Применение гамма- спектрометра на основе кристалла LaBr 3 (Ce) для задач непрерывного контроля изотопов йода в первом контуре реакторов типа РБМК и ВВЭР Ламшин Артем Константинович Чигир Вадим Вадимович

Требования НТД Согласно «Общим положениям обеспечения безопасности атомных станций» НП (ОПБ-88/97): «АС удовлетворяет требованиям безопасности, если ее радиационное воздействие на персонал, население и окружающую среду при нормальной эксплуатации, нарушениях нормальной эксплуатации, включая проектные аварии, не приводит к превышению установленных доз облучения персонала и населения, нормативов по выбросам и сбросам, содержанию радиоактивных веществ в окружающей среде, а также ограничивается при запроектных авариях». «Правилами ядерной безопасности реакторных установок атомных станций» (НП ) определены требования по безопасности АС, в том числе дополнительные (Приложение к НП п.2.1, 2.2) определяющие эксплуатационный предел повреждения твэлов и предел безопасной эксплуатации по количеству и величине дефектов твэлов.

Требования НТД Эксплуатационный предел повреждения твэлов за счет образования микротрещин не должен превышать 0,2% твэлов с дефектами типа газовой неплотности оболочек и 0,02% твэлов при прямом контакте ядерного топлива с теплоносителем. Предел безопасной эксплуатации по числу и величине дефектов твэлов составляет 1% твэлов с дефектами типа газовой неплотности и 0,1% твэлов, для которых имеет место прямой контакт теплоносителя и ядерного топлива. Технологическими регламентами по эксплуатации энергоблоков АЭС определены контрольные уровни удельной активности йода-131(или суммы активностей йодов) в воде КМПЦ на стационарной мощности реактора, установленный из условия не превышения эксплуатационных пределов повреждения твэлов. Предел безопасной эксплуатации АЭС по удельной активности йода *10 5 Бк/кг (1*10 -5 Ки/кг).

Лабораторный контроль К достоинствам можно отнести: –точность выполнения измерения и радионуклидного состава теплоносителя первого контура (выполнение измерения на высокоточном лабораторном оборудовании). К недостаткам можно отнести такие аспекты как: –недостаточная частота отбора - раз в сутки; –дозовые нагрузки для персонала, связанные с отбором высокоактивных проб; –наличие человеческого фактора.

Лабораторный контроль Для повышения оперативности контроля и для исключения недостатков лабораторного контроля, ряд компаний предлагают автоматизированный контроль на основании полупроводникового детектора из особо чистого германия (ОЧГ). Установки ОЧГ-контроля радионуклидного состава теплоносителя по сути являются лабораторным оборудованием, что влечет за собой некоторые особенности в его эксплуатации и обслуживании, а так же накладывает ряд ограничении, по квалификации персонала его обслуживающего.

Автоматизированные системы разных фирм Название Производитель Наличие электро- охладителя Число измерительных каналов Страна изготовитель детектирующего о элемента Класс безопасности Объекты внедрения СГЖ-01 НПП "РАДИКО", г. Обнинск Да 1Не РФ4Н Курская АЭС, Ленинградская АЭС, Ростовская АЭС МАРС-012-СУГ ФГУП "НИТИ им. Александрова", г. Сосновый Бор Да 1Не РФ4Н Калининская АЭС, Тяньваньская АЭС СТПК-01 ООО НПП "АТОМКОМПЛЕКСПРИ БОР" г. Киев Да 1Не РФ4Н Запорожская АЭС, Ровенская АЭС, Хмельницкая АЭС СЖГ-1001 ВНИИ «Спектр», г. Зеленоград Да + азот 1Не РФ4Н данные о внедрении отсутствуют СГЖ-101 (LaBr 3 ) НПП "РАДИКО", г. Обнинск Нет 2РФ3Н

Структурная схема установок, на примере СГЖ-01

Недостатки установок на основе детектора ОЧГ Основные недостатки установок созданных на основе ОЧГ- детекторов: –сложное в эксплуатации оборудование, –ограниченные эксплуатационные характеристики (требуется размещение в лабораторных условиях), –необходим квалифицированный обслуживающий персонал для работы с оборудованием (инженер- спектрометр ист).

