RU2746522C1

RU2746522C1 - Laser system for atmosphere monitoring in technical rooms of nuclear power plants

Info

Publication number: RU2746522C1
Application number: RU2020136160A
Authority: RU
Inventors: Сергей Константинович Манкевич; Евгений Прохорович Орлов
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-04-15

Abstract

FIELD: nuclear energy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of nuclear energy and measuring technology. The laser system for monitoring the atmosphere in the technical rooms of nuclear power plants contains the first and second laser generators, a laser radiation meter, a reference cell with a block for filling with a reference gas mixture, the first and second photodetector units, the first and second controllable spectral filters, the first and second fiber-optic lines with input and output fiber adapters, a remote mirror with a control unit, an optical delay line, a processing and control unit, the first and second corner reflectors, the first to fourth reflective mirrors and the first to seventh semitransparent mirrors. An optical switch, the first and second open optical resonators, each located in a separate controlled technical room of the nuclear power plant, have been introduced. In this case, open optical resonators are equipped with retractable corner reflectors.

EFFECT: invention improves sensitivity and accuracy of measuring the concentration level of molecular iodine and other uranium fission products in the atmosphere of the technical premises of the nuclear power plant.

6 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Настоящее изобретение относится к области ядерной энергетики и измерительной техники и предназначено для использования на атомных электростанциях для мониторинга атмосферы в различных технических помещениях АЭС.The present invention relates to the field of nuclear power and measurement technology and is intended for use in nuclear power plants to monitor the atmosphere in various technical rooms of nuclear power plants.

Уровень техникиState of the art

Обеспечение безопасной работы атомных электростанций является важной проблемой в современной ядерной энергетике и требует своевременного и надежного обнаружения аварийной ситуации. Одной из наиболее опасных аварийных ситуаций является разгерметизация тепловыделяющих элементов (твэл), при которой в помещения АЭС поступают газообразные продукты деления урана (радионуклиды). Возникновение данной аварийной ситуации характеризуется опасностью радиационного поражения персонала АЭС, а также возможностью выхода радиоактивных газов в окружающую АЭС атмосферу.Ensuring the safe operation of nuclear power plants is an important problem in modern nuclear power and requires timely and reliable detection of an emergency. One of the most dangerous emergencies is the depressurization of fuel elements (fuel elements), in which gaseous uranium fission products (radionuclides) enter the NPP premises. The occurrence of this emergency is characterized by the risk of radiation damage to the NPP personnel, as well as the possibility of radioactive gases escaping into the atmosphere surrounding the NPP.

В процессе производства и эксплуатации твэлов по техническим условиям порядка 0,1% твэлов имеют дефекты в герметизации швов и допускают проникновение в окружающую среду небольших фиксированных количеств газообразных продуктов деления урана. При делении урана образуются радиоактивные изотопы ксенона, криптона и йода. Наиболее опасным являются изотопы йода, которые имеют период полураспада от нескольких часов до суток и при попадании в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом могут привести к тяжелым радиационным поражениям. Таким образом, с самого начала эксплуатации вновь загруженных твэлов в ядерный реактор в атмосферу технического помещения АЭС, в котором расположен ядерный реактор, возможно попадание небольших количеств газообразных продуктов деления ядерного топлива. По мере работы твэлов в ядерном реакторе возможно ухудшение качества герметизации твэлов, например, за счет образования микротрещин. При этом происходит увеличение количества газообразных продуктов деления урана в техническом помещении ядерного реактора.During the production and operation of fuel rods, according to technical conditions, about 0.1% of fuel rods have defects in sealing the seams and allow small fixed amounts of gaseous uranium fission products to enter the environment. The fission of uranium produces radioactive isotopes of xenon, krypton and iodine. The most dangerous are isotopes of iodine, which have a half-life from several hours to a day and, if they enter the human body together with the inhaled air, can lead to severe radiation injuries. Thus, from the very beginning of the operation of the newly loaded fuel elements in the nuclear reactor, small amounts of gaseous fission products of nuclear fuel may enter the atmosphere of the technical room of the nuclear power plant in which the nuclear reactor is located. As the fuel rods operate in a nuclear reactor, the quality of the fuel rod sealing may deteriorate, for example, due to the formation of microcracks. In this case, there is an increase in the amount of gaseous uranium fission products in the technical room of the nuclear reactor.

Поэтому постоянный контроль состава атмосферы в помещениях с ядерным реактором и других технических помещениях АЭС является актуальным, так как позволяет заранее обнаружить наступление аварийной ситуации и предотвратить возможность ее дальнейшего развития, а также предотвратить проникновение радиоактивных продуктов деления в другие помещения АЭС и выбросы в окружающую атмосферу. Для непрерывного контроля уровня концентрации радионуклидов в помещениях АЭС и возможности наступления и развития аварийной ситуации достаточно осуществлять непрерывный контроль концентрации йода в атмосфере помещений, так как единственным источником образования молекулярного йода в газовой фазе является процесс деления урана, содержащегося в твэлах.Therefore, constant monitoring of the composition of the atmosphere in rooms with a nuclear reactor and other technical rooms of a nuclear power plant is relevant, since it makes it possible to detect in advance the onset of an emergency and prevent the possibility of its further development, as well as prevent the penetration of radioactive fission products into other rooms of the nuclear power plant and emissions into the surrounding atmosphere. For continuous monitoring of the level of concentration of radionuclides in NPP premises and the possibility of the onset and development of an emergency, it is sufficient to continuously monitor the concentration of iodine in the atmosphere of the premises, since the only source of molecular iodine formation in the gas phase is the fission process of uranium contained in fuel elements.

Известны различные методы обнаружения и определения йода, в том числе в газовой фазе [1]. Наиболее распространенным методом является использование реакции йода с окрашивающими растворителями, например, растворами хлороформа, бензола или крахмала. Далее используют колориметрический фотометрический метод и определяют концентрацию йода по уровню поглощения светового излучения на соответствующей длине волны света. Данные методы имеют низкую чувствительность, большую длительность осуществления измерений и непригодны для использования в условиях технических необслуживаемых помещений атомных электростанций.There are various methods for the detection and determination of iodine, including in the gas phase [1]. The most common method is to react iodine with coloring solvents such as chloroform, benzene or starch solutions. Next, a colorimetric photometric method is used and the iodine concentration is determined by the level of absorption of light radiation at the corresponding light wavelength. These methods have low sensitivity, long duration of measurements and are unsuitable for use in technical unattended premises of nuclear power plants.

Известен способ выделения радионуклидов йода из газовой среды [2], используемый для удаления йода в газообразной форме из атмосферы помещения АЭС, а также для целей дозиметрического контроля наличия йода в атмосфере технического помещения. Способ основан на адсорбции йода с помощью реагента (сорбента), содержащего серебро или соли серебра в пористом неорганическом носителе, имеющем поры диаметром порядка 50 нм. Реагент засыпают в фильтровальные патроны, через которые пропускают газовый поток из атмосферы контролируемого помещения. Данный способ характеризуется низкой точностью и ограниченной чувствительностью вследствие зависимости уровня адсорбции от давления и скорости прокачки газовой смеси через фильтрующие патроны, а также чистоты состава реагентов. Способ практически непригоден для использования в необслуживаемых помещениях АЭС и не оперативен.A known method for the isolation of iodine radionuclides from a gaseous environment [2], used to remove iodine in gaseous form from the atmosphere of a nuclear power plant, as well as for the purposes of dosimetric monitoring of the presence of iodine in the atmosphere of a technical room. The method is based on the adsorption of iodine using a reagent (sorbent) containing silver or silver salts in a porous inorganic carrier having pores with a diameter of about 50 nm. The reagent is poured into filter cartridges through which a gas stream is passed from the atmosphere of the controlled room. This method is characterized by low accuracy and limited sensitivity due to the dependence of the adsorption level on pressure and the rate of pumping the gas mixture through the filter cartridges, as well as the purity of the reagent composition. The method is practically unsuitable for use in unattended premises of a nuclear power plant and is not operational.

Известен способ определения концентрации изотопов молекулярного йода в газовой фазе [3]. При реализации этого способа осуществляют прокачку анализируемой смеси газов через исследуемую и реперные ячейки, возбуждают в ячейках флуоресценцию посредством излучения полупроводникового лазера с соответствующей линией генерации, выделяют флуоресцентное излучение из смеси с рассеянным возбуждающим лазерным излучением, на основании измеренного выделенного флуоресцентного излучения определяют расчетным путем концентрации диоксида азота и молекулярного йода. Данный способ обладает низкой чувствительностью, вследствие необходимости регистрации короткого импульса флуоресцентного излучения на фоне рассеянного возбуждающего лазерного излучения полупроводникового лазера. Практическое применение способа в условиях необслуживаемых помещений АЭС представляет значительные трудности вследствие необходимости обеспечивать работу аппаратуры по прокачке атмосферы технического помещения через различные измерительные ячейки, осуществлять контроль работы измерительной аппаратуры при наличии радиационного фона, что существенно снижает точность и достоверность получаемых измерений.A known method for determining the concentration of isotopes of molecular iodine in the gas phase [3]. When implementing this method, the analyzed gas mixture is pumped through the investigated and reference cells, fluorescence is excited in the cells by means of semiconductor laser radiation with a corresponding generation line, fluorescent radiation is isolated from the mixture with scattered exciting laser radiation, based on the measured isolated fluorescent radiation, the concentration of the dioxide is determined by calculation nitrogen and molecular iodine. This method has low sensitivity, due to the need to register a short pulse of fluorescent radiation against the background of the scattered exciting laser radiation of a semiconductor laser. The practical application of the method in the conditions of unattended NPP premises presents significant difficulties due to the need to ensure the operation of equipment for pumping the atmosphere of the technical room through various measuring cells, to monitor the operation of the measuring equipment in the presence of a radiation background, which significantly reduces the accuracy and reliability of the measurements.

Наиболее адекватным методом решения проблемы измерения параметров атмосферы в технических помещениях АЭС является оптический метод измерения характеристик контролируемой газовой или водной среды, предложенный авторами в работах [4], [5] и реализованный в системах измерения [6] и [7]. В указанных системах осуществляется просвечивание теплоносителя ядерного реактора зондирующим лазерным излучением и измерение характеристик излучения, прошедшего через слой теплоносителя. Измерение параметров прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения позволяет обеспечить оперативный контроль параметров теплоносителя и определить концентрацию веществ, содержащихся в нем. Аналогичным методом можно реализовать измерение параметров газовой среды - атмосферы технического помещения АЭС - при просвечивании зондирующим лазерным излучением. Указанные системы измерения предназначены для работы в условиях ядерного реактора при наличии радиоактивности, высоких температур и давления. Возможность работы в условиях ядерного реактора обеспечивается выносом измерительной аппаратуры из зоны реактора, в которой размещен лишь оптический измерительный блок, соединенный волоконной линией с измерительной аппаратурой.The most adequate method for solving the problem of measuring atmospheric parameters in the technical rooms of a nuclear power plant is the optical method for measuring the characteristics of a controlled gas or water environment, proposed by the authors in [4], [5] and implemented in measurement systems [6] and [7]. In these systems, the coolant of a nuclear reactor is scanned with probe laser radiation and the characteristics of the radiation passed through the coolant layer are measured. Measurement of the parameters of the probing laser radiation passed through the coolant makes it possible to provide operational control of the parameters of the coolant and determine the concentration of substances contained in it. A similar method can be used to measure the parameters of the gaseous medium - the atmosphere of the technical room of the nuclear power plant - when scanning with probing laser radiation. These measurement systems are designed to operate in a nuclear reactor in the presence of radioactivity, high temperatures and pressures. The possibility of working in a nuclear reactor is provided by removing the measuring equipment from the reactor zone, in which only the optical measuring unit is located, connected with the measuring equipment by a fiber line.

