Спектрометрические устройства для контроля парогазовых и жидких сред

А.С.Гордеев, Л.С.Горн, Д.В.Денисов, А.Б.Комиссаров, ФГУП «Научно-инженерный центр «СНИИП»

В настоящем докладе рассматриваются основные принципы построения спектрометрических устройств для решения задач оперативного радиационного контроля параметров технологических сред АЭС и других радиационно-опасных объектах, создаваемых в ФГУП “Научно-инженерный центр “СНИИП”.

Подробно отражены состав, характеристики и преимущества разработанных на их основе интеллектуальных устройств детектирования. Показана целесообразность замены устаревшего оборудования с использованием нового поколения перспективной техники.

Определение объемной активности (ОА) газовых и аэрозольных выбросов, сопровождающих работу АЭС и других радиационно-опасных объектов, является одной из важнейших задач, решаемых размещенными на них системами радиационного контроля [1-4]. Согласно НРБ-99, радиационному контролю подлежат все радиационные характеристики выбросов в атмосферу, включая парциальные составляющие отдельных нуклидов. С 2001 года введены в действие федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии НП-021-2000 “Обращение с газообразными радиоактивными отходами (ГРО)”, которые устанавливают следующие требования к контролю при обращении с ГРО:

- Непрерывность контроля как объемной активности, так и нуклидного состава ГРО;

- Автоматизация контроля;

- Обеспечение в процессе контроля регистрации основных параметров выбросов, в том числе расхода выбрасываемого воздуха и активностей инертных радиоактивных газов (ИРГ), аэрозолей и йода.

Получение достоверной информации о выбросах позволяет:

а) отслеживать состояние реакторной установки по характерным нуклидам-индикаторам, находящимся в газовой фазе, например, по 16N7, 41Ar18, а также таким нуклидам ИРГ Kr36, Xe54 [4],

б) контролировать уровни активности, выбрасываемой АЭС в воздушную среду и оценивать состояние радиационной безопасности для окружающей среды и населения,

в) производить анализ и мониторинг жидких сбросов.

Эксплуатирующиеся в настоящее время автоматизированные системы радиационного контроля (АСРК), как правило, регистрируют интегральный эффект (суммарную объемную активность) по каждой из составляющих выбросов – газовой и аэрозольной, без выяснения вклада отдельных нуклидов. Это объясняется стремлением для повышения чувствительности радиометрических измерений регистрировать бета-излучение. При этом интегральный счет существенно ограничивает возможности интерпретации получаемых данных. Такое положение вещей объясняется преимущественно тем, что используемые методы и средства измерения были разработаны более 10 лет назад и базировались на применении непропорциональных детекторов – газоразрядных счетчиков или сцинтилляционных приборов в режиме интегрального счета импульсов. Развитые и использовавшиеся в лабораторных исследованиях спектрометрические методы с применением сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов при создании АСРК практически не использовались.

Применение морально устаревших средств измерения обычно обосновывается предъявляемым к аппаратуре для радиационно-опасных предприятий требованием “референтности”, в соответствии с которым к эксплуатации могут быть допущены только такие средства, стаж применения которых значителен (составляет несколько лет). Это обстоятельство, а также известная консервативность разработчиков аппаратуры сдерживают более широкое внедрение в состав АСРК приборов, основанных на применении спектрометрических методик, несмотря на то, что предпосылки для решения ряда конкретных задач были созданы около 20 лет назад [4].

В течение последнего десятилетия темпы внедрения спектрометрических методов как с применением полупроводниковых детекторов (ППД), обладающих высокой разрешающей способностью, так и сцинтилляционных, существенно возросли. Однако, созданные на их основе средства измерения, как правило, были выполнены в виде локальных измерительных установок для исследовательских целей, не входящих в состав АСРК. Это существенно ограничивало их эксплуатационные возможности, т.к. не позволяло прямо размещать результаты в общей базе данных АСРК и затрудняло их обработку, отображение и архивирование на единой принятой для АСРК методической основе. Кроме того, при проектировании новых систем или при модернизации существующих такие измерительные станции не могли быть прямо включены в состав системы, из-за того, что их средства связи (интерфейс и протокол обмена) не были выполнены с учетом правил, принятых для проектируемой АСРК [1].

