при малом уровне содержания водной фазы в теплоносителе используется метод пространственной фильтрации прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения. Далее осуществляется рассмотрение этого метода измерений для наиболее важного случая измерений малых уровней влажности пара в теплоносителе ядерного реактора.

Для осуществления этого метода измерений используются следующие элементы, расположенные на оптической оси O1-O2-O3 расширителя 3 пучка и иллюминаторов 11 и 12, а именно: первая фурье-линза 15, первый управляемый пространственный фильтр 16, третья линза 17 и третий фотоприемный блок 6. Оптический затвор 7 при выполнении данных измерений находится в закрытом состоянии. Первая фурье-линза 15 осуществляет преобразование Фурье оптического излучения, образующегося на выходе иллюминатора 12 после прохождения зондирующего лазерного излучения через теплоноситель. Фокальная плоскость фурье-линзы 15 совмещена с оптическим входом первого управляемого пространственного фильтра 16. Оптическим входом здесь является собственно поверхность управляемого фильтра 16, на которой расположены оптические входы отдельных элементов матрицы управляемого пространственного фильтра 16. В этой плоскости фурье-линза 15 формирует пространственный фурье-спектр оптического излучения, образующегося на выходе второго выходного иллюминатора 12.

Управляемый пространственный фильтр 16 блокирует прохождение излучения низких пространственных частот и пропускает только высокочастотную пространственную составляющую сформированного фурье-линзой 15 пространственного спектра. Для этого пропускание элементов матрицы управляемого пространственного фильтра 16 устанавливается таким, как это показано на фиг. 3, где центральная часть входной плоскости фильтра 16 показана непрозрачной. В результате на вход третьей линзы 17 проходит только рассеянное излучение высоких пространственных частот. Третья линза 17 работает в режиме объектива и формирует в плоскости фоточувствительной площадки третьего фотоприемного блока 6 изображение всего слоя теплоносителя, находящегося в данный момент времени между входным 11 и выходным 12 иллюминаторами. Это изображение является двумерным и сформировано на всю толщину слоя теплоносителя от входного иллюминатора 11 до выходного иллюминатора 12.

Фотоприемный блок 6 выполнен на основе высокоразрешающей телевизионной камеры и регистрирует данное двумерное изображение. Далее изображение оцифровывается в блоке 6 и поступает с его выхода в блок 9 обработки информации. В сформированном изображении в результате пространственной фильтрации оказываются выделенными участки с резким перепадом интенсивности рассеянного в теплоносителе излучения. К таким участкам относятся границы облака движущихся водяных капель, а также отдельные мелкие капли воды, присутствующие в теплоносителе и определяющие его влажность. Таким образом, пространственная фильтрация прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения с помощью управляемого пространственного фильтра 16 позволяет осуществить оконтуривание изображений отдельных участков теплоносителя, выделить и обнаружить эти участки движущихся водяных капель, а также обнаружить и измерить отдельные водяные капли весьма малых размеров. Этим обеспечивается измерение малых значений влажности пара в теплоносителе. Определение размеров капель, размеров площадей участков водяных капель (облака капель) в теплоносителе осуществляется в блоке 9 обработки информации по соответствующим программам.

Для осуществления непрерывного мониторинга параметров теплоносителя на основе пространственной фильтрации излучения, прошедшего через теплоноситель, в лазерной измерительной системе предусмотрен четвертый фотоприемный блок 18, выполненный на основе двух линеек 64 и 65 фотоприемников, расположенных рядом в плоскости изображений шестой линзы 29 на некотором фиксированном расстоянии L₁ друг от друга, как это показано на фиг. 4. Данный четвертый фотоприемный блок 18 содержит две идентичные линейки 64 и 65 фотоприемников, выходы которых параллельно подключены к блоку 66 оцифровки, выходы которого связаны с отдельным входом блока 9 обработки информации. Вследствие движения теплоносителя по трубопроводу 10 в плоскости линеек фотоприемников линзой 29 формируется непрерывно движущееся изображение слоя теплоносителя. При этом на вторую фотоприемную линейку 65 изображение поступает с некоторым запаздыванием относительно первой фотоприемной линейки 64. Этот сдвиг по времени поступления одной и той же информации фиксируется в блоке 9 обработки информации и позволяет определить скорость движения теплоносителя в трубопроводе. Данное определение скорости движения теплоносителя является предварительным. Таким образом, четвертый фотоприемный блок 18 осуществляет непрерывную регистрацию распределения интенсивности в движущемся слое теплоносителя (изображении теплоносителя) и одновременно позволяет оценить предварительно общую скорость движения теплоносителя по трубопроводу 10.

Более точно скорость движения теплоносителя определяется допплеровским методом с помощью фотоприемных гетеродинных блоков (ФПГ). Первый фотоприемный гетеродинный блок 21 осуществляет измерение доплеровского спектра лазерного зондирующего излучения, рассеянного теплоносителем в сторону, обратную его движению по трубопроводу 10. Данное рассеянное излучение поступает на оптический вход первой линзы 13 и далее посредством отражательного зеркала 36 поступает на оптический вход восьмой линзы 31, которая фокусирует рассеянное излучение на оптический вход фотоприемного гетеродинного блока 21 - на фоточувствительную площадку соответствующего фотоэлектронного умножителя, входящего в состав ФПГ блока 21. Одновременно на оптический вход ФПГ блока 21 поступает гетеродинное оптическое излучение с выхода первого блока 19 сдвига частоты лазерного излучения. Для формирования оптических гетеродинных сигналов на входы блоков 19 и 20 сдвига частоты лазерного излучения поступает лазерное излучение с выхода лазерного генератора 1 посредством полупрозрачных зеркал 41 и 42. Седьмая линза 30 фокусирует оптическое гетеродинное излучение на фоточувствительной площадке фотоэлектронного умножителя, входящего в состав ФПГ блока 21. В результате взаимодействия указанных излучений на фоточувствительной площадке ФЭУ в блоке 21 на выходе ФЭУ образуется сигнал биений, центральная частота которого равна разности оптических частот данных излучений.