В качестве ближайшего аналога выбрана наиболее близкая по технической реализации лазерная система измерения [8]. Данная система измерения содержит первый и второй лазерные генераторы, измерительную и эталонную кюветы, три фотоприемных блока, измеритель лазерного излучения, три управляемых спектральных фильтра, адаптеры волокна, две волоконно-оптических линии, блок обработки информации и управления, блок эталонных фильтров, уголковые оптические отражатели, полупрозрачные и отражательные зеркала, три оптические линии задержки. К недостаткам данной измерительной системы следует отнести ограниченную чувствительность вследствие использования измерительной кюветы, которая имеет ограниченную длину - не более одного метра. Кроме того данная измерительная система не позволяет определить концентрацию составляющих атмосферу газов в различных участках (точках) контролируемого технического помещения. Для реализации этой задачи необходимо установить несколько измерительных кювет в различных точках технического помещения АЭС, что невозможно.As the closest analogue, the laser measurement system, which is the closest in technical implementation, was chosen [8]. This measurement system contains the first and second laser generators, measuring and reference cuvettes, three photodetector units, a laser radiation meter, three controllable spectral filters, fiber adapters, two fiber-optic lines, an information processing and control unit, a reference filter unit, corner optical reflectors , translucent and reflective mirrors, three optical delay lines. The disadvantages of this measuring system include limited sensitivity due to the use of a measuring cuvette, which has a limited length - no more than one meter. In addition, this measuring system does not allow to determine the concentration of gases constituting the atmosphere in various areas (points) of the monitored technical room. To accomplish this task, it is necessary to install several measuring cuvettes at different points of the technical room of the NPP, which is impossible.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей предлагаемого изобретения является решение проблемы непрерывного мониторинга атмосферы в технических помещениях АЭС, а также устранение указанных недостатков в методах измерения концентраций веществ в газовой фазе, что обеспечит надежное обнаружение уменьшенной концентрации газообразных продуктов деления урана в атмосфере технических помещений АЭС и своевременное обнаружение аварийных ситуаций на ранних стадиях их возникновения. Достигаемым при этом техническим результатом является повышение чувствительности и точности измерения уровня концентрации молекулярного йода и других продуктов деления урана в атмосфере технических помещений АЭС.The objective of the present invention is to solve the problem of continuous monitoring of the atmosphere in the technical rooms of the NPP, as well as to eliminate the indicated shortcomings in the methods of measuring the concentrations of substances in the gas phase, which will ensure reliable detection of the reduced concentration of gaseous uranium fission products in the atmosphere of the technical rooms of the NPP and the timely detection of emergency situations in the early stages of their occurrence. The technical result achieved in this case is an increase in the sensitivity and accuracy of measuring the concentration level of molecular iodine and other uranium fission products in the atmosphere of the technical rooms of the nuclear power plant.

Для решения указанной задачи и достижения отмеченного технического результата в настоящем изобретении предложена лазерная система для мониторинга атмосферы в технических помещениях атомных электростанций, содержащая первый и второй лазерные генераторы, измеритель лазерного излучения, эталонную кювету с блоком наполнения эталонной газовой смесью, первый и второй фотоприемные блоки, первый и второй управляемые спектральные фильтры, первую и вторую волоконно-оптические линии с входными и выходными адаптерами волокна, выдвижное зеркало с блоком управления, оптическую линию задержки, блок обработки и управления, первый и второй уголковые отражатели, первое-четвертое отражательные зеркала и первое-седьмое полупрозрачные зеркала, при этом на первой оптической оси последовательно установлены оптически связанные первый уголковый отражатель, пятое полупрозрачное зеркало, эталонная кювета, оптическая линия задержки и второй уголковый отражатель, оптический вход эталонной кюветы посредством первого-третьего, пятого и шестого полупрозрачных и первого-третьего отражательных зеркал оптически связан с выходами первого и второго лазерных генераторов и посредством пятого и седьмого полупрозрачных зеркал с оптическим входом второго управляемого спектрального фильтра, оптический выход которого связан с оптическим входом второго фотоприемного блока, оптический вход эталонной кюветы дополнительно оптически связан с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра посредством пятого и седьмого полупрозрачных зеркал и выдвижного зеркала во введенном состоянии, оптический выход первого управляемого спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, выходы первого и второго фотоприемных блоков подключены к блоку обработки и управления, оптический вход измерителя лазерного излучения посредством первого и второго полупрозрачных зеркал и первого отражательного зеркала оптически связан с выходами первого и второго лазерных генераторов, управляющие входы первого и второго лазерных генераторов, измерителя лазерного излучения, первого и второго управляемых спектральных фильтров и блока управления выдвижным зеркалом подключены к блоку обработки и управления, при этом в систему введены оптический коммутатор и по меньшей мере первый и второй открытые оптические резонаторы, размещенные каждый в отдельном контролируемом техническом помещении атомной электростанции, причем каждый открытый оптический резонатор снабжен по меньшей мере двумя выдвижными уголковыми отражателями с блоками перемещения, оптический вход каждого открытого оптического резонатора посредством одноименной волоконно-оптической линии оптически связан с соответствующим оптическим выходом оптического коммутатора, оптический вход которого посредством первого полупрозрачного зеркала и первого отражательного зеркала оптически связан с выходами первого и второго лазерных генераторов и дополнительно посредством четвертого полупрозрачного зеркала и четвертого отражательного зеркала оптически связан с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра, управляющие входы оптического коммутатора и блоков перемещения уголковых отражателей всех открытых оптических резонаторов подключены к блоку обработки и управления.To solve this problem and achieve the noted technical result, the present invention proposes a laser system for monitoring the atmosphere in technical rooms of nuclear power plants, containing the first and second laser generators, a laser radiation meter, a reference cell with a block for filling with a reference gas mixture, the first and second photodetector units, first and second controllable spectral filters, first and second fiber-optic lines with input and output fiber adapters, retractable mirror with control unit, optical delay line, processing and control unit, first and second corner reflectors, first-fourth reflective mirrors and first- the seventh semitransparent mirrors, while on the first optical axis are sequentially installed optically coupled first corner reflector, the fifth semitransparent mirror, the reference cell, the optical delay line and the second corner reflector, the optical input of the reference cell through the first o-third, fifth and sixth semitransparent and first-third reflective mirrors are optically connected to the outputs of the first and second laser generators and through the fifth and seventh semitransparent mirrors with the optical input of the second controllable spectral filter, the optical output of which is connected to the optical input of the second photodetector unit, the optical the input of the reference cuvette is additionally optically connected to the optical input of the first controllable spectral filter by means of the fifth and seventh semitransparent mirrors and a retractable mirror in the inserted state, the optical output of the first controllable spectral filter is optically connected to the optical input of the first photodetecting unit, the outputs of the first and second photodetecting units are connected to the unit processing and control, the optical input of the laser meter by means of the first and second semitransparent mirrors and the first reflective mirror is optically connected to the outputs of the first and second laser generators, which control the inputs of the first and second laser generators, the laser radiation meter, the first and second controllable spectral filters and the retractable mirror control unit are connected to the processing and control unit, while the system includes an optical switch and at least the first and second open optical resonators, each located in a separate controlled technical room of a nuclear power plant, where each open optical resonator is equipped with at least two retractable corner reflectors with displacement units, the optical input of each open optical resonator is optically connected to the corresponding optical output of the optical switch by means of a fiber-optic line of the same name, the optical input of which is through the first of the semitransparent mirror and the first reflective mirror is optically connected to the outputs of the first and second laser generators and additionally through the fourth semitransparent mirror and the fourth reflective zone RKAL is optically connected to the optical input of the first controllable spectral filter, the control inputs of the optical switch and blocks for moving corner reflectors of all open optical resonators are connected to the processing and control unit.

Особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что оптическая линия задержки может быть выполнена на основе оптически последовательно связанных входного адаптера волокна, волоконно-оптической линии и выходного адаптера волокна.A feature of the system according to the present invention is that the optical delay line can be based on optically series-connected input fiber adapter, fiber optic line and output fiber adapter.

Другая особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждый управляемый спектральный фильтр может быть выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены акустические волны, взаимодействующие с лазерным излучением, проходящим через данную акустооптическую ячейку.Another feature of the system according to the present invention is that each controllable spectral filter can be made on the basis of an acousto-optic cell, in which acoustic waves are excited, interacting with laser radiation passing through this acousto-optic cell.

Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждый лазерный генератор может быть выполнен с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.Another feature of the system according to the present invention is that each laser generator can be configured to tune the wavelength of the generated laser radiation.

Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что в каждом открытом оптическом резонаторе выдвижные уголковые отражатели могут быть расположены эквидистантно на оптической оси, параллельной оптической оси этого открытого оптического резонатора.Another feature of the system according to the present invention is that in each open optical cavity the retractable corner reflectors can be located equidistantly on the optical axis parallel to the optical axis of this open optical cavity.

Наконец, еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что в каждом открытом оптическом резонаторе выдвижные уголковые отражатели в состоянии введения могут быть установлены на оптической оси этого открытого оптического резонатора.Finally, another feature of the system according to the present invention is that, in each open optical cavity, the retractable corner reflectors in the insertion state can be mounted on the optical axis of this open optical cavity.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые элементы имеют одни и те же ссылочные позиции.The present invention is illustrated in the drawings, in which like elements have the same reference numbers.

На Фиг. 1 представлена блок-схема лазерной системы мониторинга атмосферы в технических помещениях атомных электростанций по настоящему изобретению.FIG. 1 is a block diagram of a laser system for monitoring the atmosphere in technical rooms of nuclear power plants according to the present invention.

На Фиг. 2 представлена схема первого открытого оптического резонатора.FIG. 2 shows a diagram of the first open optical resonator.

На Фиг. 3 представлена схема оптического коммутатора.FIG. 3 shows a diagram of an optical switch.

На Фиг. 4 представлена схема расположения первого открытого оптического резонатора вдоль одновременно двух стен технического помещения АЭС с изломом оптической оси под 90 градусов.FIG. 4 shows the layout of the first open optical resonator along two walls of the NPP technical room simultaneously with a 90-degree bend in the optical axis.

На Фиг. 5 и Фиг. 6 представлены результаты моделирования работы лазерной измерительной системы при проведении измерений с различными уровнями концентрации молекулярного йода.FIG. 5 and FIG. 6 shows the results of modeling the operation of the laser measuring system during measurements with different levels of concentration of molecular iodine.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Лазерная система для мониторинга атмосферы в технических помещениях атомных электростанций согласно настоящему изобретению (Фиг. 1) содержит первый и второй лазерные генераторы 1 и 2, в качестве которых могут быть использованы, например, выпускаемые промышленностью лазеры с перестройкой по длине волны. Измеритель 3 лазерного излучения, как и все описанные далее оптические элементы, предназначен для работы с используемым лазерным излучением.The laser system for monitoring the atmosphere in technical rooms of nuclear power plants according to the present invention (Fig. 1) contains the first and second laser generators 1 and 2, which can be used, for example, commercially available wavelength-tunable lasers. The laser meter 3, like all optical elements described below, is designed to work with the laser radiation used.

Для осуществления мониторинга атмосферы лазерная система по настоящему изобретению содержит эталонную кювету 4 с блоком 5 наполнения эталонной газовой смесью, выполнение которых описано в разделе, раскрывающем функционирование лазерной системы.To monitor the atmosphere, the laser system according to the present invention comprises a reference cell 4 with a unit 5 for filling with a reference gas mixture, the implementation of which is described in the section describing the operation of the laser system.

