Способ непрерывного поддержания стабильности измерений спектрометрического канала при контроле равномерности распределения топлива в тепловыделяющем элементе гамма-адсорбционным методом
Владельцы патента RU 2603351:
Публичное акционерное общество "Машиностроительный завод" (RU)
Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при контроле равномерности распределения топлива в тепловыделяющих элементах (твэлах) гамма-адсорбционным методом с помощью сцинтилляционного спектрометра. Способ непрерывного поддержания стабильности измерений спектрометрического канала заключается в том, что регистрируют плотность потока гамма-излучения от внешнего источника, прошедшего через ограниченные участки держателей на стандартном образце твэла и на контролируемом твэле при перемещении их вдоль продольной оси стандартного образца/твэла. Зарегистрированные плотности потока гамма-излучения преобразуют с помощью спектрометра в последовательность электрических импульсов и регистрируют значения скорости счета импульсов на держателях и на топливном столбе твэла в каждой точке спектра ПТС. Определяют значения корректирующего коэффициента, вычисляют и регистрируют значение приведенной скорости счета ПТСприв для топливного столба твэла в каждой точке спектра. Технический результат - обеспечение автоматической подстройки показаний спектрометрического канала путем учета фоновых гамма-излучений. 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при контроле равномерности распределения топлива в тепловыделяющих элементах (твэлах) гамма-адсорбционным методом с помощью сцинтилляционного спектрометра.
Известен способ измерения плотности таблеток ядерного топлива в столбике, который заключается в регистрации с помощью сцинтилляционного спектрометра плотности потока гамма-квантов от внешнего источника излучения, прошедшего через ограниченный коллиматорами участок контролируемого столбика при перемещении его вдоль своей продольной оси (RU 2458416 С1, 10.08.2010).
В условиях промышленного производства и меняющегося внешнего радиационного фона и иных условий (температура, наличие сетевых помех и др.) в помещении, где находятся спектрометрические измерительные каналы, которые регистрируют гамма-кванты, неизбежно возникает нестабильность в показаниях обусловленная указанными выше факторами.
Особенно это сказывается при контроле характеристик распределения топлива в уран-засыпных твэлах. Данная нестабильность может приводить к массовой перебраковке изделий, особенно в тех случаях, когда уровни разбраковки очень малы и сравнимы с величиной мешающих внешних факторов.
Следует отметить, что данная нестабильность имеет случайный характер и никакими математическими алгоритмами не описывается и требуется постоянная корректировка показаний с учетом изменяющихся внешних условий.
Устранение этой нестабильности позволяет сократить количество перебраковок твэлов и, соответственно, сократить количество их перепроверок и соответственно увеличить производительность установок.
Существуют несколько способов решения данной проблемы (см., например, Цитович А.П. Ядерная электроника, М.: Энергоатомиздат. 1984, с. 47; SU 949571 А1, 07.08.1982; Матвеев В.В., Хазанов Б.И. Приборы для измерения ионизирующих излучений, М.: Атомиздат, 1967, с. 626-629).
Известен также способ стабилизации спектрометра, основанный на учете флуктуаций скорости счета импульсов в реперном канале путем формирования сигнала коррекции исполнительного устройства спектрометра по результатам сравнения скорости счета импульсов в двух окнах стабилизации, расположенных на склонах реперного пика, при этом до начала измерений при отсутствии анализируемой пробы к детектору подают изотопный реперный источник в качестве контрольного излучателя, производят стабилизацию измерительного тракта по этому контрольному излучателю, запоминают значение полученного сигнала коррекции и фиксируют состояние исполнительного механизма системы стабилизации, разрывают цепь подачи сигнала коррекции на исполнительное устройство и удаляют контрольный излучатель, на позицию измерения подают анализируемую пробу, а в детектор вводят репер, световой или от изотопного источника, получают новый сигнал коррекции окна стабилизации или сам реперный пик перемещают таким образом, чтобы сигнал коррекции принял значение, равное значению, полученному при стабилизации по контрольному излучателю, и включают цепь подачи сигнала коррекции на исполнительное устройство для стабилизации спектрометра (RU 2085968 С1, 27.07.1997).
Известен также способ стабилизации энергетической шкалы многоканальных сцинтилляционных спектрометров гамма-излучения, включающий регистрацию спектрометром гамма-излучения от, по меньшей мере, одного, контрольного источника излучения, подаваемого до начала измерения исследуемого излучения, в котором в качестве контрольного источника применяют изотопный источник быстрых нейтронов, основанный на (α, n) реакции на 9Ве, до начала измерения определяют положение пиков полного поглощения излучения используемого контрольного источника на энергетической шкале спектрометра, производят построение зависимости положения номера канала спектрометра от энергии гамма-излучения, результаты зависимости заносят в память компьютера в качестве эталонной зависимости, затем при измерении исследуемого излучения производят сравнение положения пиков полного поглощения от исследуемого излучения, с положением пиков полного поглощения от эталонной зависимости и при обнаружении расхождения корректируют положение пиков, изменяя коэффициент усиления (RU 2366979 С1, 10.09.2009).