Недостатки установок на основе детектора ОЧГ Самым слабым звеном являются электро охладители, которые очень требовательны к температурному режиму, к качеству воздушной среды (запыленность помещения) и из-за механического износа рабочих элементов не подлежат ремонту. Конечно возможно применение конструкций с сосудом Дьюара, но это перечеркивает преимущества автономной системы. Также нередки случаи отказа спектро-анализаторов из-за слабой защиты от электрических помех и детекторов. Кроме того – ни один полупроводниковый детектор на основе ОЧГ на сможет обеспечить выполнение требований предъявляемых к оборудованию класса безопасности 3Н, вследствие конструктивных особенностей, а это существенным образом ограничивает свободу размещения и компоновки оборудования.

Недостатки установок на основе детектора ОЧГ Опыт эксплуатации подобных установок показал, что в случае отказа оборудования, ремонт по месту или даже у дилера оборудования на территории РФ затруднен и зачастую не возможен, в виду сложности оборудования. Оборудование приходится отправлять производителю и в таком случае ремонт может продлиться до года и более. В результате чего АЭС остается без оперативного контроля.

Задачи для разработки новой установки Таким образом, можно выделить основные задачи, которые необходимо решить: –Повысить надежность оборудования; –Увеличить его ремонтопригодность, радикально уменьшить сроки ремонта, в случае выхода из строя оборудования; –Уменьшить стоимость системы.

Дополнительные пожелания Предложения по устранению недостатков существующих систем контроля радионуклидного состава теплоносителя 1. Реализация в автоматизированной системе двух независимых измерительных каналов, работающих параллельно, что приведет в свою очередь к увеличение частоты получения измеренных данных и увеличение надежности работы системы. 2. Использование в установке детектора, отечественного производства, что даст уменьшение стоимости установки, увеличение ремонтопригодности, уменьшение сроков ремонта и поставки комплектующих.

Спектры излучения уранового образца

Сравнение характеристик спектрометров Характеристика Детектор NaI(Tl)LaBr 3 (Ce)HpGe Плотность, g/cm 3 3,675,085,32 Толщина слоя половинного ослабления излучения E = 662keV, cm2,51,81,9 Световыход LE, Ph/MeV (e = -h + пар) Темп. коэффициент свето выхода, %/ 0 C-0,30,02- Постоянная высвечивания LD, ns Энергетическое разрешение 662keV детектора ( 1,5'' 1,5'') по линии 137 Cs, keV 43 (обычно REff=40% Максимально достижимый объем рабочего вещества детектора, cm Cтоимость (оценочно), $/cm (монопольная) 150 (кристалл)

Характеристики спектрометра на основе LaBr 3 (Ce) Параметр Значение Диапазон регистрируемых энергий, Мэ Вот 0,1 до 3,0 Относительное энергетическое разрешение по линии 122 кэВ ( 57 Co) с кристаллом Ø38 38 мм, %, не более 11 Относительное энергетическое разрешение по линии 662 кэВ ( 137 Cs) Ø38×38 мм, %, не более 3,5 Интегральная нелинейность (предел допускаемой основной погрешности характеристики преобразования), %, не более+0,3 Число каналов накапливаемого спектра 1024 Емкость канала накапливаемого спектра 2 30 Эффективность регистрации в пике полного поглощения для нуклида 60 Co по линии с энергией 1332 кэВ в фиксированной геометрии – источник на расстоянии от торца корпуса спектрометра с кристаллом Ø38×38 мм, [имп·Бк /с ], не менее 1, Эффективность регистрации в пике полного поглощения для нуклида 137 Cs по линии с энергией 661,6 кэВ в фиксированной геометрии – источник на расстоянии от торца корпуса спектрометра с кристаллом Ø38×38 мм, [имп·Бк /с], не менее 3, Максимальная входная статистическая загрузка, имп./с, не менее 5, Максимальная выходная статистическая загрузка, код/с, не менее 2, Относительное изменение разрешения по линии 2614,5 кэВ нуклида 228 Th при максимальной загрузке, создаваемой источником 137 Cs (линия 662 кэВ), %, не более 7,5 Относительное смещение положения пика линии 2614,5 кэВ нуклида 228 Th при максимальной загрузке, создаваемой источником 137 Cs (линия 662 кэВ), %, не более 0,25 Временная нестабильность характеристики преобразования за 24 ч непрерывной работы, %, не более 0,25 Дополнительная погрешность характеристики преобразования от изменения температуры в диапазоне температур от минус 25 до плюс 55 0 С, %, не более 1,0

Структурная схема спектрометра LaBr 3 (Ce)