Лазерная система по настоящему изобретению снабжена первым и вторым уголковыми отражателями 6 и 7. Кроме того, лазерная система включает в себя оптическую линию 8 задержки, содержащую волоконно-оптическую линию 9, снабженную входным и выходным адаптерами 10 и 11 волокна. В лазерной системе имеются первый и второй фотоприемные блоки 12 и 13, на входах которых установлены первый и второй управляемые спектральные фильтры 14 и 15, соответственно. В систему входит также выдвижное зеркало 16 с блоком 17 управления; ссылочной позицией 18 обозначено введенное состояние выдвижного зеркала 16.The laser system of the present invention is provided with first and second corner reflectors 6 and 7. In addition, the laser system includes an optical delay line 8 comprising a fiber optic line 9 provided with input and output fiber adapters 10 and 11. The laser system has first and second photodetector units 12 and 13, at the inputs of which the first and second controllable spectral filters 14 and 15 are installed, respectively. The system also includes a retractable mirror 16 with a control unit 17; reference numeral 18 denotes the input state of the retractable mirror 16.

Блок 19 обработки и управления может быть выполнен, к примеру, на процессоре (контроллере), запрограммированном для выполнения тех функций, которые описаны в разделе, раскрывающем функционирование лазерной системы. Электрические соединения блока 19 обработки и управления с другими блоками показаны на Фиг. 1 стрелками с соответствующими латинскими буквами, снабженными нижними индексами.The processing and control unit 19 can be executed, for example, on a processor (controller) programmed to perform the functions described in the section describing the operation of the laser system. The electrical connections of the processing and control unit 19 to other units are shown in FIG. 1 by arrows with corresponding Latin letters with subscripts.

Для согласования оптических путей лазерная система содержит первое-четвертое отражательные зеркала 20-23 и первое-шестое полупрозрачные зеркала 24-29.For optical path matching, the laser system comprises first to fourth reflective mirrors 20-23 and first to sixth semitransparent mirrors 24-29.

В лазерную систему по настоящему изобретению введены первый открытый оптический резонатор 30 и второй открытый оптический резонатор 42. Первый открытый оптический резонатор 30 включает в себя полупрозрачное зеркало 31, отражательное зеркало 32, по меньшей мере два выдвижных уголковых отражателя (на Фиг. 1 показаны три таких уголковых отражателя 33-35 с соответствующими блоками 36-38 управления), а также держатели 39 и 40, соответственно, полупрозрачного и отражательного зеркал 31 и 32, установленные на первой несущей штанге 41. Второй открытый оптический резонатор 42 включает в себя полупрозрачное зеркало 43, отражательное зеркало 44, по меньшей мере два выдвижных уголковых отражателя (на Фиг. 1 показаны три таких уголковых отражателя 45-47 с соответствующими блоками 48-50 управления), а также держатели 51 и 52, соответственно, полупрозрачного и отражательного зеркал 43 и 44, установленные на второй несущей штанге 53. Отметим, что первый и второй открытые оптические резонаторы размещены каждый в отдельном контролируемом техническом помещении атомной электростанции.A first open optical resonator 30 and a second open optical resonator 42 are introduced into the laser system of the present invention. The first open optical resonator 30 includes a semitransparent mirror 31, a reflective mirror 32, at least two retractable corner reflectors (Fig. 1 shows three such corner reflectors 33-35 with corresponding control units 36-38), as well as holders 39 and 40, respectively, of semitransparent and reflective mirrors 31 and 32, mounted on the first support rod 41. The second open optical resonator 42 includes a semitransparent mirror 43, reflective mirror 44, at least two retractable corner reflectors (Fig. 1 shows three such corner reflectors 45-47 with corresponding control units 48-50), as well as holders 51 and 52, respectively, of translucent and reflective mirrors 43 and 44, mounted on the second carrier rod 53. Note that the first and second open optical resonators are located We are each in a separate controlled technical room of the nuclear power plant.

Кроме того, в лазерную систему по настоящему изобретению введены: оптический коммутатор 54, имеющий оптический вход 55 и первый и второй оптические выходы 56 и 57; первая волоконно-оптическая линия 58, снабженная адаптерами 59, 60 волокна; вторая волоконно-оптическая линия 61, снабженная адаптерами 62, 63 волокна; седьмое полупрозрачное зеркало 64.In addition, the laser system according to the present invention includes: an optical switch 54 having an optical input 55 and first and second optical outputs 56 and 57; a first fiber optic link 58 equipped with fiber adapters 59, 60; a second fiber optic line 61 equipped with fiber adapters 62, 63; seventh translucent mirror 64.

Следует специально отметить, что на Фиг. 1 показаны два открытых оптических резонатора 30 и 42 только в качестве примера для случая контроля атмосферы в двух отдельных технических помещениях АЭС. При необходимости контролировать атмосферу в большем количестве технических помещений АЭС возможно соответствующее увеличение числа открытых оптических резонаторов с одновременным увеличением числа оптических выходов оптического коммутатора 54 и волоконно-оптических линий, соединяющих эти выходы с соответствующими открытыми оптическими резонаторами, и соответствующего программирования работы блока 19 обработки и управления.It should be specially noted that in FIG. 1 shows two open optical resonators 30 and 42 only as an example for the case of monitoring the atmosphere in two separate technical rooms of a nuclear power plant. If it is necessary to monitor the atmosphere in a large number of technical rooms of the NPP, a corresponding increase in the number of open optical resonators is possible with a simultaneous increase in the number of optical outputs of the optical switch 54 and fiber-optic lines connecting these outputs with the corresponding open optical cavities, and the corresponding programming of the operation of the processing and control unit 19 ...

На Фиг. 2 представлена схема первого открытого оптического резонатора 30, в котором выдвижной уголковый отражатель 33 показан во введенном состоянии и расположен на оптической оси О₃-О₄ первого открытого оптического резонатора 30. При этом оптическая длина резонатора уменьшается и равна расстоянию от полупрозрачного зеркала 31 до данного уголкового отражателя 33. Ссылочной позицией 65 обозначена несущая штанга, на которой укреплены блоки 36, 37 и 38 перемещения уголковых отражателей. На Фиг. 1 данная штанга не показана.FIG. 2 shows a diagram of the first open optical resonator 30, in which the retractable corner reflector 33 is shown in the inserted state and is located on the optical axis O ₃ -O _{4 of the} first open optical resonator 30. In this case, the optical length of the resonator decreases and is equal to the distance from the semitransparent mirror 31 to the given corner reflector 33. Reference numeral 65 denotes a support bar on which blocks 36, 37 and 38 for moving the corner reflectors are mounted. FIG. 1, this bar is not shown.

Выполнение второго открытого оптического резонатора 42 (и любого другого, если их больше двух) не отличается от показанного на Фиг. 2, за исключением соответствующего изменения ссылочных позиций.The design of the second open optical resonator 42 (and any other, if there are more than two) does not differ from that shown in FIG. 2, except for a corresponding change in reference numbers.

На Фиг. 3 представлена схема оптического коммутатора 54, который содержит перемещаемые отражательные зеркала 66, 67 и соответствующие блоки 68, 69 перемещения. Их выполнение может быть аналогично выполнению выдвижного зеркала 16 с блоком 17 управления. На Фиг. 3 отражательное зеркало 67 показано во введенном состоянии, в котором оно оптически соединяет оптический вход 55 с оптическим выходом 56 оптического коммутатора. При необходимости число перемещаемых отражательных зеркал и блоков перемещения может быть увеличено в соответствии с количеством используемых открытых оптических резонаторов (30, 41).FIG. 3 is a schematic diagram of an optical switch 54, which contains movable reflective mirrors 66, 67 and corresponding movement blocks 68, 69. Their design can be similar to the design of the retractable mirror 16 with the control unit 17. FIG. 3, the reflective mirror 67 is shown in the inserted state, in which it optically connects the optical input 55 to the optical output 56 of the optical switch. If necessary, the number of movable reflective mirrors and displacement blocks can be increased in accordance with the number of used open optical resonators (30, 41).

На Фиг. 4 представлена схема расположения первого открытого оптического резонатора 30 вдоль одновременно двух стен технического помещения АЭС с изломом оптической оси под 90 градусов. Поворот оптической оси О₃-О₄ осуществляется с помощью дополнительного отражательного зеркала 70.FIG. 4 shows the layout of the first open optical resonator 30 along simultaneously two walls of the technical room of the nuclear power plant with a bend in the optical axis at 90 degrees. The rotation of the optical axis O ₃ -O _{4 is} carried out using an additional reflective mirror 70.

Принцип действия лазерной системы для мониторинга атмосферы в технических помещениях АЭС (далее лазерная измерительная система) рассматривается далее на примере измерения концентрации молекулярного йода в атмосфере технического помещения АЭС.The principle of operation of the laser system for monitoring the atmosphere in the technical rooms of a nuclear power plant (hereinafter referred to as the laser measuring system) is considered below using the example of measuring the concentration of molecular iodine in the atmosphere of the technical room of a nuclear power plant.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению осуществляет непрерывное автоматическое измерение концентрации радионуклидов в атмосфере двух (или более) отдельных технических помещений атомной электростанции. Для осуществления этих измерений в составе системы имеются два (или более) открытых оптических резонатора, размещаемых по отдельности в двух (или более) указанных технических помещениях вдоль стен или вдоль потолка помещений. Лазерное излучение от лазерных генераторов 1 и 2 поступает последовательно сначала на оптический вход первого, а затем второго открытых оптических резонаторов 30 и 42 посредством волоконно-оптических линий 58 и 61. Далее поступивший в открытый оптический резонатор лазерный импульс осуществляет многократное прохождение внутри резонатора между его зеркалами 31 и 32 для первого резонатора и аналогично между зеркалами 43 и 44 для второго резонатора 42.The laser measuring system of the present invention continuously automatically measures the concentration of radionuclides in the atmosphere of two (or more) separate technical rooms of a nuclear power plant. To carry out these measurements, the system includes two (or more) open optical resonators, placed separately in two (or more) specified technical rooms along the walls or along the ceiling of the rooms. Laser radiation from laser generators 1 and 2 enters sequentially first at the optical input of the first and then the second open optical resonators 30 and 42 through fiber-optic lines 58 and 61. Next, the laser pulse entering the open optical cavity carries out multiple passes inside the cavity between its mirrors 31 and 32 for the first cavity and similarly between mirrors 43 and 44 for the second cavity 42.

Каждый из открытых оптических резонаторов 30 и 42 находится непосредственно в техническом помещении АЭС и погружен в его воздушную атмосферу. При прохождении лазерного импульса по открытому оптическому резонатору через воздушную атмосферу контролируемого технического помещения происходит ослабление уровня лазерного излучения, обусловленное поглощательной способностью (экстинкцией) газов, составляющих атмосферу помещения, включая радионуклиды (продукты деления урана). Далее в измерительной системе осуществляется измерение уровня ослабления лазерного излучения, прошедшего через атмосферу помещения, и по величине этого ослабления на соответствующей длине волны лазерного излучения осуществляется определение концентрации соответствующей составляющей газового состава атмосферы (включая радионуклиды).Each of the open optical resonators 30 and 42 is located directly in the technical room of the nuclear power plant and is immersed in its air atmosphere. When a laser pulse passes through an open optical resonator through the air atmosphere of a controlled technical room, the level of laser radiation decreases due to the absorption capacity (extinction) of gases that make up the atmosphere of the room, including radionuclides (uranium fission products). Further, in the measuring system, the level of attenuation of laser radiation that has passed through the atmosphere of the room is measured, and the concentration of the corresponding component of the gas composition of the atmosphere (including radionuclides) is determined from the magnitude of this attenuation at the corresponding wavelength of laser radiation.