Сформированный на выходе ФЭУ электрический сигнал биений усиливается электронным усилителем и поступает на вход блока электрических фильтров, входящих в состав фотоприемного гетеродинного блока 21. Указанный блок электрических спектральных фильтров осуществляет спектральный анализ электрического сигнала биений с выхода ФЭУ. Осуществляется оцифровка уровня сигнала на выходе каждого из электрических спектральных фильтров. Далее информация о параметрах спектра сигнала биений поступает с выхода ФПГ блока 21 в блок 9 обработки информации. Данный оцифрованный спектр биений содержит информацию о доплеровских сдвигах оптических частот зондирующего лазерного излучения, обусловленных распределением скоростей движения вещества теплоносителя по трубопроводу 10 теплоносителя. Данная информация является важной характеристикой параметров теплоносителя, отображающая как характер текущего режима составляющих фракций теплоносителя -водяного пара и водяных капель (жидкой фазы), так и состояния трубопроводов (паропроводов). Фотоприемный гетеродинный блок 21 регистрирует доплеровский спектр рассеянного назад зондирующего лазерного излучения под углом он к направлению движения теплоносителя по трубопроводу 10. Второй фотоприемный гетеродинный блок 22 регистрирует доплеровский спектр рассеянного вперед зондирующего лазерного излучения под углом а₂ к направлению движения теплоносителя по трубопроводу 10.

Работа фотоприемных гетеродинных блоков и их устройство одинаковы. Рассеянное вперед зондирующее излучение поступает на оптический вход блока 22 после прохождения через вторую фурье-линзу 24, полупрозрачное зеркало 47 и девятую линзу 32. Гетеродинный оптический сигнал поступает на оптический вход фотоприемного гетеродинного блока 22 с выхода второго блока 20 сдвига частоты лазерного излучения посредством отражательного зеркала 37, полупрозрачного зеркала 46, десятой линзы 33 и полупрозрачного зеркала 45. Электрический сигнал спектра биений в цифровой форме с выхода второго фотоприемного гетеродинного блока 22 поступает в блок 9 обработки информации. Таким образом, в блоке 9 обработки информации непрерывно образуется информация о доплеровских сдвигах частот рассеянного зондирующего лазерного излучения как по направлению движения теплоносителя по трубопроводу, так и в обратном направлении под соответствующими известными углами.

На основании этой информации в блоке 9 обработки информации вычисляется скорость движения вещества теплоносителя по трубопроводу, а также распределение скоростей (диапазон) движения теплоносителя по толщине трубопровода. При этом фотоприемные гетеродинные блоки 21 и 22 позволяют оценить средние (суммарные) величины распределения указанных скоростей движения теплоносителя по трубопроводу. Более точное распределение скоростей движения теплоносителя по его отдельным фракциям позволяет измерить третий фотоприемный гетеродинный блок 23. Для осуществления этих измерений задействованы следующие элементы лазерной измерительной системы (см. фиг. 1): поз. 24, 39, 25, 26, 27 и 28. Указанные измерения осуществляются следующим образом.

Рассеянное под углом α₂ движущимся теплоносителем лазерное излучение с выхода второго выходного иллюминатора 12 поступает на оптический вход второй фурье-линзы 24 и далее после отражения от отражательного зеркала 39 фокусируется на входной плоскости второго управляемого пространственного фильтра 25. Фокальная плоскость второй фурье-линзы 24 совмещена с входной оптической плоскостью указанного управляемого пространственного фильтра 25. Последний осуществляет пространственную фильтрацию сформированного линзой 24 спектра Фурье и пропускает на свой оптический выход только составляющие высоких пространственных частот. Следует отметить, что действия второй фурье-линзы 24, управляемого пространственного фильтра 25 и последующей четвертой линзы 26 аналогичны действиям ранее рассмотренных элементов 15, 16 и 17. Линза 26 формирует во входной плоскости третьего управляемого пространственного фильтра 27 изображение слоя теплоносителя, протекающего по трубопроводу 10, аналогично тому, как линза 17 формирует на входе третьего фотоприемного блока 6 в этот же момент времени изображение этого же слоя теплоносителя. При этом в обоих случаях осуществляется пространственная фильтрация элементов изображения слоя теплоносителя.

