Применение гамма- спектрометра на основе кристалла LaBr (Ce) для
advertisement
Применение гаммаспектрометра на основе кристалла LaBr3(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-001-97 (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-082-07) определены требования по безопасности АС, в том числе дополнительные (Приложение к НП-082-07 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-131 - 3.7*105 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 СГЖ-01 МАРС-012-СУГ СТПК-01 Производитель НПП "РАДИКО", г. Обнинск ФГУП "НИТИ им. Александрова", г. Сосновый Бор ООО НПП "АТОМКОМПЛЕКСПРИ БОР" г. Киев Наличие электроохладителя Да Да Да Число измерительных каналов 1 1 1 Страна изготовитель детектирующег о элемента Не РФ Не РФ Не РФ Класс безопасности 4Н 4Н 4Н СЖГ-1001 ВНИИ «Спектр», г. Зеленоград Да + азот 1 Не РФ 4Н СГЖ-101 (LaBr3) НПП "РАДИКО", г. Обнинск Нет 2 РФ 3Н Объекты внедрения Курская АЭС, Ленинградская АЭС, Ростовская АЭС Калининская АЭС, Тяньваньская АЭС Запорожская АЭС, Ровенская АЭС, Хмельницкая АЭС данные о внедрении отсутствуют Структурная схема установок, на примере СГЖ-01 Контролируемая среда Подвод среды ИК Промывочная вода ПС Отвод среды Воздух УД Дренаж Связь с УНО-909 криошланг КУПС ЦСА Электроохладитель Связь с УНО-909 Недостатки установок на основе детектора ОЧГ Основные недостатки установок созданных на основе ОЧГдетекторов: – сложное в эксплуатации оборудование, – ограниченные эксплуатационные характеристики (требуется размещение в лабораторных условиях), – необходим квалифицированный обслуживающий персонал для работы с оборудованием (инженерспектрометрист). Недостатки установок на основе детектора ОЧГ Самым слабым звеном являются электроохладители, 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) LaBr3(Ce) HpGe Плотность , g/cm3 3,67 5,08 5,32 Толщина слоя половинного ослабления излучения E = 662keV, cm 2,5 1,8 1,9 38 000 63 000 338 000 (e=-h+ пар) -0,3 0,02 - 230250 16 - 43 (обычно 50) 20 1,1÷1,5 @ REff=40% 4200 1400 750 2 65 (монопольная) 150 (кристалл) Световыход LE, Ph/MeV Темп. коэффициент световыхода, %/0C Постоянная высвечивания LD, ns Энергетическое разрешение 662keV детектора (1,5''1,5'') по линии 137Cs, keV Максимально достижимый объем рабочего вещества детектора, cm3 Cтоимость (оценочно), $/cm3 Характеристики спектрометра на основе LaBr3(Ce) Параметр Диапазон регистрируемых энергий, МэВ Значение от 0,1 до 3,0 Относительное энергетическое разрешение по линии 122 кэВ (57Co) с кристаллом Ø3838мм, %, не более 11 Относительное энергетическое разрешение по линии 662 кэВ (137Cs) Ø38×38мм, %, не более 3,5 Интегральная нелинейность (предел допускаемой основной погрешности характеристики преобразования), %, не более +0,3 Число каналов накапливаемого спектра Емкость канала накапливаемого спектра 1024 230 Эффективность регистрации в пике полного поглощения для нуклида 60Co 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 1,510-4 Эффективность регистрации в пике полного поглощения для нуклида 137Cs по линии с энергией 661,6 кэВ в фиксированной геометрии – источник на расстоянии от торца корпуса спектрометра с кристаллом Ø38×38мм, [имп·Бк /с], не менее 3,010-4 Максимальная входная статистическая загрузка, имп./с, не менее Максимальная выходная статистическая загрузка, код/с, не менее 5,0105 2,0105 Относительное изменение разрешения по линии 2614,5 кэВ нуклида 228Th при максимальной загрузке, создаваемой источником 137Cs (линия 662 кэВ), %, не более 7,5 Относительное смещение положения пика линии 2614,5 кэВ нуклида 228Th при максимальной загрузке, создаваемой источником 137Cs (линия 662 кэВ), %, не более 0,25 Временная нестабильность характеристики преобразования за 24ч непрерывной работы, %, не более 0,25 Дополнительная погрешность характеристики преобразования от изменения температуры в диапазоне температур от минус 25 до плюс 55 0С, %, не более 1,0 Структурная схема спектрометра LaBr3(Ce) Преимущества СГЖ-101 • Высокая температурная стабильность и надежность, особенно в области повышенных температур эксплуатации на АЭС • Отсутствие необходимости охлаждать детектор жидким азотом или электроохладителем, 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 500 000 имп./с). • Измерение в расширенном диапазоне активностей (до 5•1010 Бк/м3). • Уменьшенная неопределенность измерения, связанная с потерей импульсов совпадений вследствие малого мертвого времени (максимальная статическая загрузка по выходу спектрометра — не менее 200 000 кодов/с). Преимущества СГЖ-101 • Гарантированная работоспособность системы при предельных активностях и аварийных значениях мощности фонового излучения (до 10 мЗв/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 Измерительная камера Блок детектирования 1 Блок детектирования 2 Свинцовая защита Пример экранного интерфейса (мнемосхема) Пример сложносоставных спектров (152Eu,133Ba, 137Cs, 60Co) Пример сложносоставных спектров (152Eu,133Ba, 137Cs, 60Co) Пример сложносоставных спектров (152Eu,133Ba, 137Cs, 60Co) Пример сложносоставных спектров (152Eu,133Ba, 137Cs, 60Co) Внешний вид установки СГЖ-101 (фотография) Внутренняя компоновка стойки пробоотборной Текущее положение дел В настоящее время ООО НПП «РАДИКО» выполнила изготовление которая опытного прошла образца период установки СГЖ-101, 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 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Тефлон сверху Тефлон снизу Сталь снизу Сталь сверху Скорость изменения остаточной активности Cr-51 на стенках измерительной камеры, в условных единицах Результаты опытной эксплуатации 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Тефлон сверху 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Тефлон снизу Сталь снизу Сталь сверху Скорость изменения остаточной активности Co-60 на стенках измерительной камеры, в условных единицах Результаты опытной эксплуатации • Показания установки хорошо коррелируют с лабораторными 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. Благодарю за внимание! ООО НПП ‘Радиационный контроль. Приборы и методы’ (РАДИКО) Россия, Калужская обл. г. Обнинск, пр. Маркса,14 e-mail: v.chigir@radico.ru тел: +7-484-39-49716 факс: +7-484-39-49768 Л а м ш и н А ртем К о н с та н т и н о в и ч Ч и г и р В а д и м В а д и мо в и ч