Измерение концентрации газовых составляющих атмосферы технических помещений осуществляется модифицированным абсорбционно-спектральным методом, изложенным авторами в работах [4-7] и в ближайшем аналоге [8].Measurement of the concentration of gas components in the atmosphere of technical rooms is carried out by a modified absorption-spectral method, described by the authors in [4-7] and in the closest analogue [8].

Абсорбционно-спектральный метод основан на определении величины поглощения оптического излучения определенной длины волны при его прохождении через исследуемое вещество - воздушную атмосферу технического помещения АЭС. При использовании данного метода, называемого также фотометрическим методом, осуществляется измерение величины уровня лазерного излучения I₀ соответствующей длины волны, поступающего на оптический вход открытого оптического резонатора 30 (Фиг. 1), а также измерение уровня величины лазерного излучения I, прошедшего дважды по оптическому резонатору в прямом и обратном направлении. После измерения и регистрации двух указанных величин лазерного излучения величина концентрации С газовой составляющей, например, молекулярного йода определяется по следующей формуле:The absorption-spectral method is based on determining the amount of absorption of optical radiation of a certain wavelength when it passes through the test substance - the air atmosphere of the technical room of the NPP. When using this method, also called the photometric method, the measurement of the level of the laser radiation I _{0 of the} corresponding wavelength entering the optical input of the open optical resonator 30 (Fig. 1), as well as the measurement of the level of the value of the laser radiation I, passed twice through the optical resonator forward and backward. After measuring and registering the two indicated values of laser radiation, the concentration C of the gas component, for example, molecular iodine, is determined by the following formula:

где V - величина, на которую уменьшается световой поток при прохождении слоя исследуемого вещества с толщиной (длиной) L: V=I₀-I; К - коэффициент экстинкции конкретного газа - в данном случае газообразного молекулярного йода (параметр, характеризующий способность молекулы йода поглощать оптическое излучение определенной длины волны). Размерность К - л/г см. Размерность С - г/л. Параметр L является длиной открытого оптического резонатора.where V is the value by which the luminous flux decreases when passing through a layer of the test substance with a thickness (length) L: V = I ₀ -I; K is the extinction coefficient of a particular gas - in this case, gaseous molecular iodine (a parameter characterizing the ability of an iodine molecule to absorb optical radiation of a certain wavelength). Dimension K - l / g cm.Dimension C - g / l. The parameter L is the length of the open optical cavity.

Формула (1) является основной для определения концентрации вещества С в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известна в технической литературе. В лазерной измерительной системе по настоящему изобретению данное соотношение используется для измерения сравнительно больших и средних концентраций молекулярного йода в составе атмосферы контролируемого технического помещения АЭС. Для измерения малых концентраций молекулярного йода, на начальном этапе работы вновь загруженного ядерного реактора, используется специальный режим измерений. Данный специальный режим измерений является модифицированным абсорбционным методом измерений и характеризуется многократным прохождением лазерного измерительного зондирующего импульса через исследуемый слой атмосферы технического помещения АЭС в первом открытом оптическом резонаторе 30 (Фиг. 1). При этом при каждом очередном цикле прохождения зондирующего лазерного импульса через первый оптический резонатор 30 в прямом и обратном направлении осуществляется измерение уровня интенсивности I этого импульса, прошедшего через резонатор N раз, с помощью соответствующего фотоприемного блока 12. Измерение концентрации молекулярного йода в атмосфере технического помещения осуществляется на основе сравнения амплитуды импульса зондирующего лазерного излучения I(N), прошедшего через открытый оптический резонатор 30 TV раз, с амплитудой I₀ исходного первоначального импульса лазерного излучения на оптическом входе открытого оптического резонатора 30. Формула для определения концентрации молекулярного йода С в составе атмосферы технического помещения АЭС на основе амплитуды I(N) N-го импульса зондирующего лазерного излучения приобретает следующий вид:Formula (1) is the main one for determining the concentration of substance C in the absorption-spectral method and is well known in the technical literature. In the laser measuring system of the present invention, this relationship is used to measure relatively high and medium concentrations of molecular iodine in the atmosphere of the controlled technical room of a nuclear power plant. To measure low concentrations of molecular iodine, at the initial stage of operation of a newly loaded nuclear reactor, a special measurement mode is used. This special measurement mode is a modified absorption measurement method and is characterized by repeated passage of the laser measuring probe pulse through the investigated layer of the atmosphere of the technical room of the NPP in the first open optical resonator 30 (Fig. 1). In this case, at each successive cycle of the passage of the probing laser pulse through the first optical resonator 30 in the forward and reverse directions, the intensity level I of this pulse, which has passed through the resonator N times, is measured using the corresponding photodetector unit 12. The concentration of molecular iodine in the atmosphere of the technical room is measured based on comparing the amplitude of the probe laser radiation pulse I (N), which has passed through the open optical cavity 30 TV times, with the amplitude I _{0 of the} initial initial laser pulse at the optical input of the open optical cavity 30. Formula for determining the concentration of molecular iodine C in the composition of the technical atmosphere NPP premises on the basis of the amplitude I (N) of the Nth pulse of the probing laser radiation takes the following form:

Здесь в качестве величины I следует подставлять значение величины измеренного импульса зондирующего лазерного излучения с номером N: I=I(N). Измерение амплитуды данного импульса осуществляет фотоприемный блок 12. Как следует из формулы (2), чувствительность лазерной системы измерений возросла в N раз, что обусловлено увеличением в N раз длины пути прохождения зондирующего импульса лазерного излучения через исследуемый слой атмосферы технического помещения. Это позволяет обеспечить измерение в техническом помещении, в котором расположен первый открытый оптический резонатор 30, весьма малых концентраций продуктов деления урана в газообразной форме, например, молекулярного йода, образующегося при возникновении аварийной ситуации. Далее работа лазерной измерительной системы по настоящему изобретению рассмотрена на примере измерения концентрации молекулярного йода, как одного из наиболее важных и опасных радионуклидов.Here, the value of the value of the measured pulse of the probe laser radiation with the number N should be substituted as the value of I: I = I (N). The measurement of the amplitude of this pulse is carried out by the photodetector unit 12. As follows from formula (2), the sensitivity of the laser measurement system increased by N times, which is due to an increase in N times the length of the path of the probe pulse of laser radiation through the investigated layer of the atmosphere of the technical room. This makes it possible to measure in the technical room in which the first open optical resonator 30 is located, very small concentrations of uranium fission products in gaseous form, for example, molecular iodine, formed in the event of an emergency. Further, the operation of the laser measuring system according to the present invention is considered on the example of measuring the concentration of molecular iodine, as one of the most important and hazardous radionuclides.

Измерение концентрации йода в атмосфере технических помещений в первом и во втором открытых оптических резонаторах 30, 42 осуществляется одинаковым способом следующим образом. Первый лазерный генератор 1 осуществляет генерацию зондирующего импульса лазерного излучения на фиксированной длине волны с определенными амплитудой и длительностью импульса. Длина волны генерации лазерного излучения соответствует линии наибольшего поглощения молекулой йода, при которой коэффициент экстинкции К имеет наибольшее значение (длина волны наибольшего поглощения молекулярного йода определяется электронной структурой молекулы йода, одинаковой для всех изотопов йода, и равна 532 нм). Импульс лазерного излучения (ЛИ) с выхода лазерного генератора 1 поступает с помощью полупрозрачного зеркала 24 на оптический вход 55 оптического коммутатора 54 и на вход измерителя 3 лазерного излучения посредством полупрозрачного зеркала 25. В измерителе 3 ЛИ осуществляется измерение уровня зондирующего импульса ЛИ и формируется величина этого уровня I, информация о которой поступает с выхода измерителя 3 ЛИ в блок 19 обработки и управления. Для измерения концентрации молекулярного йода с помощью первого открытого оптического резонатора 30 зондирующий лазерный импульс поступает на оптический вход этого резонатора. Оптическим входом открытого оптического резонатора 30 является полупрозрачное зеркало 31 этого резонатора. Для направления импульса лазерного излучения на оптический вход первого открытого оптического резонатора 30 оптический коммутатор 54 переводится в состояние оптического соединения его оптического входа 55 с первым оптическим выходом 56. Далее импульс ЛИ с первого оптического выхода 56 оптического коммутатора 54 поступает на вход адаптера 60 волокна первой волоконно-оптической линии 58, и далее поступает на оптический вход 31 первого открытого оптического резонатора 30. Импульс зондирующего лазерного излучения далее многократно распространяется по открытому оптическому резонатору 30 от полупрозрачного зеркала 31 до отражательного зеркала 32 и обратно до полного затухания импульса.The measurement of the concentration of iodine in the atmosphere of technical rooms in the first and second open optical resonators 30, 42 is carried out in the same way as follows. The first laser generator 1 generates a probe pulse of laser radiation at a fixed wavelength with a certain amplitude and pulse duration. The laser radiation generation wavelength corresponds to the line of the highest absorption by the iodine molecule, at which the extinction coefficient K has the highest value (the wavelength of the highest absorption of molecular iodine is determined by the electronic structure of the iodine molecule, which is the same for all iodine isotopes, and is equal to 532 nm). A laser pulse (LI) from the output of the laser generator 1 is fed with the help of a semitransparent mirror 24 to the optical input 55 of the optical switch 54 and to the input of the laser radiation meter 3 by means of a semitransparent mirror 25. In the LR meter 3, the level of the LR probe pulse is measured and the value of this level I, information about which comes from the output of the LI meter 3 to the processing and control unit 19. To measure the concentration of molecular iodine using the first open optical resonator 30, the probe laser pulse is fed to the optical input of this resonator. The optical input of the open optical resonator 30 is a semitransparent mirror 31 of this resonator. To direct a laser pulse to the optical input of the first open optical resonator 30, the optical switch 54 is switched to the state of optical connection of its optical input 55 with the first optical output 56. Further, the LI pulse from the first optical output 56 of the optical switch 54 is fed to the input of the adapter 60 of the first fiber -optical line 58, and then enters the optical input 31 of the first open optical resonator 30. The probe laser pulse further propagates through the open optical resonator 30 from the semitransparent mirror 31 to the reflective mirror 32 and back until the pulse is completely attenuated.

При этом осуществляется многократное прохождение зондирующего импульса через атмосферу технического помещения и, соответственно, увеличение длины прошедшего пути импульса через исследуемое вещество (молекулярный йод), что обеспечивает повышение чувствительности модифицированного абсорбционно-спектрального метода измерения концентрации молекулярного йода. На каждом цикле прохождения импульса ЛИ через открытый оптический резонатор 30 с помощью полупрозрачного зеркала 31 осуществляется ответвление части прошедшего через открытый резонатор импульса ЛИ обратно на вход адаптера 59 волокна и в волоконно-оптическую линию 58. Далее ответвленный обратный импульс ЛИ после прохождения волоконно-оптической линии 58 и адаптера 60 волокна поступает обратно на первый оптический выход 56 оптического коммутатора 54 и далее через его оптический вход 55, а также посредством полупрозрачного зеркала 27 и отражательного зеркала 23 поступает на оптический вход первого управляемого спектрального фильтра 14.In this case, a repeated passage of the probe pulse through the atmosphere of the technical room and, accordingly, an increase in the length of the transmitted pulse path through the test substance (molecular iodine) is carried out, which increases the sensitivity of the modified absorption-spectral method for measuring the concentration of molecular iodine. At each cycle of passage of the LR pulse through the open optical resonator 30, using a semitransparent mirror 31, a part of the LR pulse transmitted through the open resonator is branched back to the input of the fiber adapter 59 and into the fiber-optic line 58. Further, the branched-off reverse LR pulse after passing through the fiber-optic line 58 and the fiber adapter 60 is fed back to the first optical output 56 of the optical switch 54 and then through its optical input 55, as well as through the semitransparent mirror 27 and the reflective mirror 23, to the optical input of the first controllable spectral filter 14.