Пространственно отфильтрованное изображение с выхода фотоприемного блока 6 поступает в блок 9 обработки информации, где используется для определения и оценки параметров теплоносителя - количества водяных капель или размеров водяного облака. Сформированное на входе управляемого пространственного фильтра 27 аналогичное изображение используется для определения (измерения) скорости движения отдельных элементов этого отфильтрованного изображения путем измерения доплеровского сдвига отдельных элементов отфильтрованного изображения. Для этого третий пространственный фильтр 27 осуществляет выделение (фильтрацию) отдельных элементов изображения путем открывания отдельных заданных ячеек в двумерном пространственном рабочем поле управляемого пространственного фильтра 27. Данное управление открыванием отдельных элементов фильтра 27 осуществляется по командам от блока 8 управления на основе анализа изображения от фотоприемного блока 6 в блоке 9 обработки информации. Например, с помощью управляемого пространственного фильтра 27 может быть открыта целая горизонтальная полоса, в пределах которой движется выделенная водяная капля или облако водяных капель. С выхода второго управляемого пространственного фильтра 27 отфильтрованное распределение излучения фокусируется пятой линзой на входе третьего фотоприемного гетеродинного блока 23 - на фоточувствительной площадке ФЭУ блока 23. Туда же поступает и оптический гетеродинный сигнал (излучение), фокусируемый линзой 34, как это было отмечено ранее. Образующийся сигнал биений регистрируется в блоке 23. Информация о параметрах доплеровского сдвига и его спектральных характеристиках поступает от блока 23 в блок 9 обработки информации.

Таким образом, в блоке 9 обработки информации накапливается и анализируется информация о скоростях движения отдельных фракций теплоносителя, например, отдельных крупных и мелких водяных капель, облака водяных капель и тому подобное. В предлагаемой лазерной измерительной системе предусмотрена возможность определения вращательного движения вещества теплоносителя при его движении по трубопроводу 10 теплоносителя. Для обнаружения наличия такого вида движения теплоносителя используется следующий режим работы лазерной измерительной системы.

Лазерное излучение, отфильтрованное первым управляемым пространственным фильтром 16, с его оптического выхода направляется на оптический вход третьего управляемого пространственного фильтра 27 посредством третьей линзы 17, полупрозрачного зеркала 52, открытого в этом режиме работы оптического затвора 7, двенадцатой линзы 35 и полупрозрачного зеркала 49. В этом режиме работы лазерной измерительной системы оптический затвор 7 переводится в открытое состояние и пропускает оптическое излучение от полупрозрачного зеркала 52 на полупрозрачное зеркало 49. Одновременно в этом режиме работы второй управляемый пространственный фильтр 25 переводится в полностью закрытое состояние и не пропускает оптическое излучение от отражательного зеркала 39 на вход четвертой линзы 26. Переключение оптического затвора 7 и управляемого пространственного фильтра 25 осуществляется по командам от блока 8 управления. На входе третьего управляемого пространственного фильтра 27 посредством линз 17 и 35 образуется такое же изображение слоя теплоносителя, как и на оптическом входе третьего фотоприемного блока 6. Управляемый пространственный фильтр 27 из этого сформированного изображения может выделить какую-либо часть или полосу, в которой движется отдельный водяной пузырек или облако водных пузырей (капель). Возможна также передача на вход пятой линзы 28 всего изображения слоя теплоносителя без его фрагментации.

Пятая линза 28 фокусирует оптическое излучение с выхода третьего управляемого пространственного фильтра 27 на оптический вход третьего фотоприемного гетеродинного блока 23, куда также поступает излучение оптического гетеродинного сигнала с выхода второго блока 20 сдвига частоты лазерного излучения. Фотоприемный гетеродинный блок 23 регистрирует сигнал биений и передает в блок 9 обработки информации информацию о доплеровском сдвиге и ширине доплеровского спектра. Следует отметить, что в указанном режиме работы регистрируемое рассеянное излучение распространяется под углом 90 градусов по отношению к направлению движения теплоносителя по трубопроводу 10. В этом случае доплеровский сдвиг, регистрируемый третьим фотоприемным гетеродинным блоком 23, практически равен нулю, а регистрируемый спектр соответствует спектру лазерного излучения, генерируемого лазерным генератором 1. Данное положение имеет место только при условии направления вектора скорости теплоносителя строго под углом 90 градусов по отношению к оптической оси O1-O2. (фиг. 1). Однако при наличии вращательного (спирального) движения теплоносителя при общем линейном движении по трубопроводу 10 в рассеянном излучении появляются составляющие доплеровского сдвига, которые в третьем фотоприемном гетеродинном блоке 23 регистрируются как наличие и уширение доплеровского сдвига. Это происходит вследствие того, что при дополнительном вращательном или ином турбулентном движении теплоносителя направление векторов скорости отдельных элементов теплоносителя составляет угол больше или меньше девяноста градусов по отношению к оптической оси O1-O2. Таким образом, в рассмотренном режиме работы реализуется возможность обнаружения и измерения параметров вращательного (спирального) или иного турбулентного движения теплоносителя по трубопроводу 10.

Измерение параметров теплоносителя путем просвечивания трубопровода 10 теплоносителя и измерения параметров рассеянного лазерного излучения осуществляется в предлагаемой лазерной измерительной системе непрерывно и постоянно при работе ядерного энергетического реактора. Полученная в результате измерений и анализа информация о параметрах теплоносителя из блока 9 обработки информации поступает в центральный пульт управления ядерным реактором, а также отображается на дисплее.

Перечислим параметры и характеристики теплоносителя, которые непрерывно измеряются и анализируются в предлагаемой лазерной измерительной системе.

