Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для детектирования твердых фрагментов сферической формы шарикового холодного замедлителя нейтронов

Изобретение относится к области криогенной техники и может быть использовано для контроля количества загружаемого в замедлитель нейтронов рабочего вещества в условиях недоступности визуального обнаружения.

Уровень техники

Шариковый замедлитель используется в пучках исследовательских реакторов или нейтронно-производящих мишеней ускорителей и предназначен для получения во внешних пучках нейтронов низкой энергии (холодных нейтронов). Шариковый замедлитель состоит из герметичной камеры, которая установлена вблизи активной зоны реактора, трубопроводов, по которым циркулирует охлажденный теплоноситель (гелий) и по которым происходит загрузка рабочего вещества в герметичную камеру, а также теплообменник для охлаждения теплоносителя. В качестве рабочего вещества в шариковом замедлителе используется смесь мезитилена и м-ксилола в виде замороженных шариков. Камера замедлителя рассчитана на загрузку определенного объема рабочего вещества. При этом загрузка меньшего количества рабочего вещества, чем предусмотрено конструкцией камеры, приводит к изменению спектра во внешних пучках нейтронов, что нежелательно для проводимых на таких пучках исследовательских работ и экспериментов. С другой стороны - загрузка бОльшего количества рабочего вещества, чем предусмотрено, может привести к нарушению протока теплоносителя (охлажденного гелия) через камеру, что приведет к росту температуры внутри камеры, расплавлению рабочего вещества и, при определенных обстоятельствах, разрушению камеры. Поэтому при эксплуатации шарикового замедлителя важно знать и контролировать количество загружаемого рабочего вещества.

Известен аналог - газодинамический способ регистрации, описанный в патенте RU 2487430 «Газодинамический способ регистрации шариков, движущихся в цилиндрической трубе». Данный способ позволяет регистрировать движущиеся внутри трубопровода в потоке газа шарики при недоступности визуального контроля, посредством отбора газа из двух точек трубопровода, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, и измерении разности давления. К недостаткам способа относится то, что применяемый в качестве измерительного прибора дифференциальный манометр фиксирует перепады давления, связанные не только с движением шарика, но и другие перепады давления, которые присутствуют в трубопроводе ввиду наличия различных турбулентных потоков (пристеночных течений газа, перепад температур и т.д. и т.п.). Таким образом, такой способ регистрации не обеспечивает достоверности результатов, не позволяет вести подсчет количества шариков, фактически способ фиксирует лишь косвенные признаки движения шарика, а не сам шарик.

Прототипом изобретения является устройство контроля движущихся внутри трубопровода в потоке газа шариков, описанное в работе A. Belyakov, М. Bulavin, А. Chernikov, A. Churakov, S. Kulikov, Е. Litvinenko, К. Mukhin, A. Petrenko, Т. Petukhova, А. Sirotin, Е. Shabalin, V. Shirokov, and A. Verhoglyadov, Control System of Pelletized Cold Neutron Moderator at the IBR-2 Reactor, Physics of particles and nuclei letters, vol. 12, no. 6, 2015, p. 774-775. Устройство представляет собой участок трубопровода с наружным вакуумным кожухом. К трубопроводу через определенное расстояние подключены дифференциальные манометры, которые фиксируют разность (перепад) давлений в виде сигнала, измеряемого в милливольтах. Сигнал передается на персональный компьютер, где отображается в виде непрерывного графика. Таким образом при прохождении шарика внутри трубопровода между точками отбора газа измерительные приборы (дифференциальные манометры), фиксируют перепад давления, а на экране вычислительного устройства на графике наблюдается кратковременный скачок (пик).

К существенным недостаткам прототипа относится то, что устройство не позволяет вести подсчет количества шариков, проходящих через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Устройство фиксирует большое количество ложных сигналов, не связанных с движением шариков, в результате чего затруднен визуальный контроль такого движения.

Сущность изобретения

Техническая задача заключается в повышении точности измерений, а именно в контроле движения и подсчета количества фрагментов сферической формы, проходящих через поперечное сечение трубопровода в единицу времени, в условиях недоступности визуального контроля человеком.

Техническая задача решается за счет того, что к вакуумному кожуху присоединен узел детектирования. Узел детектирования представляет собой вакуумный изолирующий объем. Внутри узла детектирования находятся две присоединенные к трубопроводу трубки, внутри которых расположены измерительные приборы - оптоволоконные кабели излученного и отраженного света соответственно. На выходе из вакуумного изолирующего объема оптоволоконные кабели подключены к вычислительному устройству через усилитель и контроллер. В основе принципа действия устройства для детектирования лежит свойство отражения от поверхности твердого тела падающего луча света. Устройство для детектирования подсоединяется к трубопроводу, в котором необходимо осуществлять контроль движения и подсчета количества фрагментов сферической формы.

Перечень фигур

Фиг. 1 Типовая схема криогенного замедлителя нейтронов

1 - активная зона реактора;

2 - камера замедлителя;

3 - загрузочное устройство;

4 - циркулятор газовый;

5 - теплообменник;

6 - криогенная гелиевая установка;

7 - газгольдер;

8 - узел детектирования фрагментов сферической формы;

9 - оптоволоконный кабель излучения света;

10 - оптоволоконный кабель приема отраженного света;

11 - оптоволоконный цифровой усилитель сигнала;

12 - микроконтроллер;

13 - персональный компьютер.