С оптического выхода последнего импульс обратного зондирующего ЛИ поступает на оптический вход первого фотоприемного блока 12, в котором осуществляется прием и регистрация, а также оцифровка данного импульса ЛИ. При этом выдвижное зеркало 16 находится в выведенном состоянии, как это и показано на Фиг. 1. Информация об амплитуде I импульса зондирующего ЛИ поступает в цифровой форме с выхода фотоприемного блока 12 в блок 19 обработки и управления. По очереди поступления в блок 19 каждому поступающему обратному импульсу в этом блоке присваивается свой порядковый номер N Таким образом, в блоке 19 обработки и управления образуется серия величин импульсов I(N) зондирующего ЛИ, многократно прошедших через первый открытый оптический резонатор 30, с порядковыми номерами от одного до N. Для каждого из этих импульсов по формуле (2) в блоке 19 вычисляется величина С₁ концентрации молекулярного йода в техническом помещении АЭС, в котором расположен первый открытый оптический резонатор 30. Одновременно с измерением параметров атмосферы помещения в первом открытом оптическом резонаторе 30 лазерное излучение от первого лазерного генератора 1 поступает на вход эталонной кюветы 4 посредством полупрозрачного зеркала 26, отражательных зеркал 22 и 21, полупрозрачных зеркал 29 и 28.From the optical output of the latter, the reverse probe LR pulse is fed to the optical input of the first photodetector unit 12, in which the LR pulse is received and recorded, as well as digitized. In this case, the retractable mirror 16 is in the retracted state, as shown in FIG. 1. Information about the amplitude I of the probe LI pulse is fed in digital form from the output of the photodetector unit 12 to the processing and control unit 19. In turn, when it arrives at block 19, each incoming return pulse in this block is assigned its own serial number N Thus, in the processing and control block 19, a series of values of pulses I (N) of the probing LI is formed, which have repeatedly passed through the first open optical resonator 30, with serial numbers from one to N. For each of these pulses, according to formula (2), block 19 calculates the value С _{1 of the} concentration of molecular iodine in the technical room of the NPP, in which the first open optical resonator 30 is located. Simultaneously with the measurement of the atmospheric parameters of the room in the first open optical resonator 30 laser radiation from the first laser generator 1 is fed to the input of the reference cell 4 by means of a semitransparent mirror 26, reflective mirrors 22 and 21, semitransparent mirrors 29 and 28.

Импульс ЛИ многократно проходит через эталонную кювету 4 с известной концентрацией молекулярного йода в газовой фазе. При этом посредством полупрозрачного зеркала 28 на вход второго управляемого спектрального фильтра 15 и далее на вход второго фотоприемного блока 13 поступает последовательность импульсов зондирующего лазерного излучения, прошедших N раз через газовую среду эталонной кюветы 4 с известной концентрацией молекулярного йода. Данная серия импульсов используется в блоке 19 обработки и управления в качестве эталонной серии для точного измерения и коррекции измерений концентрации йода, осуществляемой с помощью первого открытого оптического резонатора 30.An LR pulse repeatedly passes through a reference cell 4 with a known concentration of molecular iodine in the gas phase. In this case, by means of a semitransparent mirror 28 to the input of the second controllable spectral filter 15 and then to the input of the second photodetector unit 13, a sequence of probing laser radiation pulses that have passed N times through the gaseous medium of the reference cell 4 with a known concentration of molecular iodine are supplied. This train of pulses is used in the processing and control unit 19 as a reference train for accurate measurement and correction of iodine concentration measurements carried out using the first open optical resonator 30.

Аналогичным образом осуществляется измерение концентрации молекулярного йода с помощью второго открытого оптического резонатора 42, расположенного в другом техническом помещении АЭС. Для этого оптический коммутатор 54 переводится в состояние оптического соединения оптического входа 55 со вторым оптическим выходом 57. Лазерный импульс зондирующего ЛИ с выхода первого лазерного генератора 1 поступает на оптический вход 55 и далее на выход 57 оптического коммутатора, далее поступает во вторую волоконно-оптическую линию 61 и после ее прохождения поступает на оптический вход 43 второго открытого оптического резонатора 42. Дальнейший ход прохождения лазерного зондирующего импульса и проведения измерений с помощью второго открытого оптического резонатора 42 аналогичен измерениям с помощью первого открытого оптического резонатора 30. В результате в блоке 19 обработки и управления накапливается информация о параметрах TV импульсов зондирующего лазерного излучения, прошедших многократно через второй открытый оптический резонатор 42. Для каждого из этих импульсов вычисляется величина концентрации молекулярного йода, находящегося в атмосфере второго технического помещения, в котором расположен второй открытый оптический резонатор 42.Similarly, the concentration of molecular iodine is measured using a second open optical resonator 42 located in another technical room of the nuclear power plant. For this, the optical switch 54 is switched to the state of optical connection of the optical input 55 with the second optical output 57. The laser pulse of the probing LI from the output of the first laser generator 1 is fed to the optical input 55 and then to the output 57 of the optical switch, then enters the second fiber-optic line 61 and after its passage is fed to the optical input 43 of the second open optical resonator 42. The further course of the laser probe pulse and measurements using the second open optical resonator 42 is similar to measurements using the first open optical resonator 30. As a result, in the processing and control unit 19 information is accumulated on the parameters TV of the probing laser radiation pulses that have passed multiple times through the second open optical resonator 42. For each of these pulses, the concentration of molecular iodine in the atmosphere of the second technical room is calculated. the second open optical resonator 42 is located with the opening.

Для оценки концентрации С молекулярного йода используется величина обратного импульса I(N), прошедшего некоторое фиксированное количество циклов N через первый и, соответственно, через второй открытый оптический резонатор.To estimate the concentration of molecular iodine C, the value of the reverse pulse I (N) is used, which has passed a certain fixed number of cycles N through the first and, accordingly, through the second open optical resonator.

При этом, чем большее количество циклов N прохождения импульса ЛИ через измерительную кювету 4 используется для измерения и оценки концентрации С молекулярного йода, тем обеспечивается более высокая точность измерения, а также реализуется измерение меньших значений концентрации молекулярного йода.In this case, the larger the number of cycles N of the passage of the LR pulse through the measuring cell 4 is used to measure and estimate the concentration of C of molecular iodine, the higher the measurement accuracy is ensured, and also the measurement of lower values of the concentration of molecular iodine is realized.

После измерения концентрации молекулярного йода при максимальной длине открытых резонаторов 30 и 42 при выведенных выдвижных уголковых отражателях 33-35 и 45-47 осуществляется режим измерений при последовательном вводе указанных выдвижных уголковых отражателей и последовательном уменьшении действующей длины открытых оптических резонаторов 30 и 42. Для этого в первом открытом оптическом резонаторе 30 по команде от блока 19 обработки и управления осуществляется ввод в оптическую схему резонатора 30 выдвижного уголкового отражателя 33 и установление его на оптической оси О₃-О₄ открытого оптического резонатора 30 с помощью блока 48 перемещения. В результате этого выдвижной уголковый отражатель 33 устанавливается на оптической оси O₃-O₄ резонатора 30, как это показано на Фиг. 2. Далее импульс зондирующего лазерного излучения от первого лазерного генератора 1 запускается на оптический вход 31 первого открытого оптического резонатора 30 и осуществляется цикл измерений с помощью этого резонатора, аналогичный рассмотренному выше. При этом реализуются измерения концентрации молекулярного йода при меньшей длине L₁ открытого оптического резонатора, которая при этом равна расстоянию от полупрозрачного зеркала 31 до выдвижного уголкового отражателя 33, установленного на оптической оси O₃-O₄ на Фиг. 2. В этом случае реализуется измерение концентрации молекулярного йода С₁ в пределах области пространства открытого оптического резонатора 30 от полупрозрачного зеркала 31 до выдвижного уголкового отражателя 33.After measuring the concentration of molecular iodine at the maximum length of the open resonators 30 and 42 with the withdrawable retractable corner reflectors 33-35 and 45-47, the measurement mode is carried out with the sequential input of the indicated retractable corner reflectors and the successive decrease in the effective length of the open optical resonators 30 and 42. For this, in In the first open optical resonator 30, on command from the processing and control unit 19, the retractable corner reflector 33 is introduced into the optical circuit of the resonator 30 and mounted on the optical axis O ₃ -O _{4 of the} open optical resonator 30 using the movement unit 48. As a result, the retractable corner reflector 33 is mounted on the optical axis O ₃ -O _{4 of the} resonator 30, as shown in FIG. 2. Further, a pulse of probing laser radiation from the first laser generator 1 is launched to the optical input 31 of the first open optical resonator 30 and a measurement cycle is carried out using this resonator, similar to the one discussed above. In this case, measurements of the concentration of molecular iodine are carried out at a shorter length L _{1 of the} open optical resonator, which is equal to the distance from the semitransparent mirror 31 to the retractable corner reflector 33 mounted on the optical axis O ₃ -O ₄ in FIG. 2. In this case, the measurement of the concentration of molecular iodine C ₁ is realized within the area of the space of the open optical resonator 30 from the semitransparent mirror 31 to the retractable corner reflector 33.

Далее осуществляют вывод выдвижного уголкового отражателя 33 из оптической схемы первого открытого оптического резонатора 30 и ввод в оптическую схему и установление на оптической оси O₃-O₄ резонатора следующего выдвижного уголкового отражателя 34 и осуществление цикла измерений молекулярного йода с новой длиной L₂ открытого резонатора, которая в этом случае будет равна расстоянию от полупрозрачного зеркала 31 до выдвижного уголкового отражателя 34, установленного на оптической оси O₃-O₄ открытого оптического резонатора 30. Далее данный цикл измерений с последовательным изменением действующей длины первого открытого оптического резонатора 30 осуществляется при введенном в оптическую схему резонатора следующего выдвижного уголкового отражателя 35 и, соответственно, при действующей длине L₃ резонатора. В результате в блоке 19 обработки и управления накапливается информация о концентрациях молекулярного йода в последовательно расширяющихся областях пространства вдоль расположения первого открытого оптического резонатора 30.Next, the retractable corner reflector 33 is withdrawn from the optical circuit of the first open optical resonator 30, and the _{next retractable corner reflector 34 is inserted into the optical circuit and installed on the optical axis O 3} -O _{4 of the} resonator and a cycle of measurements of molecular iodine with a new length L _{2 of the} open resonator is carried out, which in this case will be equal to the distance from the semitransparent mirror 31 to the retractable corner reflector 34 mounted on the optical axis O ₃ -O _{4 of the} open optical resonator 30. the resonator circuit of the next retractable corner reflector 35 and, accordingly, with the effective length L _{3 of the} resonator. As a result, the processing and control unit 19 accumulates information about the concentrations of molecular iodine in successively expanding areas of space along the location of the first open optical resonator 30.