Преимущества СГЖ-101 Высокая температурная стабильность и надежность, особенно в области повышенных температур эксплуатации на АЭС Отсутствие необходимости охлаждать детектор жидким азотом или электро охладителем, что сокращает накладные расходы. Улучшенная эффективность регистрации g-излучения вследствие большей плотности кристалла. Улучшенная линейность шкалы спектрометра. Стабильность градуировочной шкалы и энергетического разрешения. Более надежная схема стабилизации усиления

Преимущества СГЖ-101 Работоспособность при аварийных выбросах и при жесткой радиационной обстановки (максимальная статическая загрузка по входу спектрометрического тракта не менее имп./с). Измерение в расширенном диапазоне активностей (до Бк/м 3). Уменьшенная неопределенность измерения, связанная с потерей импульсов совпадений вследствие малого мертвого времени (максимальная статическая загрузка по выходу спектрометра не менее кодов/с).

Преимущества СГЖ-101 Гарантированная работоспособность системы при предельных активностях и аварийных значениях мощности фонового излучения (до 10 м Зв/ч). Высокая точность измерения, поскольку неопределенность, связанная с температурным дрейфом, близка к нулю. Уменьшение затрат на обслуживание прибора. Отсутствие необходимости контроля за климатическими условиями детектора Повышенное энергосбережение

Общий вид установки

Измерительная камера

Пример экранного интерфейса (мнемосхема)

Пример сложносоставных спектров ( 152 Eu, 133 Ba, 137 Cs, 60 Co)

Внешний вид установки СГЖ-101 (фотография)

Внутренняя компоновка стойки пробоотборной

Текущее положение дел В настоящее время ООО НПП «РАДИКО» выполнила изготовление опытного образца установки СГЖ-101, которая прошла период опытно-промышленной эксплуатации на Курской АЭС. В конце 2014 года были завершены все процедуры метрологических и технических испытаний. Получены сертификаты на утверждение типа средства измерения и сертификация в системе ОИТ для применения в филиалах Концерна «РОСЭНЕРГОАТОМ». В ближайшее время ожидается запуск мелко-серийного производства для оснащения всех блоков с РУ типа РБМК

Результаты опытной эксплуатации Сравнение лабораторных измерений и измерений установки СГЖ-101 с измерительной камерой с тефлоновым покрытием, при стабильных показаниях I-131 при отсутствии разгерметизации кассет

Результаты опытной эксплуатации Сравнение лабораторных измерений и измерений установки СГЖ-101 с измерительной камерой имеющей электрополированную внутреннюю поверхность, при зафиксированном росте удельной активности I-131 в воде КМПЦ

Результаты опытной эксплуатации Сравнение лабораторных измерений и измерений установки СГЖ-101 с измерительной камерой имеющей электрополированную внутреннюю поверхность, при стабильных показаниях I-131 при отсутствии разгерметизации кассет

Результаты опытной эксплуатации Скорость изменения остаточной активности Cr-51 на стенках измерительной камеры, в условных единицах

Результаты опытной эксплуатации Скорость изменения остаточной активности Co-60 на стенках измерительной камеры, в условных единицах

Результаты опытной эксплуатации Показания установки хорошо коррелируют с лабора- торными измерениями. Разница показаний отдельных измерений не превышает 50%. В среднем разница лежит в пределах 20%. Ошибка, как правило, была в большую сторону, что хорошо соответствует «консервативному подходу» при измерении радиационных параметров. Установка стабильно отрабатывает не только на нижнем уровне концентрации активности йода, но и возможные всплески активности связанные с разгерметизацией кассет, пуском и остановкой блока. Опыт эксплуатации показал, что для задачи измерения теплоносителя КМПЦ предпочтительнее использовать измерительную камеру с тефлоновым напылением на внутренней поверхности, что обеспечивает химическую стойкость при контакте с любыми веществами, в отличие от нержавеющей стали.

Результаты опытной эксплуатации Предпочтительнее использовать способ промывки при подаче ХОВ сверху «метод ополаскивания», при этом осадок со дна камеры не поднимается вверх по стенкам, а следовательно не имеет возможности закрепиться на стенках камеры. При ручной промывке измерительной камеры с тефлоновым покрытием наблюдалось существенное снижение остаточной активности, на её стенках в отличие от камеры с электрополированной внутренней поверхностью. Что говорит о преимуществе использования камеры с тефлоновым покрытием.

ООО НПП Радиационный контроль. Приборы и методы (РАДИКО) Россия, Калужская обл. г. Обнинск, пр. Маркса,14 тел: факс: Ламшин Артем Константинович Чигир Вадим Вадимович Благодарю за внимание!