Применение гаммаспектрометра на основе кристалла La Br 3 Ce

Применение гаммаспектрометра на основе кристалла La. Br 3(Ce) для задач непрерывного контроля изотопов йода в первом контуре реакторов типа РБМК и ВВЭР Ламшин Артем Константинович Чигир 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 Класс безопасности 4 Н 4 Н 4 Н СЖГ-1001 ВНИИ «Спектр» , г. Зеленоград Да + азот 1 Не РФ 4 Н СГЖ-101 (La. Br 3) НПП "РАДИКО", г. Обнинск Нет 2 РФ 3 Н 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

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 изза механического износа рабочих элементов не подлежат ремонту. Конечно возможно применение конструкций с сосудом Дьюара, но это перечеркивает преимущества автономной системы. Также нередки случаи отказа спектроанализаторов 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 3 Н, 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 Na. I(Tl) La. Br 3(Ce) Hp. Ge Плотность , g/cm 3 3, 67 5, 08 5, 32 Толщина слоя половинного ослабления излучения E = 662 ke. V, cm 2, 5 1, 8 1, 9 38 000 63 000 338 000 (e=-h+ пар) -0, 3 0, 02 - 230 250 16 - 43 (обычно 50) 20 1, 1÷ 1, 5 @ REff=40% 4200 1400 750 2 65 (монопольная) 150 (кристалл) Световыход LE, Ph/Me. V Темп. коэффициент световыхода, %/0 C Постоянная высвечивания LD, ns Энергетическое разрешение 662 ke. V детектора ( 1, 5'') по линии 137 Cs, ke. V Максимально достижимый объем рабочего вещества детектора, cm 3 Cтоимость (оценочно), $/cm 3

Характеристики спектрометра на основе La. Br 3(Ce) Параметр Диапазон регистрируемых энергий, Мэ. В Значение от 0, 1 до 3, 0 Относительное энергетическое разрешение по линии 122 кэ. В (57 Co) с кристаллом Ø 38 38 мм, %, не более 11 Относительное энергетическое разрешение по линии 662 кэ. В (137 Cs) Ø 38× 38 мм, %, 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 60 Co по линии с энергией 1332 кэ. В в фиксированной геометрии – источник на расстоянии от торца корпуса спектрометра с кристаллом Ø 38× 38 мм, [имп·Бк /с ], не менее 1, 5 10 -4 Эффективность регистрации в пике полного поглощения для нуклида 137 Cs по линии с энергией 661, 6 кэ. В в фиксированной геометрии – источник на расстоянии от торца корпуса спектрометра с кристаллом Ø 38× 38 мм, [имп·Бк /с], не менее 3, 0 10 -4 Максимальная входная статистическая загрузка, имп. /с, не менее Максимальная выходная статистическая загрузка, код/с, не менее 5, 0 105 2, 0 105 Относительное изменение разрешения по линии 2614, 5 кэ. В нуклида 228 Th при максимальной загрузке, создаваемой источником 137 Cs (линия 662 кэ. В), %, не более 7, 5 Относительное смещение положения пика линии 2614, 5 кэ. В нуклида 228 Th при максимальной загрузке, создаваемой источником 137 Cs (линия 662 кэ. В), %, 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 La. Br 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 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/м 3). • 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 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 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 Ламшин Артем Константинович Чигир Вадимович