В связи с вышеизложенным, одним из наиболее приоритетных направлений деятельности коллектива разработчиков ФГУП “Научно-инженерный центр “СНИИП” является создание нового поколения средств измерения объемной активности газов и аэрозолей в выбросах АЭС. В то же самое время, устройства могут быть полезными при контроле воздуха транспортных предприятий и движущихся средств, таких как суда с ядерной энергетической установкой. При этом основными критериями эффективности являются мобильность и оперативность контроля.

По своему функциональному назначению они должны быть избирательными радиометрами, обеспечивающими одновременное измерение нескольких парциальных ОА, обусловленных группой нуклидов в газо-аэрозольных или жидких выбросах и сбросах. В то же время их техническая реализация должна основываться на двухступенчатом преобразовании – накоплении амплитудного энергетического спектра на первом этапе, и на автоматизированной обработке этого спектра с получением результатов измерения парциальных ОА – на втором, что характерно для спектрометрической аппаратуры. Чтобы подчеркнуть эту особенность интеллектуальных устройств их принято называть избирательными радиометрами-спектрометрами (ИРС). Новизна оборудования для контроля газо-аэрозольных выбросов, основанного на применении спектрометрических методов, подтверждается и тем, что в классификации серии стандартов МЭК 60579 (“Оборудование для непрерывного мониторирования радиоактивности в газовых выбросах”) такой вид мониторов в настоящее время не предусмотрен.

Второе обязательное требование, которое предъявляется к очередному поколению устройств – их способность работы в составе автоматических систем радиационного контроля. Для реализации этой функции их необходимо наделить необходимыми аппаратными и программными средствами для прямого встраивания в системы АСРК с определенными шинными интерфейсами, рассчитанными на конкретный протокол обмена.

За последние несколько лет произошел качественный скачок в развитии элементной базы для нужд ядерного приборостроения. В частности, внедрение новых совершенных микроконтроллеров наделяет новую технику такими недоступными ранее программно-аппаратными функциями, как самодиагностика, индивидуальная настройка и возможность гибкой интеграции оборудования в действующую систему.

Потребитель получает в свое распоряжение законченный аттестованный измерительный канал, с заранее определенными идентичными свойствами. При этом собственно процедура поверки канала сводится к контролю частоты в двух точках. Особенно упрощается процесс проверки связи. В энергонезависимую память устройств детектирования помещается подробная спецификация изделия, все потенциально востребованные коэффициенты и пороговые значения. Интеллектуальные устройства детектирования, таким образом, становятся взаимозаменяемыми из состава ЗИП без дополнительной настройки [2].

Обмен данными происходит строго в соответствии с разработанным протоколом обмена данными, поддерживающем работу в нескольких режимах при формировании диагностических отчетов по запросам устройства верхнего уровня (УВУ).

Для коммутации широко используется распространенный промышленный электрический интерфейс RS-485, что, в свою очередь, также значительно способствует повышению надежности и удобству обращения с устройствами.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что для успешного обслуживания оборудования благодаря продуманным конструкторским решениям больше нет необходимости ни демонтировать изделие, ни нарушать его целостность. Наряду с органами управления существуют отдельные технологические разъемы, через которые и проводятся необходимые операции. Изделия выполняют в составе системы функцию периферийного устройства и лишены возможности самостоятельно инициировать обмен данными с УВУ.

Спектрометрические устройства по командам запроса данных (результатов, параметров и т.п.) передают в ответе данные, уже подготовленные к моменту получения команды и хранящиеся в оперативной памяти изделия. Если подготовленные данные не были запрошены до момента появления очередных (новых) данных, предыдущие значения заменяются новыми, при этом поддерживается ведение архива измерений.