Недостатками описанных способов является привязка к техническим характеристикам спектрометра, где стабилизация заключается в изменении электрических параметров спектрометров для установки их в необходимый режим работы либо автоматически, либо вручную. Однако эти способы совершенно не учитывают изменение внешних условий работы спектрометрических каналов и не могут решить задачу стабилизации процесса контроля твэлов.
Задача изобретения заключается в обеспечении стабилизации процесса контроля твэлов в условиях изменяющихся внешних факторов, влияющих на стабильность работы спектрометра.
Техническим результатом изобретения является обеспечение автоматической подстройки показаний спектрометрического канала путем учета фоновых гамма-излучений.
Технический результат достигается способом непрерывного поддержания стабильности измерений спектрометрического канала сцинтилляционного спектрометра при контроле равномерности распределения топлива в тепловыделяющем элементе (твэле) гамма-абсорбционным методом, заключающийся в том, что регистрируют плотность потока гамма-излучения от внешнего источника, прошедшего через ограниченные участки держателей, закрепленных на стандартном образце твэла, при перемещении их вдоль продольной оси стандартного образца, затем регистрируют плотности потока гамма-излучения от внешнего источника, прошедшего соответственно через ограниченные участки держателей, закрепленных на контролируемом твэле, и топливного столба твэла при перемещении их вдоль продольной оси твэла, зарегистрированные плотности потока гамма-излучения преобразуют с помощью спектрометра в последовательность электрических импульсов и регистрируют значения скорости счета импульсов на держателях, закрепленных на стандартном образце твэла ПФОНст, на держателях, закрепленных на контролируемом твэле ПФОН, и на топливном столбе твэла в каждой точке спектра ПТС, после этого с помощью компьютера, соединенного со спектрометром, определяют значения корректирующего коэффициента Акор: Акор=К·ПФОНст/ПФОН, где К - коэффициент, учитывающий соотношение поглощающих свойств держателя и топлива в твэле, и при регистрации спектрометром плотности потока гамма-излучения, прошедшего через ограниченный участок топливного столба твэла, с помощью компьютера вычисляют и регистрируют значение приведенной скорости счета ПТСприв для топливного столба твэла в каждой точке спектра: ПТСприв=Акор·ПТС.
Способ основан на измерении характеристик спектра гамма-излучения на материале держателя твэлаа непосредственно перед самим его измерением на твэле. При этом перед началом основного контроля твэла данные, относящиеся к держателю, полученные при первоначальной настройке установки, запоминаются заранее. Их изменение показывает, что внешние условия изменились, и эти изменения будут также отражены при контроле твэлов (т.е. появится дополнительная погрешность при контроле изделий). Чтобы учесть эту погрешность при контроле изделий каждый раз производится вычисление отношения среднего значения сигнала спектрометра на держателе при первоначальной настройке к значению сигнала спектрометра на держателе при контроле каждого твэла. Далее, при контроле топливного столба твэла каждое значение спектра умножается на данное отношение. Таким образом, данные при контроле твэла автоматически приводятся к данным, полученным при первоначальной настройке.
Предложенный способ предназначен для корректировки показаний спектрометрических измерительных каналов в условиях спонтанно изменяющихся внешних условий. Способ позволяет отслеживать влияние внешних факторов на показания измерительных каналов и проводить корректировку получаемых данных с их учетом. Метод измерения - гамма-абсорбционный (узкий пучок излучения). Просвет происходит параллельным пучком перпендикулярным оси твэла.
Предложенный способ позволяет получать объективные данные измерительного гамма-спектрометрического канала, что в конечном итоге приводит к получению объективных выводов о качестве твэла с точки зрения характеристик по содержанию уранового топлива. Способ обеспечивает корректировку данных независимо от того, по какой внешней причине изменились характеристики гамма-спектрометрического канала.
На фиг. 1 приведена схема устройства для осуществления измерения гамма-излучения, проходящего через твэл.
На фиг. 2 приведен график изменения сигнала спектрометра при контроле твэл.
Устройство для осуществления измерения содержит измерительный узел, включающий источник 1 гамма-излучения и блок 2 детектирования. Изделие - твэл 3 закреплено в держателях 4 и 5, которые изготовлены предпочтительно из нержавеющей стали и характеристики которых неизменны и определяются только физическими свойствами материала держателей.