Это позволяет определить распределение концентрации молекулярного йода вдоль расположения открытого резонатора, определить места (области) в контролируемом техническом помещении АЭС с наибольшим и наименьшим загрязнением молекулярным йодом контролируемого помещения, в том числе в динамическом режиме. Такая информация о распределении молекулярного йода в пространстве помещения имеет важное значение при обнаружении аварийной ситуации, контроле динамики развития и возможности быстрого реагирования и предотвращения аварийной ситуации. Рассмотренный цикл измерений с изменением действующей длины резонатора повторяют далее для второго открытого оптического резонатора 42. Далее лазерная измерительная система осуществляет непрерывный автоматический мониторинг атмосферы технических помещений АЭС в соответствии с рассмотренной последовательностью действий.This makes it possible to determine the distribution of the concentration of molecular iodine along the location of the open resonator, to determine the places (areas) in the controlled technical room of the NPP with the highest and lowest molecular iodine contamination of the controlled room, including in the dynamic mode. Such information on the distribution of molecular iodine in the space of the room is important in detecting an emergency, monitoring the dynamics of development and the possibility of a quick response and prevention of an emergency. The considered measurement cycle with a change in the effective length of the resonator is repeated further for the second open optical resonator 42. Next, the laser measuring system performs continuous automatic monitoring of the atmosphere of the technical premises of the nuclear power plant in accordance with the considered sequence of actions.

Для повышения точности измерений и эффективности обнаружения аварийной ситуации в лазерной измерительной системе по настоящему изобретению осуществляется измерение концентрации молекулярного йода на нескольких длинах волн ЛИ. Для осуществления этого используется лазерный генератор 1 с перестройкой длины волны генерируемого лазерного излучения. После осуществления измерения концентраций молекулярного йода на второй длине волны, лежащей также в видимом диапазоне, в блоке 19 осуществляется сравнение полученных оценок величин концентрации, измеренных на двух длинах волн, и вычисляется средняя величина оценки уровня концентрации молекулярного йода, информация о которой поступает в центральный пульт управления ядерным реактором.To improve the accuracy of measurements and the efficiency of detecting an emergency in the laser measuring system according to the present invention, the concentration of molecular iodine is measured at several LR wavelengths. To accomplish this, a laser generator 1 is used with tuning the wavelength of the generated laser radiation. After measuring the concentration of molecular iodine at the second wavelength, which is also in the visible range, block 19 compares the obtained estimates of the concentration values measured at two wavelengths, and calculates the average estimate of the level of molecular iodine concentration, information about which is sent to the central control panel control of a nuclear reactor.

В лазерной измерительной системе по настоящему изобретению возможно измерение концентрации различных составляющих атмосферы технических помещений АЭС. Для реализации измерений концентрации конкретной газовой составляющей осуществляется перестройка лазерного генератора 1 на генерацию соответствующей длины волны λ₁ лазерного излучения, соответствующей длине волны наибольшего поглощения оптического излучения данной составляющей атмосферы, например, молекулярного йода, молекулярного радиоактивного ксенона и других составляющих. Одновременно на эту длину волны настраивается и управляемый спектральный фильтр 14. Далее на этой длине волны и осуществляется измерение поглощения лазерного излучения в атмосфере помещения АЭС с помощью открытых оптических резонаторов. Для осуществления калибровки фотоприемного блока 12 на этой длине волны в эталонную кювету 4 вводится известная концентрация данной газовой составляющей, например, молекулярного йода или ксенона. Далее осуществляется калибровка фотоприемного блока 12 на этой длине волны (см. далее).In the laser measuring system according to the present invention, it is possible to measure the concentration of various constituents of the atmosphere of the technical premises of a nuclear power plant. To implement measurements of the concentration of a specific gas component, the laser generator 1 is tuned to generate the corresponding wavelength λ _{1 of} laser radiation corresponding to the wavelength of maximum absorption of optical radiation of this component of the atmosphere, for example, molecular iodine, molecular radioactive xenon and other components. At the same time, the controlled spectral filter 14 is tuned to this wavelength. Further, at this wavelength, the measurement of the absorption of laser radiation in the atmosphere of the nuclear power plant room is carried out using open optical resonators. To calibrate the photodetector unit 12 at this wavelength, a known concentration of a given gas component, for example, molecular iodine or xenon, is introduced into the reference cell 4. Next, the photodetector unit 12 is calibrated at this wavelength (see below).

Для повышения точности измерений в предлагаемой лазерной системе осуществляется непрерывный функциональный контроль режимов работы лазерной измерительной системы, калибровка фотоприемных блоков 12, 13 и контроль параметров оптического тракта прохождения зондирующего лазерного излучения через первый и второй открытые оптические резонаторы 30, 42.To improve the measurement accuracy in the proposed laser system, continuous functional monitoring of the operating modes of the laser measuring system, calibration of the photodetector units 12, 13 and control of the parameters of the optical path of the probe laser radiation through the first and second open optical resonators 30, 42 are carried out.

Для выполнения этих вспомогательных контрольных функций в лазерной измерительной системе по настоящему изобретению предусмотрен дополнительный оптический канал, содержащий установленные на первой оптической оси O₃-O₄ (Фиг. 1) эталонную кювету 4 и элементы 6, 28, 8, 7. Данные элементы образуют оптический резонатор. Основным элементом здесь является эталонная кювета 4, в которую с помощью блока 5 наполнения вводится эталонная газовая воздушная смесь, содержащая молекулярный йод с известной эталонной концентрацией. Эталонная кювета 4 обеспечивает эталонное поглощение проходящего через нее зондирующего лазерного импульса в соответствии с установленной в кювете точно известной концентрацией молекулярного йода. Зондирующий лазерный импульс с выхода первого лазерного генератора 1 поступает на вход эталонной кюветы 4 посредством полупрозрачных зеркал 24, 26, 29, 28 и отражательных зеркал 22 и 21. В результате далее на оптический вход второго управляемого оптического фильтра 15 и далее на вход второго фотоприемного блока 13 поступает серия лазерных импульсов, прошедших через эталонную кювету 4 N раз. В блоке 19 регистрируется последовательность I(N) амплитуд указанных лазерных импульсов, которая принимается за эталон при известной концентрации С_эт молекулярного йода в эталонной кювете 4. Для калибровки первого фотоприемного блока 12 с помощью сформированной последовательности лазерных импульсов, поступающих после многократного прохождения через эталонную кювету 4, выдвижное зеркало 16 переводится во введенное состояние 18 (Фиг. 1). При этом серия лазерных импульсов, идущих от эталонной кюветы 4, отражается от полупрозрачного зеркала 64 и после отражения от выдвижного зеркала 16 в положении 18 поступает на оптический вход первого управляемого спектрального фильтра 14 и далее на вход первого фотоприемного блока 12. Таким образом, на фотоприемные блоки 12 и 13 одновременно поступает серия эталонных лазерных импульсов, которая регистрируется и используется далее в блоке 19 для калибровки и коррекции параметров регистрации излучений в первом фотоприемном блоке 12.To perform these auxiliary control functions in the laser measuring system according to the present invention, an additional optical channel is provided, containing the reference cuvette 4 and elements 6, 28, 8, 7 _{installed on the first optical axis O 3} -O _{4 (Fig. 1).} optical resonator. The main element here is the reference cuvette 4, into which a reference air mixture containing molecular iodine with a known reference concentration is introduced by means of the filling unit 5. The reference cell 4 provides the reference absorption of the probing laser pulse passing through it in accordance with the precisely known concentration of molecular iodine set in the cell. The probe laser pulse from the output of the first laser generator 1 is fed to the input of the reference cell 4 by means of semitransparent mirrors 24, 26, 29, 28 and reflective mirrors 22 and 21. As a result, further to the optical input of the second controllable optical filter 15 and then to the input of the second photodetector unit 13, a series of laser pulses is received that have passed through the reference cell 4 N times. In block 19, a sequence I (N) of the amplitudes of the indicated laser pulses is recorded, which is taken as a standard at a known concentration C _{et of} molecular iodine in the reference cell 4. To calibrate the first photodetector unit 12 using the formed sequence of laser pulses arriving after multiple passes through the reference cell 4, the retractable mirror 16 is brought into the inserted state 18 (FIG. 1). In this case, a series of laser pulses coming from the reference cell 4 is reflected from the semitransparent mirror 64 and, after reflection from the retractable mirror 16 in position 18, is fed to the optical input of the first controllable spectral filter 14 and then to the input of the first photodetector unit 12. Thus, to the photodetector blocks 12 and 13 simultaneously receive a series of reference laser pulses, which is recorded and used further in block 19 to calibrate and correct the parameters of registration of radiation in the first photodetector unit 12.

Для контроля состояния оптической схемы лазерной измерительной системы используется второй лазерный генератор 2, обеспечивающий генерацию импульсов лазерного излучения на длине волны, не поглощаемой молекулярным йодом и другими составляющими и продуктами деления урана в газовой фазе. Для этого используется генерация лазерного излучения, например, в зеленой части видимого диапазона или в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Одновременно на эту длину волны осуществляется настройка управляемых спектральных фильтров 14 и 15. Далее осуществляется проведение цикла измерений импульсов лазерного излучения, многократно прошедших через открытые оптические резонаторы аналогично проведению измерений импульсов лазерного излучения от первого лазерного генератора, рассмотренных выше. Полученная информация отражает состояние оптической схемы и оптических элементов и используется далее для постоянного контроля состояния оптической схемы и обнаружения возможных неисправностей оптических элементов. В данном режиме просвечивания атмосферы технического помещения контрольным лазерным излучением с длиной волны вне полос поглощения продуктами деления урана возможно измерение некоторых физических параметров атмосферы, например, влажности технического помещения. Для этого используется второй лазерный генератор 2 с перестройкой длины волны генерации лазерного излучения, которая устанавливается в соответствии с длиной волны поглощения излучения парами воды, например, в ближнем ИК диапазоне.To control the state of the optical circuit of the laser measuring system, a second laser generator 2 is used, which generates laser pulses at a wavelength that is not absorbed by molecular iodine and other components and products of uranium fission in the gas phase. For this, the generation of laser radiation is used, for example, in the green part of the visible range or in the near infrared wavelength range. At the same time, the controlled spectral filters 14 and 15 are tuned to this wavelength. Next, a cycle of measurements of laser pulses that have repeatedly passed through open optical resonators is carried out in the same way as the measurements of laser pulses from the first laser generator, discussed above. The obtained information reflects the state of the optical circuit and optical elements and is used further to continuously monitor the state of the optical circuit and detect possible faults in the optical elements. In this mode of scanning the atmosphere of a technical room with a control laser radiation with a wavelength outside the absorption bands of uranium fission products, it is possible to measure some physical parameters of the atmosphere, for example, the humidity of the technical room. For this, a second laser generator 2 is used with a tuning of the wavelength of generation of laser radiation, which is set in accordance with the wavelength of absorption of radiation by water vapor, for example, in the near-IR range.