14 - твердые фрагменты сферической формы

16 - трубопровод

18 - биологическая защита

Фиг. 2 Общий вид устройства для детектирования и подсчета количества твердых фрагментов сферической формы

9 - оптоволоконный кабель излучения света;

10 - оптоволоконный кабель приема отраженного света;

11 - цифровой оптоволоконный усилитель;

12 - микроконтроллер;

13 - персональный компьютер;

14 - твердые фрагменты сферической формы;

15 - вакуумный изолирующий объем;

16 - трубопровод;

17 - трубки.

Фиг. 3 Внешний вид рабочего окна программного обеспечения

Ось X - время, мин

Ось Y - количество фрагментов, шт.

а - График зависимости количества зафиксированных фрагментов от времени

b - График зависимости интенсивности фиксации фрагментов за секунду от времени

с - Уровень заполнения камеры криогенного замедлителя, %, где 100% - уровень, соответствующий полному заполнению камеры.

d - Общее количество зафиксированных фрагментов, шт.

Осуществление изобретения

Устройство для детектирования используют в криогенных замедлителях нейтронов (далее по тексту - КЗ). КЗ входит в состав оборудования исследовательского реактора и представляет собой металлическую камеру из алюминиевого сплава, которая дистанционно по трубопроводам заполняется кристаллизованными фрагментами сферической формы, состоящих из смеси ароматических углеводородов мезитилена и метаксилола. Температура трубопроводов и камеры во время заполнения составляет 80-100К, минимально возможная температура 17-20К.

Типовая схема КЗ представлена на фигуре 1. Твердые кристаллизованные фрагменты сферической формы (14) из смеси мезитилена и метаксилола через загрузочное устройство (3) попадают в трубопровод КЗ (16). Загрузочное устройство имеет специальный дозатор, который осуществляет поштучную подачу фрагментов сферической формы в трубопровод КЗ. Трубопровод КЗ имеет вакуумный объем, изолирующий от внешней среды («рубашка»), сконструированный по принципу «труба в трубе». Внутри трубопровода при помощи газового циркулятора (4) создают поток гелия, который, проходя через теплообменник (5), охлаждается до криогенных температур. Гелий поступает в систему непрерывно из газгольдера (7). Фрагменты сферической формы переносятся в потоке холодного гелия до камеры замедлителя (2), расположенной в непосредственно близости от активной зоны реактора (1). На пути перемещения фрагментов между загрузочным устройством (3) и камерой (2) в трубопровод монтируют узел для детектирования (8). По оптоволоконному кабелю (9) происходит непрерывное излучение света в видимом красном спектре, по оптоволоконному кабелю (10) отраженный луч передается на оптоволоконный цифровой усилитель сигнала (11). Далее преобразованный сигнал передается на микроконтроллер (12) и затем в вычислительное устройство - персональный компьютер (13), где производится непрерывный подсчет общего количества зафиксированных твердых фрагментов сферической формы.

Таким образом контролируют степень заполняемости камеры (2), так как общее количество фрагментов сферической формы необходимое для полного заполнения камеры известно. Отсутствие фиксируемых отраженных световых лучей в течение определенного промежутка времени означает отсутствие твердых фрагментов сферической формы в потоке газа, что, в свою очередь, сигнализирует о наличие затора из фрагментов сферической формы в линии трубопровода до места установки узла детектирования, затора в загрузочном устройстве (3) или выходе из строя самого загрузочного устройства. То есть способ также используют для фиксирования возникновение аварийных или внештатных ситуаций в процессе заполнения камеры замедлителя замедляющим веществом.

Общий вид устройства для детектирования и подсчета количества твердых фрагментов сферической формы представлен на фигуре 2.

Твердые кристаллизованные фрагменты сферической формы (14) движутся внутри трубопровода (16) в потоке газа, охлажденного до криогенных температур. Трубопровод имеет внешний вакуумный изолирующий объем (15). В трубопровод устанавливаются трубки (17), внутри которых находятся оптоволоконные кабели: кабель излучателя света (9) и кабель приемника отраженного света (10) соответственно. Длина электромагнитной волны света в излучателе соответствует видимому красному цвету (625-740 нм), излучение во времени непрерывно. При прохождении твердого кристаллизованного фрагмента сферической формы сквозь световой луч излучателя происходит отражение луча от наружной поверхности сферического фрагмента. Отраженный луч через оптоволоконный кабель приемника (10) попадает в цифровой оптоволоконный усилитель сигнала (11), где преобразуется в аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал обрабатывается в микроконтроллере (12) и передается далее в персональный компьютер (13). На персональном компьютере в специальном программном обеспечении производится непрерывный подсчет общего количества зафиксированных отраженных световых лучей, что соответствует количеству твердых фрагментов сферической формы, которые пересекли световой луч излучателя. Внешний вид рабочего окна программного обеспечения показан на фигуре 3.

Устройство для детектирования позволяет определить степень заполнения камеры замедлителя замедляющим веществом в отсутствии технической возможности визуализации контроля заполняемости камеры. В данном случае камера находится в непосредственной близости от активной зоны реактора, поэтому использование какого-либо электрооборудования (датчики, видеокамеры) или смотровых окон невозможно.

Тестовые испытаний устройства были произведены в условиях действующего криогенного замедлителя нейтронов исследовательского реактора ИБР-2 ОИЯИ г. Дубна.