1. Осуществляется измерение рассеянного излучения при воздействии зондирующего лазерного излучения на движущийся в трубопроводе теплоноситель. Измерение осуществляется посредством первого и второго фотоприемных блоков 4 и 5. На основании этих измерений в блоке 9 обработки информации вычисляются основные параметры паросодержания теплоносителя: сухость пара, влажность пара по формулам, приведенным в работах авторов [9-11].

2. Осуществляется обнаружение и измерение размеров отдельных водяных капель при малом уровне влажности пара (пароводяной смеси). Оценка массы отдельных капель воды или совокупности водяных капель. Обнаружение и оценка массы крупной совокупности водяных капель, образующих облако водяных капель. Измерение осуществляется на основе информации о параметрах рассеянного и отфильтрованного лазерного излучения, регистрируемого третьим 6 и четвертым 18 фотоприемными блоками. В результате реализуется возможность измерения весьма малых уровней влажности пара, движущегося по трубопроводу 10 теплоносителя.

Осуществляется определение и оценка скорости движения теплоносителя по трубопроводу на основе измерения смещения изображения слоя теплоносителя за фиксированный момент времени посредством четвертого фотоприемного блока 18. Данное измерение является предварительным и используется для общей оценки величины скорости движения фракций теплоносителя и выбора соответствующей величины сдвига частоты лазерного излучения в блоках 19 и 20 сдвига частоты лазерного излучения.

3. Осуществляется измерение доплеровского сдвига длины волны (частоты) зондирующего лазерного излучения при его взаимодействии с движущимся теплоносителем в трубопроводе теплоносителя. Измерение осуществляется посредством регистрации доплеровских сдвигов лазерного излучения с помощью фотоприемных гетеродинных блоков 21, 22 и 23. На основании данных измерений в блоке 9 обработки информации формируется информация о скорости движения теплоносителя в целом и отдельных фракций теплоносителя - скорости пара и отдельных водяных капель или облака капель. Образуется информация о распределении скоростей движения теплоносителя, вычисляемая на основе анализа ширины доплеровского спектра.

4. Осуществляется обнаружение наличия спирального или турбулентного движения теплоносителя по трубопроводу и измерение параметров этого турбулентного движения на основе регистрации параметров доплеровского спектра излучения путем анализа рассеянного излучения вдоль оси O2-O3, перпендикулярной направлению 58 движения теплоносителя по трубопроводу 10. Измерение осуществляется посредством третьего фотоприемного гетеродинного блока 23 при открытом оптическом затворе 7 и закрытом втором управляемом пространственном фильтре 25.

Обработка информации на основе произведенных измерений осуществляется в блоке 9 обработки информации следующим образом.

1. Измерение общих параметров - сухости и влажности пара -осуществляется на основе данных, поступающих от первого и второго фотоприемных блоков 4 и 5. Собственно вычисление указанных параметров теплоносителя осуществляется на основании формул, представленных в работах авторов [9-11]. При этом в блок 9 обработки информации с выхода блока 2 измерения лазерного излучения поступает информация об интенсивности зондирующего лазерного излучения, относительно которой определяется уровень рассеянного лазерного излучения веществом теплоносителя, протекающим в момент облучения зондирующим излучением между иллюминаторами 11 и 12.

2. Измерение размеров отдельных водяных капель осуществляется путем анализа их изображений, зарегистрированных третьим фотоприемным блоком 6, в качестве которого использована высокоразрешающая телевизионная камера. Площадь изображения водяной капли оценивается по числу пикселей, составляющих ее изображение. Это позволяет оценить объем и массу одной водяной капли.

Влажность пароводяной смеси в наблюдаемом слое теплоносителя оценивается по следующей формуле:

В_П=М_ВК/(М_ВК+М_П),

где М_ВК - общая масса обнаруженных водяных капель, М_П - масса паровой фракции (оценка для наблюдаемого слоя теплоносителя). Данная оценка массы пара вычисляется на основе стандартных параметров пара при заданном режиме работы парогенератора и всей системы охлаждения ядерного реактора.

Таким образом, реализация обнаружения отдельных водяных капель в теплоносителе с помощью лазерной измерительной системы позволяет реализовать высокий уровень чувствительности и точности определения влажности пароводяной смеси и обеспечить измерение весьма малых уровней влажности пара в режиме непрерывного мониторинга параметров теплоносителя ядерного реактора.

Современные оптические системы анализа изображений со стандартными линзами (объективами) позволяют обнаружить и измерить размеры одной водяной капли с диаметром порядка 0,1 миллиметра. Это позволяет оценить чувствительность и точность измерения предлагаемой лазерной измерительной системы по вышеприведенной формуле оценки регистрируемой влажности пара В_П.

При измерении параметров теплоносителя в слое теплоносителя с объемом 20 см³ (находящемся между иллюминаторами 11 и 12) и для стандартных параметров пара с плотностью 7 кг/м³ обнаружение одной водяной капли с диаметром 0,1 мм означает измерение влажности пара по указанной формуле, равной В_П=3,3×10^-6.

Такая высокая чувствительность и точность достижима только с использованием оптических средств измерения параметров теплоносителя.

3. Измерение доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, рассеянного движущимся теплоносителем, осуществляется следующим образом. Величина доплеровского сдвига вычисляется по следующей формуле ƒ_d=F(V/c)cosα₁, где V - скорость движения теплоносителя или фракции теплоносителя, c - скорость света, F=c/λ - оптическая частота лазерного зондирующего излучения, генерируемого лазерным генератором 1, λ - длина волны, α₁ (или α₂) - угол между направлением вектора V скорости теплоносителя и направлением рассеянного лазерного излучения -направлением наблюдения, совпадающим с оптической осью соответствующей линзы 24 или 13. При величине угла α=90 градусов - для излучения на входе первой фурье-линзы 15 - доплеровский сдвиг практически отсутствует.