Размещение открытых оптических резонаторов в технических помещениях АЭС осуществляется вдоль стен или на потолке помещения на специальных крепежных и несущих элементах. Возможно размещение удлиненного открытого резонатора вдоль нескольких стен с изломом оптической оси, как это показано на Фиг. 4. Открытый оптический резонатор может быть размещен вдоль всех четырех стен помещения в виде замкнутой круговой (кольцевой) конструкции. Возможно размещение открытого оптического резонатора в техническом помещении при непосредственном прохождении лазерного луча над верхней крышкой ядерного реактора, или над бассейном выдержки тепловыделяющих элементов. Возможно размещение открытого оптического резонатора на открытом воздухе вблизи зданий АЭС, вблизи охлаждающих бассейнов или в местах выброса атмосферы из помещений АЭС в окружающую атмосферу. В этом случае осуществляется контроль выбросов вредных и опасных веществ и радионуклидов непосредственно в атмосферу территории расположения АЭС. Открытый оптический резонатор размещается в специальном защитном коробе, диаметр которого составляет порядка 5 см, а длина соответствует общей длине открытого резонатора. В коробе имеются отверстия для прохождения воздуха. Возможно использование отдельных небольших пеналов - коробов для размещения каждого отдельного элемента открытого оптического резонатора (31, 32, 33, 34, 35). При этом лазерный луч распространяется по открытому пространству контролируемого помещения. Собственно диаметр зондирующего лазерного луча составляет 2-3 мм. Длина открытого оптического резонатора может составлять от одного метра до десяти или двадцати метров в зависимости от размеров контролируемого технического помещения АЭС.The placement of open optical resonators in the technical rooms of the NPP is carried out along the walls or on the ceiling of the room on special fastening and bearing elements. It is possible to place an elongated open resonator along several walls with a bend in the optical axis, as shown in FIG. 4. An open optical resonator can be placed along all four walls of the room in the form of a closed circular (ring) structure. It is possible to place an open optical resonator in a technical room with the direct passage of a laser beam over the top cover of a nuclear reactor, or over a pool for holding fuel elements. It is possible to place an open optical resonator in the open air near NPP buildings, near cooling pools or in places where the atmosphere is released from the premises of the NPP into the surrounding atmosphere. In this case, the emission of harmful and hazardous substances and radionuclides is monitored directly into the atmosphere of the territory of the NPP location. The open optical resonator is placed in a special protective box, the diameter of which is about 5 cm, and the length corresponds to the total length of the open resonator. The box has holes for air passage. It is possible to use separate small cases - boxes to accommodate each individual element of an open optical resonator (31, 32, 33, 34, 35). In this case, the laser beam spreads over the open space of the controlled room. The actual diameter of the probing laser beam is 2-3 mm. The length of an open optical resonator can be from one meter to ten or twenty meters, depending on the size of the controlled technical room of the NPP.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению, как уже отмечено, может содержать более двух открытых оптических резонаторов, размещенных в различных технических помещениях АЭС. При этом оптический коммутатор 54 выполнен с возможностью коммутации соответствующего количества оптических каналов и имеет необходимое количество оптических выходов.The laser measuring system according to the present invention, as already noted, may contain more than two open optical resonators located in different technical rooms of the nuclear power plant. In this case, the optical switch 54 is configured to switch the corresponding number of optical channels and has the required number of optical outputs.

Авторами проведены экспериментальные исследования и моделирование работы лазерной измерительной системы. На Фиг. 5 и Фиг. 6 представлены серии импульсов зондирующего ЛИ, прошедших N циклов распространения через открытый оптический резонатор при различных концентрациях С молекулярного йода. Для Фиг. 5 С=1 ПДК (ПДК - предельно-допустимая концентрация молекулярного йода в атмосфере помещения) для длины резонатора L=1,5 м и N=30. Для Фиг. 6 при L=5 м, N=30, С=0,1 ПДК. При этом на представленных осциллограммах показано отношение амплитуд импульсов I(N), прошедших через открытый оптический резонатор с концентрацией С молекулярного йода, к амплитудам I₀(N) импульсов при нулевой концентрации С=0 молекулярного йода: I(N)/I₀(N). Серия амплитуд импульсов при нулевой концентрации получена при проведении измерений с пустой эталонной кюветой 4. При расчете использованы параметры молекулы йода и ПДК йода в атмосфере окружающей среды и в жилых помещениях из известной справочной литературы [11]. Таким образом, лазерная измерительная система по настоящему изобретению позволяет обнаруживать молекулярный йод, появившийся в атмосфере в результате работы ядерного реактора, при его концентрации, начиная от долей ПДК.The authors carried out experimental research and modeling of the operation of the laser measuring system. FIG. 5 and FIG. 6 shows a series of probing LR pulses that have passed N propagation cycles through an open optical resonator at various concentrations of molecular iodine C. For FIG. 5 С = 1 MPC (MPC is the maximum permissible concentration of molecular iodine in the room atmosphere) for the resonator length L = 1.5 m and N = 30. For FIG. 6 at L = 5 m, N = 30, C = 0.1 MPC. In this case, the presented oscillograms show the ratio of the amplitudes of pulses I (N) transmitted through an open optical resonator with a concentration of molecular iodine C to the amplitudes I ₀ (N) of pulses at zero concentration C = 0 of molecular iodine: I (N) / I ₀ ( N). A series of pulse amplitudes at zero concentration was obtained during measurements with an empty reference cell 4. In the calculation, the parameters of the iodine molecule and the MPC of iodine in the ambient atmosphere and in living quarters from the known reference literature were used [11]. Thus, the laser measuring system according to the present invention makes it possible to detect molecular iodine generated in the atmosphere as a result of the operation of a nuclear reactor, at its concentration starting from a fraction of the MPC.

Следует отметить возможность реализации в лазерной измерительной системе по настоящему изобретению различных алгоритмов обнаружения и измерения различных молекулярных составляющих атмосферы технических помещений АЭС, для чего первый лазерный генератор 1 настраивается на генерацию длины волны, отвечающей наибольшему поглощению лазерного излучения соответствующей конкретной составляющей продуктов деления урана.It should be noted the possibility of implementing in the laser measuring system according to the present invention various algorithms for detecting and measuring various molecular constituents of the atmosphere of the technical premises of a nuclear power plant, for which the first laser generator 1 is tuned to generate a wavelength corresponding to the highest absorption of laser radiation by the corresponding specific constituent of uranium fission products.

В лазерной измерительной системе по настоящему изобретению использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Лазерные генераторы и фотоприемники выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Оптические приборы и элементы, входящие в состав данной измерительной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические отражательные и полупрозрачные зеркала, выдвижные уголковые отражатели с приводом на основе шаговых электродвигателей, волоконно-оптические линии с входящими в их состав адаптерами волокна на диапазон от 200 нм до ИК диапазона, управляемые спектральные фильтры, выполненные на основе акустооптических ячеек, работающие в широком диапазоне длин волн от видимого до ультрафиолетового диапазона [9, 10]. Управляемые спектральные фильтры обеспечивают спектральную узкополосную фильтрацию зондирующего ЛИ перед его поступлением на входы фотоприемных блоков. Длина волны спектральной фильтрации задается сигналом управления от блока 19 и соответствует длине волны лазерного излучения, генерируемого в этот момент времени соответствующим лазерным генератором. Управляемые спектральные фильтры выполняют также функцию необходимого ослабления поступающего лазерного излучения, а также обеспечивают защиту фотоприемных блоков от высокого уровня интенсивности лазерного излучения в первый момент генерации импульса излучения лазерным генератором. Фотоприемные блоки выполнены на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя, работающего в диапазоне 200-800 нм. В состав фотоприемных блоков входят электрические усилители импульсных сигналов, блоки оцифровки и сопряжения со входом ЭВМ.The laser measuring system of the present invention uses commercially designed or manufactured blocks and assemblies. Laser generators and photodetectors are manufactured by industry and are used in industry, medicine and research. The optical devices and elements that make up this measuring system are developed and manufactured by the industry. Such elements include optical reflective and semitransparent mirrors, retractable corner reflectors with a drive based on stepper motors, fiber-optic lines with fiber adapters included in their composition for the range from 200 nm to the IR range, controllable spectral filters based on acousto-optic cells, operating in a wide range of wavelengths from the visible to the ultraviolet range [9, 10]. Controlled spectral filters provide spectral narrow-band filtering of the probing LR before it arrives at the inputs of the photodetector units. The wavelength of the spectral filtering is set by the control signal from the unit 19 and corresponds to the wavelength of the laser radiation generated at this point in time by the corresponding laser generator. Controlled spectral filters also perform the function of the necessary attenuation of the incoming laser radiation, and also provide protection of the photodetector units from a high level of laser radiation intensity at the first moment of generation of the radiation pulse by the laser generator. The photodetector units are made on the basis of a highly sensitive photomultiplier tube operating in the range of 200-800 nm. The photodetector units include electric amplifiers of pulse signals, digitizing units and interfacing with the computer input.

Блок 19 обработки и управления выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 19 выполняет функции обработки поступающей с выходов фотоприемных блоков информации, на основе которой осуществляется расчет и определение концентрации молекулярного йода или других составляющих атмосферы контролируемых технических помещений. Одновременно блок 19 осуществляет управление работой всех элементов и устройств лазерной системы измерений по соответствующей программе. Блок 19 содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами лазерной измерительной системы.The processing and control unit 19 is based on any type of standard electronic computer. Block 19 performs the functions of processing the information coming from the outputs of the photodetector units, on the basis of which the calculation and determination of the concentration of molecular iodine or other constituents of the atmosphere of the controlled technical premises is carried out. At the same time, block 19 controls the operation of all elements and devices of the laser measurement system according to the corresponding program. Block 19 contains interface means and is connected to all controllable elements of the laser measuring system.

Оптическая линия задержки 8 выполнена на основе волоконно-оптической линии 9 и обеспечивают необходимую задержку зондирующего импульса лазерного излучения за счет увеличения пути распространения импульса ЛИ в волоконно-оптической линии соответствующей длины. Введение данной временной задержки импульсов лазерного излучения необходимо для разделения этих импульсов по времени при их регистрации в фотоприемном блоке. Волоконно-оптические линии 58 и 61 позволяют расположить основную измерительную аппаратуру лазерной измерительной системы на расстоянии порядка 1000 метров от контролируемого технического помещения с ядерным реактором в безопасном помещении. Оптический коммутатор 54 может быть выполнен на основе использования оптоэлектронных акустооптических мультипликаторов оптических сигналов [9].The optical delay line 8 is made on the basis of the fiber-optic line 9 and provides the necessary delay of the probe laser pulse by increasing the propagation path of the LR pulse in the fiber-optic line of the corresponding length. The introduction of this time delay of laser pulses is necessary to separate these pulses in time when they are recorded in the photodetector unit. Fiber-optic lines 58 and 61 allow the main measuring equipment of the laser measuring system to be located at a distance of about 1000 meters from the controlled technical room with a nuclear reactor in a safe room. Optical switch 54 can be made using optoelectronic acousto-optic optical signal multipliers [9].

Настоящее изобретение, во-первых, реализует непрерывный контроль состава атмосферы в двух (или более) технических помещениях атомной электростанции. Это позволяет обеспечить мониторинг параметров атмосферы технических помещений и своевременное обнаружение опасных концентраций молекулярного йода и других составляющих, образующихся при длительной работе ядерного реактора. Применение для измерений состава атмосферы метода многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через контролируемый слой атмосферы позволяет увеличить чувствительность и точность измерений параметров атмосферы. При этом для измерения концентрации газовых составляющих атмосферы помещений АЭС используются открытые оптические резонаторы, размещенные непосредственно в указанных контролируемых помещениях. Это исключает необходимость использования каких-либо дополнительных измерительных кювет и позволяет существенно удлинить путь прохождения зондирующего лазерного излучения через контролируемый слой атмосферы технического помещения. Тем самым обеспечивается дополнительное увеличение чувствительности лазерной измерительной системы.The present invention, firstly, implements continuous monitoring of the composition of the atmosphere in two (or more) technical rooms of a nuclear power plant. This makes it possible to monitor the parameters of the atmosphere of technical rooms and to timely detect dangerous concentrations of molecular iodine and other constituents formed during long-term operation of a nuclear reactor. The use of the method of multiple passes of the probing laser radiation through the controlled layer of the atmosphere for measuring the composition of the atmosphere makes it possible to increase the sensitivity and accuracy of measurements of atmospheric parameters. At the same time, to measure the concentration of gas constituents in the atmosphere of NPP premises, open optical resonators are used, located directly in the specified controlled premises. This eliminates the need to use any additional measuring cuvettes and makes it possible to significantly lengthen the path of passage of the probing laser radiation through the controlled layer of the atmosphere of the technical room. This provides an additional increase in the sensitivity of the laser measuring system.