Режим измерений и связанные с ним иные режимы работы изделия определяются действующими значениями параметров режимов. Действующие значения параметров могут быть изменены предназначенными для этого командами. Входящие в состав комплекта устройства детектирования состоят из двух конструктивно автономных частей, соединяемых между собой жгутом: блока детектирования и анализатора (периферийного контроллера). Доступно два исполнения анализатора: открытое (как узел анализатора, состоящий из печатной платы, передней панели и соединителя) и закрытое (в качестве блока анализатора, в котором узел установлен в корпусе, обеспечивающем устойчивость к внешним климатическим воздействиям и электромагнитным помехам, а также пыле-, влагозащиту и стойкость к воздействию водных дезактивирующих растворов). Допускается соединение блока детектирования и блока или узла анализатора с помощью электрических цепей длиной от 0,5 до 40 м.

Узел анализатора рассчитан на два варианта размещения: в узле сопряжения, либо в промышленном шкафу с установкой в кассетнице. Последнее решение чрезвычайно удобно при модернизации, так как в большинстве случаев сохраняет возможность использования старых кабельных трасс.

Перечисленные особенности новейших спектрометрических устройств детектирования позволяют конфигурировать подсистему контроля параметров парогазовых и жидких сред различным образом в зависимости от специфики конкретной задачи.

Существует три основных механизма генерации работающей реакторной установкой радиоактивных газов [4]:

а) активация элементов теплоносителя,

б) активация воздуха выгородок реакторных помещений, и

в) эмиссия газообразных продуктов деления, главным образом нуклидов криптона и ксенона при нарушении герметичности оболочек ТВЭЛов.

Известно, что не все ИРГ являются бета-излучателями (в частности Xe133m и Xe135m – чистые гамма-излучатели). Также известно, что несколько нуклидов имеют более 1-й бета-линии, непрерывный бета-спектр сложен для анализа, для него разработано меньшее по сравнению с гамма-спектром число алгоритмов анализа, диапазон энергий бета-частиц, подлежащих регистрации, шире. Кроме того, построение спектрометра бета-излучения неизбежно осложнено сопутствующим гамма-фоном (внешним и собственным): для работы в смешанных полях создание защиты спектрометра (в том числе и от конденсата пара) понизит его общую эффективность. Учитывая подобные обстоятельства, можно сделать вывод о целесообразности построения именно гамма-спектрометра.

Приведенные в работах [3, 4] данные приводят к выводу о том, что за исключением линии 6,134 МэВ, связанной с нуклидом 16N7, ОА которого измеряют при решении специальных задач технологического контроля, остальные спектральные линии лежат в интервале энергий от 0,06 до 2,5 МэВ. Интервалы между характерными линиями смеси, содержащей не более 5-7 компонентов, оказываются значительными и для получения достоверной информации о вкладе отдельных составляющих в большинстве случаев не требуется высокое разрешение, которое могут обеспечить только полупроводниковые детекторы. С другой стороны, ситуация осложняется тем, что реальные спектры содержат множество линий с выходом от долей до нескольких процентов, которые могут приводить к затруднениям при идентификации и определении активностей отдельных составляющих.

Важность достоверного определения ОА в выбросе, связанной с каждым из перечисленных нуклидов, определяется тем, что каждый из них является началом цепочки распада той или иной длины, звеньями которой являются дочерние радиоактивные нуклиды Cs, Ba, La, Ce, … в цепи распада Xe и Rb, Sr, Y, Nb, … в цепи распада Kr. По результатам измерения выбросов ИРГ оказывается возможным в соответствии с НРБ–99 оценивать и прогнозировать годовое поступление с воздухом каждого из дочерних нуклидов.

Выбор конкретного типа детектора произведен с учетом нескольких требований, определяемых следующими соображениями:

а) относительная эффективность детектора должна быть такой, чтобы обеспечить требуемое (достаточно низкое) значение порога чувствительности при измерении ОА выбранных, наиболее важных для решаемой задачи, нуклидов;

б) геометрическая конфигурация детектора должна обеспечивать (при заданном чувствительном объеме) возможно более высокую геометрическую эффективность для принятой ориентации детектора по отношению к измеряемому объему (при измерении ОА ИРГ);

в) спектрометрические параметры детектора (энергетическое разрешение, параметры формы спектральных линий) должны быть приемлемыми для избирательного измерения парциальных ОА важнейших нуклидов;

г) поскольку измерительные средства на АЭС должны допускать непрерывную круглосуточную эксплуатацию, поддержание необходимой температуры следует обеспечивать без применения термостатирующих устройств, заполненных жидким азотом.