Частота ƒ_b биений в зарегистрированном излучении фотоприемными гетеродинными блоками 21, 22 и 23 равна

ƒ_b=F+ƒ_d-(F+ƒ_c).

Здесь ƒ_c - величина сдвига частоты лазерного гетеродинного излучения, осуществляемого блоками 19 или 20 сдвига частоты лазерного излучения. Данная величина сдвига частоты ƒ_c лазерного гетеродинного излучения устанавливается такой, чтобы частота ƒ_b биений попадала в спектральную полосу приема блока электрических спектральных фильтров, входящих в состав каждого фотоприемного гетеродинного блока 21, 22 и 23, и равнялась бы центральной частоте ƒ_g приема блока спектральных фильтров:

ƒ_b=ƒ_g=ƒ_d-ƒ_c.

Предварительная величина сдвига частоты ƒ_c лазерного гетеродинного излучения посредством блоков 19 и 20 устанавливается на основе общей предварительной оценки скорости движения теплоносителя по трубопроводу 10, осуществляемой на основе информации, зарегистрированной четвертым фотоприемным блоком 18. После регистрации и измерения частоты доплеровского сдвига ƒ_d вычисление на его основе текущей скорости V движения теплоносителя осуществляется в блоке 9 обработки информации по следующей формуле:

ƒ_d=ƒ_g+ƒ_c=F(V/c)cosα₁ (или ƒ_d=ƒ_g+ƒ_c=F(V/c)cosα₂).

Отсюда

V=c(ƒ_g+ƒ_c)/(Fcosα₁).

Здесь величина ƒ_c определяет смещение центральной частоты доплеровского сдвига доплеровского спектра регистрируемого рассеянного лазерного излучения относительно фиксированной центральной частоты полосы приема блока электрических спектральных фильтров в фотоприемных гетеродинных блоках.

На основании данной формулы определяется также диапазон скоростей движения (разброс) теплоносителя по трубопроводу теплоносителя, как для теплоносителя в целом (в среднем), так и для выделенных участков или фракций теплоносителя. Измерение скоростей движения теплоносителя осуществляется как по рассеянному вперед излучению, так и по рассеянному назад по ходу движения теплоносителя. Это позволяет получить более точную и полную информацию о характеристиках движения теплоносителя.

4. При регистрации рассеянного лазерного излучения под углом α=90 градусов к вектору скорости движения теплоносителя для излучения, поступающего на оптический вход первой фурье-линзы 15, поперечный доплеровский сдвиг частоты в излучении, принимаемом третьим фотоприемным блоком 6, не регистрируется ввиду его малости. Анализ спектра данного рассеянного излучения осуществляется посредством третьего фотоприемного гетеродинного блока 23, как это было рассмотрено выше. На вход этого блока излучение попадает при открытом оптическом затворе 7. В этом случае фотоприемный гетеродинный блок 23 регистрирует доплеровский спектр, обусловленный турбулентным или спиральным вращательным движением теплоносителя по трубопроводу 10. Следует отметить, что спиральный или турбулентный вид движения теплоносителя характеризует состояние трубопровода теплоносителя при длительном времени его эксплуатации. Поэтому характер спектра скоростей при регистрации доплеровских сдвигов в указанном режиме позволяет обнаружить предаварийный режим работы трубопровода теплоносителя и своевременно предотвратить аварийную ситуацию.

Информация о параметрах движения теплоносителя по трубопроводу и характере доплеровского спектра непрерывно поступает в блок 9 обработки информации.

Лазерная измерительная система регистрирует следующие стандартные параметры движения теплоносителя по трубопроводу.

Средняя стандартная скорость теплоносителя составляет порядка 10 м/с при разбросе порядка 1 м/с. При просвечивании теплоносителя лазерным излучением гелий-неонового лазера с длиной волны 0,6 мкм средняя частота доплеровского сдвига составляет 15 МГц при ожидаемом расширении спектра порядка 2-3 МГц. Современные спектральные электрические фильтры позволяют измерять в реальном масштабе времени спектральные характеристики электрических сигналов в диапазоне от единиц герц до 1000 МГц с точностью порядка 0,1-1 Гц. Это позволяет в предлагаемой лазерной измерительной системе обеспечить высокоточное измерение параметров движения теплоносителя и отдельных выделенных фракций и участков теплоносителя.

Для повышения точности производимых измерений возможно использование лазерного генератора 1 с перестройкой длины волны генерируемого лазерного излучения и проведение измерений параметров теплоносителя на различных длинах волн зондирующего лазерного излучения.

В предлагаемой лазерной измерительной системе возможен вынос основной аппаратуры в безопасное помещение, посредством использования волоконно-оптических линий, как это осуществлено в работе авторов [11]. Для этого можно использовать, например, волоконно-оптическую линию, связывающую выход лазерного генератора 1 со входом расширителя 3 пучка, а также волоконно-оптическую линию, связывающую выходной иллюминатор 12 с линзами 15 и 24. Для обеспечения работы предлагаемой лазерной измерительной системы в условиях радиации и высоких температур возможно использование защитной камеры с иллюминаторами, в которую помещается оптическая часть измерительной системы. Блоки управления и обработки информации также могут быть вынесены в безопасное помещение посредством использования волоконно-оптических линий связи.