При проведении контроля через измерительный узел последовательно проходит левый держатель 4 изделия, затем сам твэл 3 и правый держатель 5. Можно предположить, что при изменении внешних условий полученные изменения показаний относительно предварительно измеренных для установленного в держателях 4 и 5 стержня из нержавеющей стали таким же образом должны быть отслежены и на твэле 3 с соответствующим коэффициентом. Данный коэффициент показывает соотношение коэффициентов поглощения гамма-излучения на стальном стержне и на твэле 3.
Держатели 4, 5 могут быть изготовлены из любого материала с достаточным для корректной работы спектрометрических каналов массовым коэффициентом поглощения.
При измерении распределения плотности топлива по топливному столбу твэла 3 используется гамма-абсорбционный метод измерения гамма-излучения, проходящего через топливный столб, по энергетической линии 122 КэВ исходящего от источника 1 гамма-излучения типа Со 57.
Для измерения гамма-излучения, проходящего через топливный столб твэла 3, используется спектрометрический канал, включающий блок 2 детектирования, подключенный к нему спектрометр (плата спектрометра), и компьютер, к который установлена плата спектрометра (на фиг. 1 не показаны). Сцинтиллятор блока 2 детектирования представляет из себя кристалл NaI(TI).
Данная измерительная схема позволяет регистрировать только полезный сигнал от источника 1 гамма-излучения, убирая при регистрации все паразитные излучения, что позволяет при высокой скорости движения твэла 3 получить достоверный результат.
Принцип действия устройства при измерении линейной плотности распределения топлива топливного столба заключается в регистрации плотности потока гамма-квантов от внешнего источника 1 излучения, прошедшего через ограниченный коллиматорами участок контролируемого столбика твэла 3 при перемещении его вдоль своей продольной оси с известной скоростью.
При движении твэла 3 в процессе контроля плотность потока гамма-квантов, прошедшего через твэл 3, с помощью сцинтилляционного блока детектирования преобразуется в статистически распределенную последовательность электрических импульсов, поступающих на плату спектрометрического анализатора, где происходит соответствующее усиление и амплитудная дискриминация, а далее запись в файл временной последовательности чисел зависимости N(L) (фиг. 2), где:
N - число импульсов за единицу времени (скорость счета);
L - координата участка столбика;
ПФОН - значение скорости счета на держателях 4, 5 (используется для корректировки показаний);
ПТС - значение скорости счета для топливного столба твэла 3;
ВПП - верхнее пороговое значение скорости счета для порогового значения линейной плотности топливного столба;
ВПП - нижнее пороговое значение скорости счета для порогового значения линейной плотности топливного столба.
Пороговые значения выбирают в процессе предварительных исследований.
В процессе работы под влиянием внешних условий работы уровень ПТС может измениться (опыт показывает, что изменение может составить значение до уровня НПП и ВПП). Это приведет к перебраковке изделий или увеличению их перепроверок. При этом невозможно определить, по какой причине это произошло, до тех пор, пока не будет произведен прогон стандартного образца. Эта процедура проводится по регламенту обычно 1 раз в смену (за 8 часов). Можно эту процедуру проводить после контроля каждого изделия, но это резко приведет к потере производительности.
Поэтому предлагается проводить корректировку показаний по уровню ПФОН. Причем этот уровень ПФОНст запоминается программой контроля при первоначальной настройке установки по стандартному образцу твэла и при контроле каждого изделия сравнивается с ним. Так как значение ПФОН получается на однородном держателе 4 или 5, который имеет одинаковые характеристики в любых условиях, то отклонение показаний от заранее выставленного ПФОНст указывает на изменение внешних условий (не важно каких). Далее с помощью программного обеспечения спектрометра рассчитывается значение корректирующего коэффициента Акор:
Акор=К·ПФОНст/ПФОН, где
ПФОНст - выставленное значение, полученное при настройке установки по стандартному образцу твэла;
ПФОН - значения, полученные при контроле изделия (твэла).
К - коэффициент, учитывающий соотношение поглощающих свойств держателя и топлива.
Как известно, ослабление (уменьшение интенсивности) потока гамма-квантов происходит по экспоненциальному закону:
N(x)=N0exp(-µх), где
N(x) - количество зарегистрированных импульсов в единицу времени;
N0 - количество испускаемых гамма квантов в единицу времени;
µ - линейный коэффициент ослабления материала, см-1;
х - толщина слоя материала, см.
Коэффициент К, учитывающий соотношение поглощающих свойств топлива и держателя, рассчитывается по формуле:
К=ехр(-µтопхтоп)/exp(-µстхст), где
µтоп и µст - линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения соответственно для топлива и материала держателя;
хтоп и хст - толщина слоя топлива и слоя материала держателя соответственно.
Для примера рассмотрим твэл, топливом которого является диоксид урана в порошковой форме, а держатели выполнены из нержавеющей стали.
Справочные значения µ для указанных сред и значения х для них следующие:
• для диоксида урана с насыпной плотностью 3.2 г/см3-µ=6 см-1; х=0.3 см
• для нержавеющей стали - µ=2,86 см-1; х=0.6 см.