Отечественная промышленность не выпускает детекторов из высокочистого германия, качество которых удовлетворяет перечисленным требованиям, а применение выпускаемых зарубежными фирмами детекторов сопряжено со сложными и дорогостоящими системами электроохлаждения. Наряду с этим, поставленная задача контроля радиационных параметров парогазовых и жидких сред АЭС может успешно быть решена посредством применения в качестве основы блока детектирования спектрометрического кристалла NaI(Tl) 50х50 мм2 с расширенным температурным диапазоном. Материал сцинтиллятора обладает большей по сравнению с ППД эффективностью регистрации гамма-излучения, обладает менее выраженным “ходом с жесткостью”, особенно в диапазоне энергий 80 до 300 КэВ, где сосредоточены спектральные линии нескольких важных нуклидов. Последнее решение уменьшает стоимость конечного продукта.

Входящий в состав всех ИРС выносной блок детектирования БДГГ-06Р, выполненный в герметичном корпусе из нержавеющей стали, допускает погружение в высокотемпературную технологическую жидкость. Стабилизация измерительного тракта осуществляется с использованием реперного радиоактивного источника Am241.


Рис. 1. Упрощенная геометрия измерений с помощью сцинтилляционного БДГГ-06Р параметров парогазовых сред в технологических помещениях

Прямое измерение ОА с использованием гамма-спектрометрической методики, требует увеличения проточного контролируемого объема (ПКО) газа. На практике применяют различные варианты размещения детектора относительно ПКО. Например, детекторы могут быть размещены вблизи нижнего колена вентиляционной трубы с ориентацией углов чувствительности вдоль горизонтального и вертикального направлений. Конкретная геометрия влияет на результирующую чувствительность, но ясно, что в первую очередь на нее влияют размеры ПКО, примыкающего непосредственно к детектору. На рисунке 1 для упрощения показано, что ПКО имеет форму сферы и детектор размещен вне этой сферы. Такая геометрия по сравнению с размещением детектора внутри контролируемого объема имеет то преимущество, что экранировать достаточно только сам детектор и имеется возможность значительного увеличения объема, что компенсирует некоторое уменьшение геометрической эффективности.

Специфической особенностью аппаратуры, предназначенной для избирательного измерения ОА выбросов отдельных нуклидов, является то, что по характеру решаемых задач она относится к классу радиометрической, а по технологии решения этих задач – к типично спектрометрической. Эта аппаратура, рассчитанная на применение со сцинтилляционными детекторами, в общем случае должна удовлетворять следующим требованиям:

- В составе аппаратуры для питания детектора должен быть предусмотрен источник высокого напряжения до 2500 В при токе нагрузки, равном нескольким микроамперам;

- Аппаратура должна содержать линейный усилитель сигналов, поступающих с анода ФЭУ до уровня нескольких вольт и выполняющий их оптимальное формирование, при котором обеспечивается компромисс между уровнем шума (т.е. разрешением) и быстродействием;

- В ее составе должен быть быстродействующий амплитудно-цифровой преобразователь (с временем преобразования не более 2,5 мкс), принимающий на свой вход сигналы с выхода усилителя и вырабатывающий на выходе код номера канала, соответствующий преобразованной амплитуде;

- Накопление данных о парциальных потоках должно осуществляться статистическим анализатором импульсов, с числом каналов, достаточным для адекватного представления спектральных линий спектром-гистограммой;

- Для координированной работы аппаратуры в автоматическом режиме в ее составе должно быть предусмотрено местное устройство управления, наделенное многими и весьма развитыми функциями, в том числе по обеспечению интерактивного режима работы под управлением оператора, а также под управлением команд в составе АСРК;

- Непременным условием работы в составе АСРК является наличие в составе аппаратуры интерфейсных портов, с помощью которых может осуществляться по определенным логическим правилам обмен данными с одним или несколькими устройствами АСРК.

Обобщенная структура избирательного радиометра ОА, использующего спектрометрическую технологию измерения парциальных активностей отдельных нуклидов приведена на рисунке 2.