Предлагаемая лазерная измерительная система выполнена на основе стандартных оптических элементов, блоков и узлов, выпускаемых промышленностью, как например, лазерный генератор, измеритель лазерного излучения, расширитель пучка, оптический затвор. Фотоприемные блоки 4 и 5 выполнены на основе фотоэлектронных умножителей. Фотоприемный блок 6 выполнен на основе высокоразрешающей и высокочувствительной телевизионной камеры. Фотоприемный блок 18 выполнен на основе фоточувствительных приемных оптических линеек. Фотоприемные гетеродинные блоки содержат фотоэлектронные умножители, электронные усилители и электрические спектральные фильтры, широко используемые в современной электронной технике. Электрические спектральные фильтры выполнены, например, на основе радиотехнических колебательных контуров с полосой пропускания порядка 10 кГц, резонансные частоты которых равномерно распределены в диапазоне полосы приема блока спектральных фильтров, составляющей порядка 0,5 МГц. Фотоприемные гетеродинные блоки содержат также блоки оцифровки сигналов с выходов электрических спектральных фильтров. Данная аппаратура выпускается промышленностью. Блок сдвига частоты лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой посредством электрических сигналов возбуждаются акустооптические волны, обеспечивающие сдвиг частоты проходящего лазерного излучения при его взаимодействии с акустической волной. Данная аппаратура выпускается промышленностью [12-13]. Управляемые пространственные фильтры выполнены, например, на основе матричных двумерных оптических затворов, использующих жидкокристаллические ячейки, управляемые электрическими сигналами от блока управления [14]. В качестве управляемого пространственного фильтра возможно также использование электронно-лучевых светомодулирующих трубок и других электронных средств отображения информации [14].

В предлагаемой лазерной измерительной системе следует отметить следующие факторы новизны.

1. В лазерной измерительной системе осуществлена непрерывная пространственная фильтрация зондирующего лазерного излучения, проходящего через слой движущегося по трубопроводу теплоносителя. В результате реализована возможность обнаружения и измерения размеров и, соответственно, массы отдельной водяной капли, двигающейся в паровой фракции теплоносителя. Соответствующая эквивалентная чувствительность и точность определения влажности пара составляет в относительных единицах величину порядка 10^-6.

2. Осуществлено непрерывное измерение доплеровского сдвига в рассеянном теплоносителем лазерном излучении и регистрация ширины и характера соответствующего доплеровского спектра. Этим обеспечивается непрерывное измерение скорости движения теплоносителя в целом и отдельных фракций теплоносителя по трубопроводу и паропроводу, а также измерение распределения скоростей (спектр скорости) на основе анализа характера и расширения доплеровского спектра рассеянного излучения.

3. Осуществлено обнаружение турбулентного движения теплоносителя по трубопроводу на основе анализа доплеровского спектра при наблюдении излучения, рассеянного по направлению, перпендикулярному направлению движения теплоносителя по трубопроводу.

4. Измерение размеров и количества водяных пузырьков в паровой фракции и параметра влажности пара и измерение распределения скоростей движения теплоносителя осуществляются непрерывно и одновременно в одном и том же слое теплоносителя. Данная суммарная информация позволяет сформировать впервые информационный портрет теплоносителя, одновременно характеризующий параметры влажности пара и распределение и величины скоростей в данном теплоносителе. Это обеспечивает возможность оптимизации режима работы парогенераторов и ядерного реактора, повышает безопасность работы АЭС.

Предлагаемая лазерная измерительная система впервые реализует возможность непрерывного мониторинга параметров теплоносителя в рабочем режиме работы ядерного реактора на АЭС. Как было отмечено выше, в настоящее время отсутствуют технические средства, которые моглибы непрерывно измерять в рабочем режиме ядерного реактора влажность пара и скорость течения теплоносителя по трубопроводу, а также параметры теплоносителя в контурах охлаждения ядерного реактора. Предлагаемая лазерная измерительная система обеспечивает решение проблемы контроля параметров теплоносителя в наиболее ответственных местах системы охлаждения и передачи энергии ядерного реактора. К таким ответственным местам относится тракт трубопровода (паропровода), связывающий выход парогенератора с паровой турбиной, вырабатывающей электроэнергию. В этом тракте влажность пара не должна превышать весьма малой величины, составляющей не более десятых долей процента. Установка предлагаемой лазерной измерительной системы в указанном тракте трубопровода теплоносителя позволит существенно повысить безопасность и эффективность работы ядерного реактора. Это обеспечивается высокой чувствительностью предлагаемой лазерной измерительной системы при измерении влажности пара, которая была отмечена выше и на три порядка превышает требования к уровню измерения влажности пара в тракте трубопровода на выходе парогенераторов. Следует отметить, что при измерении влажности пара на выходе парогенераторов с указанной в регламентах АЭС требуемой точностью важно не столько достижение относительной цифры - оценки влажности пара, сколько конкретное количество водяных капель в теплоносителе, а также их размеры и общая масса. Это связано с тем, что вредное воздействие на трубопроводы и лопатки турбины оказывают именно отдельные водяные капли. Поэтому более предпочтительным является прямой контроль наличия водяных капель, их размеров и количества, а также обнаружение и измерение размеров водяного облака, что и осуществляет предлагаемая лазерная измерительная система в режиме непрерывного мониторинга. Следует также отметить, что расширение спектра скоростей теплоносителя, а также обнаружение спирального и турбулентного движения свидетельствует о состоянии трубопровода теплоносителя и позволяет своевременно предупредить о наступлении аварийной ситуации. Важным результатом является также одновременное измерение параметров скорости движения теплоносителя, отдельных его элементов (фракций) и измерение спектра скорости (разброса скоростей) теплоносителя. Здесь следует отметить, что водная фракция теплоносителя - отдельные водяные капли и группа капель (облако) имеют несколько меньшие скорости, чем паровая фракция теплоносителя. Это отражается на характере (уширении) спектра скорости теплоносителя.