Во-вторых, в настоящем изобретении реализуется измерение уровня концентрации молекулярного йода в отдельных точках технического помещения путем дистанционного управляемого изменения длины открытого оптического резонатора. Это позволяет определить область наибольшей концентрации опасных веществ и место возникновения протечки твэлов и проникновения опасных веществ в атмосферу технического помещения. Реализация высокого уровня чувствительности лазерной измерительной системы позволяет обеспечить мониторинг параметров атмосферы на самых ранних стадиях начала и развития протечки твэлов и своевременно предотвратить возможность наступления аварийной ситуации высокого уровня.Secondly, the present invention realizes the measurement of the concentration level of molecular iodine at individual points of the technical room by remote controlled change in the length of the open optical resonator. This makes it possible to determine the area of the highest concentration of hazardous substances and the place of fuel element leakage and penetration of hazardous substances into the atmosphere of the technical room. The implementation of a high level of sensitivity of the laser measuring system allows monitoring of atmospheric parameters at the earliest stages of the onset and development of fuel element leakage and timely prevention of the possibility of a high-level emergency.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению позволяет с высокой точностью определять присутствие химического элемента -урана, попадающего в атмосферу и в помещение при возникновении разгерметизации и других технологических дефектах твэлов. Обнаружение урана может быть реализовано при использовании лазерных генераторов соответствующей длины волны генерируемого лазерного излучения. Высокая чувствительность предлагаемой лазерной измерительной системы позволяет на основе измерения весьма малой концентрации урана в составе исследуемых сред осуществлять обнаружение протечек твэлов и реализовать обнаружение предаварийного состояния тепловыделяющих сборок.The laser measuring system according to the present invention makes it possible to determine with high accuracy the presence of a chemical element, uranium, that enters the atmosphere and into the room in the event of leakage and other technological defects of the fuel elements. The detection of uranium can be realized using laser generators of the corresponding wavelength of the generated laser radiation. The high sensitivity of the proposed laser measuring system allows, on the basis of measuring a very low concentration of uranium in the composition of the investigated media, to detect leaks of fuel elements and to realize the detection of the pre-emergency state of fuel assemblies.

Использование лазерной измерительной системы по настоящему изобретению в составе ядерного энергетического реактора позволяет реализовать следующие преимущества и обеспечить решение следующих проблем в области эксплуатации современных ядерных реакторов:The use of a laser measuring system according to the present invention as part of a nuclear power reactor makes it possible to realize the following advantages and provide a solution to the following problems in the field of operation of modern nuclear reactors:

1) Обеспечение возможности проведения контроля состава атмосферы непосредственно в помещениях расположения первого и второго контуров ядерного реактора, а также в других необслуживаемых помещениях, например, помещениях бассейнов для выдержки твэлов. При этом возможно определение концентрации не только молекулярного йода, но и других радионуклидов, образующихся при длительной работе ядерного реактора и воздействии радиации. Для обнаружения указанных веществ возможно использование всего спектра лазерного излучения от короткого ультрафиолета до инфракрасного излучения.1) Ensuring the possibility of monitoring the composition of the atmosphere directly in the premises of the location of the first and second circuits of a nuclear reactor, as well as in other unattended premises, for example, in the premises of pools for holding fuel elements. In this case, it is possible to determine the concentration of not only molecular iodine, but also other radionuclides formed during prolonged operation of a nuclear reactor and exposure to radiation. For the detection of these substances, it is possible to use the entire spectrum of laser radiation from short ultraviolet radiation to infrared radiation.

2) В необслуживаемых и полуобслуживаемых помещениях первого контура (зона строгого режима) устанавливаются только открытые оптические резонаторы, выполняющие роль оптических датчиков параметров атмосферы помещения. Вспомогательное оборудование лазерной измерительной системы и устройства отображения информации могут быть вынесены в любое помещение АЭС на расстояние порядка 1000 метров от ядерного реактора за счет использования волоконно-оптической линии связи. Такая структура при высоком ресурсе работы оптических элементов позволит снизить радиационные нагрузки обслуживающего персонала АЭС.2) In the unattended and semi-serviced premises of the primary circuit (strict regime zone), only open optical resonators are installed, which act as optical sensors for the parameters of the atmosphere of the room. Auxiliary equipment of the laser measuring system and information display devices can be placed in any room of the nuclear power plant at a distance of about 1000 meters from the nuclear reactor by using a fiber-optic communication line. Such a structure with a high service life of the optical elements will make it possible to reduce the radiation loads of the NPP maintenance personnel.

3) Применение лазерной измерительной системы по настоящему изобретению позволяет своевременно организовать работы по предотвращению аварийной ситуации высокого уровня.3) The use of the laser measuring system according to the present invention makes it possible to organize timely work to prevent a high-level emergency.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению может быть использована для мониторинга атмосферы окружающей среды и оперативного определения концентрации следующих молекулярных составляющих газов: сероводорода, двуокиси серы, двуокиси азота, окиси углерода, метана и метилмеркаптана. При этом обеспечивается чувствительность при определении указанных газовых компонентов в 10-50 раз более высокая, чем при использовании известных газоанализирующих средств.The laser measuring system of the present invention can be used to monitor the atmosphere of the environment and to quickly determine the concentration of the following molecular constituents of gases: hydrogen sulfide, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, carbon monoxide, methane and methyl mercaptan. At the same time, the sensitivity for the determination of the indicated gas components is 10-50 times higher than when using the known gas analyzing means.

Лазерная измерительная система по настоящему изобретению вследствие высокой точности измерений, широкого диапазона измерений концентраций исследуемых веществ и высокой оперативности выполнения измерений найдет применение в различных областях производства, химической, нефтеперерабатывающей промышленности и системах мониторинга окружающей среды и экологического контроля.The laser measuring system according to the present invention, due to its high measurement accuracy, a wide range of measurements of the concentrations of the investigated substances and high efficiency of measurements, will find application in various fields of production, chemical, oil refining industries and environmental monitoring and environmental control systems.

Источники информацииInformation sources

1. Марченко З.И. Фотометрическое определение элементов. М.: Мир, 1971.1. Marchenko Z.I. Photometric determination of elements. Moscow: Mir, 1971.

2. Патент США №5750461, опубл. 12.05.1998.2. US Patent No. 5750461, publ. 05/12/1998.

3. Патент РФ №2587642, опубл. 10.1.2015.3. RF patent No. 2587642, publ. 10 January 2015.

4. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектралъный фотометрический метод измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе контура охлаждения энергетического ядерного реактора. Атомная энергия, 2016, т. 121, вып. 5, с. 265-269.4. Mankevich S.K., Orlov E.P. Absorption-spectral photometric method for measuring the concentration of boric acid in the coolant of the cooling circuit of a nuclear power reactor. Atomic Energy, 2016, vol. 121, no. 5, p. 265-269.

5. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектралъный метод контроля характеристик теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Препринт ФИАН №12. М., 2015 г., 34 с. 5. Mankevich S.K., Orlov E.P. Absorption-spectral method for monitoring the characteristics of the coolant in a nuclear power reactor. FIAN Preprint No. 12. M., 2015, 34 p.

6. Патент РФ №2594364, опубл. 20.08.2016.6. RF patent No. 2594364, publ. 08/20/2016.

7. Патент РФ №2606369, опубл. 10.01.2017.7. RF patent No. 2606369, publ. 10.01.2017.

8. Патент РФ №2705212, опубл. 06.11.2019 (ближайший аналог).8. RF patent No. 2705212, publ. 11/06/2019 (closest analogue).

9. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985, с. 134-234.9. Balakshy V.I., Parygin V.N., Chirkov L.Ye. Physical foundations of acousto-optics. M .: Radio and communication, 1985, p. 134-234.

10. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985, т. 12, №4.10. Balakshiy V.I., Mankevich S.K., Parygin V.N. Quantum electronics. 1985, vol. 12, no. 4.

11. Лазарев Н.В., Астраханцев П.И. Химически вредные вещества в промышленности. Справочник Т.1 и Т.2. Госхимтехиздат. Ленинград, 1933 г.11. Lazarev N.V., Astrakhantsev P.I. Chemically harmful substances in industry. Reference book T.1 and T.2. Goskhimtekhizdat. Leningrad, 1933

Claims

1. A laser system for monitoring the atmosphere in technical rooms of nuclear power plants, containing the first and second laser generators, a laser radiation meter, a reference cell with a block for filling with a reference gas mixture, the first and second photodetector units, the first and second controllable spectral filters, the first and second fiber - optical lines with input and output fiber adapters, a remote mirror with a control unit, an optical delay line, a processing and control unit, the first and second corner reflectors, the first to fourth reflective mirrors and the first to seventh semitransparent mirrors, while on the first optical axis in series the first corner reflector, the fifth semitransparent mirror, the reference cuvette, the optical delay line and the second corner reflector, the optical input of the reference cuvette through the first to third and fifth, sixth semitransparent and first to third reflective mirrors are optically connected to the outputs the first and second laser generators and through the fifth and seventh semitransparent mirrors - with the optical input of the second controllable spectral filter, the optical output of which is connected to the optical input of the second photodetector unit, the optical input of the reference cell is additionally optically connected to the optical input of the first controllable spectral filter through the fifth and seventh semitransparent mirrors and a remote mirror in the inserted state, the optical output of the first controllable spectral filter is optically connected to the optical input of the first photodetector unit, the outputs of the first and second photodetector units are connected to the processing and control unit, the optical input of the laser radiation meter is through the first and second semitransparent mirrors and the first the reflective mirror is optically connected to the outputs of the first and second laser generators, the control inputs of the first and second laser generators, the laser radiation meter, the first and second controlled from spectral filters and a retractable mirror control unit are connected to a processing and control unit, characterized in that an optical switch and at least first and second open optical resonators are introduced, each placed in a separate controlled technical room of the nuclear power plant, and each open optical resonator is equipped with at least at least two retractable corner reflectors with displacement units, the optical input of each open optical resonator is optically connected to the corresponding optical output of the optical switch by means of a fiber-optic line of the same name, the optical input of which is optically connected to the outputs of the first and second laser generators by means of the first semitransparent mirror and the first reflective mirror and additionally through the fourth semitransparent mirror and the fourth reflective mirror is optically connected to the optical input of the first controllable spectral filter, the control inputs op a technical switch and blocks for moving the corner reflectors of all open optical resonators are connected to the processing and control block.

2. The system of claim. 1, characterized in that the optical delay line is made on the basis of optically serially connected input fiber adapter, fiber optic line and output fiber adapter.

3. The system according to claim 1, characterized in that each controllable spectral filter is made on the basis of an acousto-optic cell, in which acoustic waves are excited, interacting with laser radiation passing through the acousto-optic cell.

4. The system of claim. 1, characterized in that each laser generator is configured to tune the wavelength of the generated laser radiation.

5. The system of claim. 1, characterized in that in each open optical resonator the retractable corner reflectors are located equidistantly on the optical axis parallel to the optical axis of this open optical resonator.

6. The system of claim. 1, characterized in that in each open optical resonator, retractable corner reflectors in the insertion state are installed on the optical axis of this open optical resonator.