Возможный путь наделения спектрометрической аппаратуры стойкостью к жестким условиям эксплуатации при ее относительно невысокой стоимости состоит в отказе от применения компьютера для выполнения функций устройства управления в структуре, приведенной на рисунке 2 и использовании для этой цели микроконтроллера. Совокупность функциональных устройств, образующих вместе с детектором избирательный радиометр-спектрометр полностью определяет качество измерительной информации. Она содержит три группы устройств. К первой относится источник высокого напряжения, вырабатывающий высокое напряжение для питания детектора.


Рис. 2. Обобщенная структурная схема измерительного тракта спектрометрических устройств детектирования УДГГ-06Р - УДГГ-08Р

Вторая группа устройств, обведенных пунктирной линией, образует анализатор импульсов. Он обеспечивает прием импульсных сигналов от зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ), их усиление и формирование, при котором отношение сигнал/шум максимально. Импульсные сигналы с выхода ЗЧУ поступают на усилитель-формирователь, вырабатывающий на выходе сигналы “колоколообразной” формы с амплитудами напряжения до нескольких вольт, соответствующими диапазону входных напряжений следующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Усиленные импульсы поступают на вход АЦП, который фиксирует момент достижения каждым из них амплитудного значения, запоминает это напряжение и преобразует его в двоичный код. По окончании кодирования АЦП на своих выходах вырабатывает параллельный двоичный код номера канала и импульсный сигнал начала регистрации, которые передаются на основное устройство преобразования – микроконтроллер (МК).

Ко второй группе также относятся несколько устройств, тесно связанных с усилителем и АЦП и выполняющих ряд специальных функций, которые позволяют свести к приемлемому минимуму искажения инструментального спектра в процессе накопления. Режектор и восстановитель нулевого уровня минимизируют искажения, вызванные повышенными потоками импульсных сигналов. Режектор исключает из спектра импульсы, совпавшие во времени с одним или более другим импульсами, если интервал между ними превышает заданный (разрешающее время режектора). При обнаружении наложения (до фиксации амплитуды импульса в АЦП) режектор блокирует пуск преобразования и исключает последующую регистрацию такого сигнала. Наличие режектора в составе аппаратуры позволяет снизить искажения спектра, проявляющиеся в уширении спектральных линий, при измерении ОА, близкой к верхней границе диапазона измерения.

Восстановитель нулевого уровня нейтрализует смещение нулевой линии, обусловленное, в частности, накоплением заряда на переходных конденсаторах и сводит к минимуму погрешности, связанные с аддитивным смещением спектральных линий в спектре.

Устройство разравнивания позволяет снизить дифференциальную нелинейность спектрометра и его наличие обязательно при использовании быстродействующих АЦП последовательного приближения.

В третью группу устройств входят: схема стабилизации измерительного тракта по реперному Am241 и порты связи с АСРК. МК содержит оперативную память достаточно большого объема, арифметическое устройство и органы управления исполнительными механизмами и устройствами сигнализации.

МК выполняет в аппаратуре следующие основные функции:

- обеспечивает автоматический или интерактивный режимы работы аппаратуры;

- задает временной режим измерения, т.е. осуществляет переходы аппаратуры из одного состояния в другое (накопление, останов) по часам или под управлением оператора;

- управляет работой всех устройств в режиме накопления, например, при модификации памяти в процессе накопления спектра;

- управляет передачей спектральной и служебной информации в принятом формате на то или иное устройство отображения;

- осуществляет обработку данных в процессе накопления или по окончании экспозиции, в результате которой из накопленного спектра выделяется требуемая радиометрическая информация; - управляет работой портов ввода/вывода, с помощью которых поддерживается обмен данными с АСРК;

- обеспечивает корректную работу устройства в режиме стабилизации;

- формирует диагностический кадр;

- поддерживает ведение архива измерений.

В рассмотренной обобщенной структуре параметры процессора импульсов определяют способность аппаратуры в полной мере использовать спектрометрические возможности используемого детектора, т.е. при данном наборе нуклидов-излучателей обеспечить минимальную погрешность измерения парциальных ОА.