Таким образом, определенному уровню влажности пара соответствует определенный характер распределения скоростей в теплоносителе - определенный доплеровский спектр, регистрируемый лазерной измерительной системой одновременно с измерением параметров теплоносителя - уровня влажности пара. Данный результат реализуется впервые и позволяет оптимизировать режим работы, охлаждения и передачи энергии ядерного реактора. Предлагаемая лазерная измерительная система обеспечивает непрерывный контроль параметров теплоносителя и позволяет замкнуть обратную связь при управлении режимом охлаждения рабочей зоны реактора и передачи энергии от ядерного реактора к паровым турбинам. Оптимальный режим достигается при подборе и установлении определенных величин скорости прокачки теплоносителя во втором контуре, включающем парогенератор, при установлении уровня количества технологической охлаждающей воды, циркулирующей в этом контуре, и других энергетических параметров ядерного реактора в его рабочем режиме. При этом с помощью лазерной измерительной системы осуществляется контроль состояния параметров теплоносителя при подборе (изменении) указанных параметров теплосъема. Критерием оптимального режима является достижение минимального уровня водяных капель и измеряемого уровня влажности пара, а также достижение минимальной ширины спектра скоростей теплоносителя и, соответственно, минимальной ширины доплеровского спектра, регистрируемого лазерной измерительной системой. Можно также утверждать, что моноэнергетический пучок теплоносителя является более предпочтительным вследствие более эффективной передачи энергии лопаткам турбины.

Предлагаемая лазерная измерительная система может быть использована в следующих типах ядерных реакторах и участках контуров теплоносителя.

В ядерных реакторах типа ВВЭР предлагаемая лазерная измерительная система наиболее эффективно может быть использована в паровом теплоносителе второго контура - в паропроводах на выходе из парогенераторов для непрерывного измерения уровня паросодержания в нерадиоактивном насыщенном паре.

В реакторах типа ВВЭР лазерная измерительная система также может быть использована на всех трубопроводах теплоносителя в первом и во втором контурах теплоносителя.

В ядерных реакторах типа РБМК лазерная измерительная система может быть использована на выходе из технологических каналов для непрерывного измерения уровня паросодержания на выходе ядерного реактора. Данный уровень не должен превышать 14%. В реакторах РБМК использование данной лазерной измерительной системы целесообразно также на выходе паросепараторов для непрерывного измерения уровня паросодержания в насыщенном паре, который направляется далее на паровые турбины АЭС.

В реакторах с жидкометаллическим теплоносителем предлагаемая лазерная измерительная система может быть использована во втором водном контуре теплоносителя, в котором осуществляется передача тепловой энергии от металлического теплоносителя к водному теплоносителю и осуществляется генерация пара для последующей его передачи к паровым турбинам АЭС. Во всех указанных вариантах применения лазерной измерительной системы в настоящее время отсутствуют технические средства измерения и контроля параметров теплоносителя в ядерных реакторах. Таким образом, предлагаемая лазерная измерительная система может быть использована во всех типах современных ядерных реакторов и атомных электростанций для повышения безопасности и эффективности работы АЭС.

Источники информации

1. Патент РФ №2065604, опубл. 20.08.1996 г. Способ и устройство для определения закипания жидкости.

2. Патент РФ №2238547, опубл. 20.10.2004 г. Способ определения пузырькового кипения.

3. Патент РФ №2167457, опубл. 20.05.2001. Способ безынерционного контроля паросодержания в теплоносителе ядерного реактора.

4. Патент РФ №2437176, опубл. 20.12.2011. Способ и канал обнаружения кипения теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР.

5. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный фотометрический метод измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе контура охлаждения энергетического ядерного реактора. Атомная энергия, том 121, вып. 5, 2016, стр. 265-269.

6. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный метод контроля характеристик теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Препринт ФИАН №12. М. 2015, стр. 34.

7. Патент РФ №2594364, опубл. 20.08.2016. Система измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора.

8. Патент РФ №2606369, опубл. 10.01.2017. Система измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя энергетического ядерного реактора.

9. Манкевич С.К., Орлов Е.П.. Лазерный метод измерения паросодержания в водном теплоносителе энергетического ядерного реактора. М. 2017. Российская академия наук.

10. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Лазерный метод измерения паросодержания теплоносителя водного энергетического ядерного реактора. Атомная энергия, том 124, вып. 1, январь 2018, стр. 47.

11. Патент РФ №2652521, опубл. 26.04.2018. Лазерная система измерения паросодержания в теплоносителе ядерного энергетического реактора.

12. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М. Радио и связь. 1985, стр. 134-234.

13. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985. Т. 12, №4.