С учетом этих значений можно рассчитать коэффициент К:
К=е-(6·0.3)/e-(2,86·6), что примерно равно 1.
Таким образом, из теоретических предположений об экспоненциальном законе поглощения гамма-квантов следует, что отношение К поглощающих свойств топлива и держателя из вышеуказанных материалов близко к единице. Это означает, что в данном случае при изменении внешних условий изменение сигнала на держателе 4,5 такое же, как и на изделии 3. Для других материалов значение К может быть иным.
Далее вычисляются значения ПТСприв=Акор·ПТС
ПТСприв - приведенные значения скорости счета для топливного столба в каждой точке спектра при контроле.
ПТС - реально полученные значения скорости счета для топливного столба в каждой точке спектра при контроле.
Таким образом реальные полученные на топливном столбе данные будут скорректированы на изменение внешних условий.
Пример осуществления предложенного способа.
Данный способ был реализован на установке типа РИР-19, предназначенной для контроля равномерности распределения уранового топлива в твэле. Измерительный узел данной установки представляет собой систему, состоящую из источника 1 гамма-излучения и блока 2 детектирования, который регистрирует прошедшие через тело твэла гамма-кванты. Установка имеет входной накопитель изделий (твэлов) и выходной накопитель изделий (твэлов) (на чертеже не показаны).
Система управления установки обеспечивает перемещение твэла 3 в продольном направлении через измерительный узел, снятие информации о структуре топливного столба, выявление конкретных аномальных по плотности единичных таблеток и их разбраковку, расчет коэффициента корректировки.
Система управления реализована на промышленном компьютере ADVANTEG с установленной платой коммуникационного процессора СР5611 и платой спектрометра типа SBS-77, и контроллере SIMATIC S7-300.
Перед началом работы на входном накопителе находились твэлы, которые сами являются гамма-излучателями. Данное гамма-излучение попадает, как паразитный сигнал (фон), в измерительную систему и вносит дополнительный сигнал в регистрируемый блоком 2 детектирования сигнал. При этом данный сигнал не является постоянным и зависит от количества твэлов на входном накопителе и поэтому его просто нельзя учесть заранее. Пример изменения фоновых значений ПФОН и соответственно показаний спектрометра ПТС по времени показан в таблицах 1 и 2 ниже. В таблице 1 показаны временные изменения показаний ПТС по длине топливного столба без учета влияния внешнего фона при прогоне одного и того же твэла. В таблице 2 показаны временные изменения показаний ПТСприв с учетом влияния внешнего фона при прогоне одного и того же твэла путем корректировки полученных значений с использованием предложенного способа (реальная средняя линейная плотность топлива в образце твэла равна 0.134 г/см).
Видно, что, если не учитывать произвольное изменение фона описанным выше способом, изменения показаний контрольных величин изменяются в больших пределах, что является неприемлемым для контроля.
Из этой таблицы видно, что даже при значительном изменении фоновых значений значение линейной плотности остается постоянным и не зависит от него.
Данное изобретение позволяет значительно улучшить эксплуатационные качества уже существующей установки контроля распределения топлива в твэле, исключить перебраковку, улучшить качество выпускаемой продукции.
Способ непрерывного поддержания стабильности измерений спектрометрического канала сцинтилляционного спектрометра при контроле равномерности распределения топлива в тепловыделяющем элементе (твэле) гамма-абсорбционным методом, заключающийся в том, что регистрируют плотность потока гамма-излучения от внешнего источника, прошедшего через ограниченные участки держателей, закрепленных на стандартном образце твэла, при перемещении их вдоль продольной оси стандартного образца, затем регистрируют плотности потока гамма-излучения от внешнего источника, прошедшего соответственно через ограниченные участки держателей, закрепленных на контролируемом твэле, и топливного столба твэла при перемещении их вдоль продольной оси твэла, зарегистрированные плотности потока гамма-излучения преобразуют с помощью спектрометра в последовательность электрических импульсов и регистрируют значения скорости счета импульсов на держателях, закрепленных на стандартном образце твэла ПФОНст, на держателях, закрепленных на контролируемом твэле ПФОН, и на топливном столбе твэла в каждой точке спектра ПТС, после этого с помощью компьютера, соединенного со спектрометром, определяют значения корректирующего коэффициента Акор: Акор=К·ПФОНст/ПФОН, где К - коэффициент, учитывающий соотношение поглощающих свойств держателя и топлива в твэле, и при регистрации спектрометром плотности потока гамма-излучения, прошедшего через ограниченный участок топливного столба твэла, с помощью компьютера вычисляют и регистрируют значение приведенной скорости счета ПТСприв для топливного столба твэла в каждой точке спектра: ПТСприв=Акор·ПТС.