В рассматриваемых устройствах (УДГГ-06Р - УДГГ-08Р) на базе быстродействующего 12 разрядного АЦП AD7899 фирмы Analog Devices и микроконтроллера ATmega64 фирмы Atmel был реализован спектрометрический измерительный тракт со следующими основными параметрами:

- Диапазон энергий – от 0,1 до 2,5 МэВ;

- Число каналов (емкостью 216 -1) – 256;

- Время преобразования – 2,2 мкс;

- Дифференциальная нелинейность – не более 1%;

- Диапазон измерения ОА – 1*103 – 1*1010 Бк/м3

Небольшое число каналов определяется с одной стороны шириной спектральных линий, представляющих интерес для контроля, в частности, линии 360 кэВ нуклида I131, а с другой ограниченной памятью контроллера. Полученное значение дифференциальной нелинейности (ДН) было достигнуто за счет отбрасывания четырех младших разрядов результата, что уменьшало исходное значение ДН в 16 раз, и статистическим разравниванием амплитуд на входе АЦП при интервале разравнивания, равном 8 каналам аппаратурного спектра.

Конкретные области применения описанных спектрометрических устройств могут быть различными. В частности, УДГГ-06Р рекомендуется использовать при гамма-контроле паровоздушной смеси на выхлопах с основных эжекторов, УДГГ-07Р устанавливается в местах контроля паропроводов, а УДГГ-08Р для непрерывного контроля объемной активности N16 в остром паре.

В целом, применение новых интеллектуальных спектрометрических устройств при решении задач оперативного контроля параметров парогазовых и жидких сред позволяет повысить качество измерительной информации и экономически целесообразно.

Литература
1. Чебышов С.Б., Черкашин И.И., Комиссаров А.Б. “Интеллектуальные” устройства детектирования для систем радиационного мониторинга. // Содружество, 2005, № 6 (131), с. 70.
2. Чебышов С.Б., Черкашин И.И., Хазанов Д.Б. Создание автоматизированных информационно-измерительных систем для АЭС. // Атомная стратегия, 2005, № 2 (16), с. 19.
3. Комиссаров А.Б., Леонов А.Ф., Федоровский Ю.П., Федоровский П.Ю., Чебышов С.Б. Исследование новых средств оперативного радиационного контроля газовых выбросов АЭС. // Ядерные измерительно-информационные технологии, 2002, № 3, с. 56-58.
4. Панов Е.А. Практическая гамма-спектрометрия на атомных станциях. М. Энергоатомиздат, 1990.

По материалам Международной конференции «Стратегия безопасности использования атомной энергии»

назад

Материалы из архива

8.2009 Пессимизм без идей

Сергей Шелин, заместитель главного редактора еженедельника "Дело": - Возвращение к уровню 2008 года, когда ВВП стоял было на грани удвоения по сравнению с 1998-м, намечается где-то в 2013-м, если не 2014-м году. Где она, «Концепция-2020»? Ушла на дно, как Атлантида… Начальство начало смутно осознавать, что вся проделанная им работа над собой, вся его выработанная с таким трудом антикризисная логика, основанная на терпеливом и даже самоотверженном ожидании подъема нефтяных цен, дает осечку.

9.2007 Ториевый цикл. Выбираем реактор

С.А.Субботин, к.т.н.,  РНЦ «Курчатовский институт»Впервые в этом году в программе  секции   НТС №1 обсуждалась ториевая энергетика. Однако в ФЦП в разделе «Инновации»  ториевая  энергетика  не значится. Это противоречие легко объяснимо.   ФЦП разработана до 2010 года.  А высокотемпературные реакторы,  на которые делают  ставку многие ученые в реализации ториевого проекта,  планируется вводить в эксплуатацию не ранее 2020 года.

10.2006 Искать точки соприкосновения

Мухтар Джакишев, президент Национальной атомной компании «Казатомпром» Дефицит уранового сырья заставляет ведущие мировые ядерные державы все чаще поглядывать в сторону Казахстана. Бывшая республика Советского Союза занимает второе место в мире по запасам урана, третье – по добыче. Выиграв судебный процесс по антидемпинговому разбирательству с американской компанией USEC, Казахстан, в отличие от России, продает уран в США по свободным мировым ценам.