14. Васильев А.А., Касасент Д, Компанец И.Н. Пространственные модуляторы света. М.: Радио и связь. 1987.

Claims (8)

1. Лазерная система измерения параметров теплоносителя в энергетическом ядерном реакторе, содержащая лазерный генератор, блок измерения лазерного излучения, входной и выходной иллюминаторы трубопровода теплоносителя, расширитель пучка, оптический вход которого связан с выходом лазерного генератора, а оптический выход оптически связан с входным иллюминатором трубопровода теплоносителя, первый и второй фотоприемные блоки, третий фотоприемный блок на основе передающей телевизионной камеры, оптический затвор, блок управления и блок обработки информации, первую линзу, оптически связывающую посредством третьего полупрозрачного зеркала оптический вход первого фотоприемного блока со входным иллюминатором трубопровода теплоносителя, вторую линзу, оптически связывающую оптический вход второго фотоприемного блока посредством восьмого полупрозрачного зеркала с выходным иллюминатором трубопровода теплоносителя, четыре отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, при этом управляющие входы лазерного генератора и оптического затвора подсоединены к блоку управления, выходы первого, второго и третьего фотоприемных блоков и блока измерения лазерного излучения подключены к блоку обработки информации, оптический вход блока измерения лазерного излучения связан с выходом лазерного генератора посредством тринадцатого полупрозрачного зеркала, отличающаяся тем, что введены три управляемых пространственных фильтра с блоками управления, три фотоприемных гетеродинных блока, четвертый фотоприемный блок, два блока сдвига частоты лазерного излучения, десять линз и две фурье-линзы, а также введены два отражательных зеркала и семь полупрозрачных зеркал, при этом оптический выход лазерного генератора оптически связан с оптическими входами первого и второго блоков сдвига частоты лазерного излучения посредством первого и второго полупрозрачных зеркал, оптический вход первого управляемого пространственного фильтра посредством первой фурье-линзы оптически связан с выходным иллюминатором трубопровода теплоносителя, а оптический выход посредством третьей линзы оптически связан с оптическим входом третьего фотоприемного блока, оптический выход первого управляемого пространственного фильтра дополнительно оптически связан с оптическим входом четвертого фотоприемного блока посредством третьей линзы, одиннадцатого полупрозрачного зеркала, шестого отражательного зеркала и шестой линзы, оптический вход второго управляемого пространственного фильтра посредством второй фурье-линзы и четвертого отражательного зеркала оптически связан с выходным иллюминатором трубопровода теплоносителя, а оптический выход посредством четвертой линзы оптически связан с оптическим входом третьего управляемого пространственного фильтра, оптический выход которого оптически связан посредством пятой линзы с оптическим входом третьего фотоприемного гетеродинного блока, оптический вход первого фотоприемного гетеродинного блока оптически связан с входным иллюминатором трубопровода теплоносителя посредством восьмой линзы, отражательного зеркала и первой линзы, оптический вход первого фотоприемного гетеродинного блока дополнительно оптически связан с оптическим выходом первого блока сдвига частоты лазерного излучения посредством четвертого полупрозрачного зеркала, пятого отражательного зеркала и седьмой линзы, оптический вход второго фотоприемного гетеродинного блока оптически связан с выходным иллюминатором трубопровода теплоносителя посредством второй фурье-линзы, седьмого полупрозрачного зеркала и девятой линзы, оптический вход второго фотоприемного гетеродинного блока дополнительно оптически связан с оптическим выходом второго блока сдвига частоты лазерного излучения посредством второго отражательного зеркала, шестого полупрозрачного зеркала, десятой линзы и пятого полупрозрачного зеркала, оптический вход третьего фотоприемного гетеродинного блока оптически связан с оптическим выходом второго блока сдвига частоты лазерного излучения посредством последовательно оптически связанных второго и третьего отражательных зеркал, одиннадцатой линзы и десятого полупрозрачного зеркала, оптический выход первого управляемого пространственного фильтра дополнительно оптически связан с оптическим входом третьего управляемого пространственного фильтра посредством третьей линзы, двенадцатого полупрозрачного зеркала, оптического затвора, двенадцатой линзы и девятого полупрозрачного зеркала, управляющие входы блоков сдвига частоты лазерного излучения и блоков управления управляемыми пространственными фильтрами подключены к блоку управления, выходы фотоприемных гетеродинных блоков и четвертого фотоприемного блока подключены к блоку обработки информации.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что фотоприемные гетеродинные блоки содержат последовательно соединенные фотоэлектронный умножитель, электронный усилитель и блок электрических спектральных фильтров.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что входной и выходной иллюминаторы трубопровода теплоносителя расположены последовательно на фиксированном расстоянии друг от друга на оптической оси, совпадающей с осью расширителя пучка.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блоки сдвига частоты лазерного излучения выполнены на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены акустические волны, взаимодействующие с проходящим через ячейку лазерным излучением.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что оптическая ось первой линзы составляет с осью трубопровода теплоносителя угол α₁ от 20 до 60 градусов.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что оптическая ось второй фурье-линзы составляет с осью трубопровода теплоносителя угол α₂ от 20 до 60 градусов.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что лазерный генератор выполнен с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что четвертый фотоприемный блок состоит из двух одинаковых линеек фотоприемников, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, причем выходы линеек фотоприемников параллельно подключены к блоку оцифровки, выход которого подсоединен к блоку обработки информации.

Images