Лазерная система обнаружения протечки в контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора

Изобретение относится к области ядерной энергетики. Лазерная система для обнаружения протечки в контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора содержит первый и второй лазерные генераторы, измеритель лазерного излучения, первую измерительную кювету, подсоединенную к первому контуру теплоносителя, два фотоприемных блока, первый управляемый спектральный фильтр, первую волоконно-оптическую линию с адаптерами волокна, два выносных зеркала с блоками управления, блок обработки и управления, также четыре уголковых отражателя, четыре отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, введены вторая измерительная кювета, подключенная ко второму контуру теплоносителя ядерного энергетического реактора, вторая волоконно-оптическая линия, снабженная адаптерами волокна, три оптических линии задержки, третий фотоприемный блок, второй и третий управляемые спектральные фильтры, блок сменных фильтров, два уголковых отражателя и пять полупрозрачных зеркал. Изобретение позволяет оперативно обнаружить протечку теплоносителя из первого контура теплоносителя во второй контур теплоносителя. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и предназначено для оперативного обнаружения протечки теплоносителя из первого контура во второй контур теплоносителя водо-водяного энергетического ядерного реактора (ВВЭР). Изобретение предназначено для использования в составе аппаратуры реакторов типа ВВЭР-440, ВВЭР-1000.

Обеспечение безопасной работы ядерного реактора требует своевременного и надежного обнаружения аварийной ситуации. Одной из наиболее опасных аварийных ситуаций является возникновение протечки вещества теплоносителя из первого контура ВВЭР реактора во второй контур. Возникновение данной протечки характеризуется опасностью разгерметизации первого контура и возможностью радиационного поражения персонала АЭС. Поэтому раннее обнаружение протечки является актуальным и позволит избежать развития опасных аварийных ситуаций и их последствий. В настоящее время не существует эффективных средств и методик, позволяющих достоверно и быстро обнаруживать наличие протечки теплоносителя из первого контура во второй контур на ранних стадиях развития данной аварийной ситуации. Информация о протечке в контуре теплоносителя поступает только при индикации повышенной радиации в веществе теплоносителя второго контура, что свидетельствует о высоком уровне развития аварийной ситуации. Поэтому разработка эффективных методов раннего обнаружения протечки в контуре теплоносителя является актуальной.

Известна система для обнаружения протечек по патенту РФ №2543942 (опубл. 10.03.2015) [1]. Система содержит модуль обнаружения протечек, четырехпроводный кабель, коммутаторы, конденсаторы, процессор обработки информации. Недостаток данной системы заключается в невозможности определения протечки внутри контура теплоносителя.

Известно устройство для контроля герметичности по патенту РФ №2417357 (опубл. 27.04.2011) [2]. Данное устройство обеспечивает контроль герметичности трубопроводов с жидким натрием, нарушение герметичности которых сопровождается появлением водорода. Устройство предназначено для использования в АЭС с натриевым теплоносителем и не может быть применено в ядерных реакторах с водным теплоносителем.

Известна система мониторинга протечек бассейна выдержки атомной электростанции по патенту РФ №2589726 (опубл. 10.07.2016) [3]. Система содержит датчик расхода воды, устройство очистки, датчик уровня жидкости, датчики влажности и температуры. К недостаткам данной системы следует отнести низкую точность, большой объем минимального уровня определения протечки и невозможность обнаружения протечки внутри трубопровода теплоносителя.

Известно устройство обнаружения утечки и покрытие элемента транспортировки текучей среды по патенту РФ №2575948 (опубл. 27.02.2016) [4]. Устройство содержит проводящий трубопровод, покрытый изоляционным материалом с дополнительным верхним проводящим слоем. Данное устройство обеспечивает обнаружение внешней протечки из трубопровода и предназначено для трубопроводов с жидким металлическим теплоносителем. Использование данного устройства в водных ядерных реакторах невозможно.

Известна система определения течи теплоносителя в помещениях АЭС по патенту РФ на полезную модель №111709 (опубл. 20.12.2011) [5]. Система содержит линию отбора проб воздушной среды, охладитель, влагоотделитель, линию отвода конденсата, датчики влажности и температуры. К недостаткам системы следует отнести низкую точность и большой объем минимально обнаруживаемой протечки. Система обеспечивает обнаружение только внешней протечки теплоносителя непосредственно в помещение АЭС.

Таким образом, в настоящее время не существует методов и технических средств, обеспечивающих обнаружение протечки теплоносителя непосредственно из первого контура во второй контур теплоносителя, содержащий парогенераторы, обеспечивающие передачу тепловой энергии к паровым турбинам, связанным с электрогенераторами. Особенность данного вида протечки заключается в том, что нарушение герметизации первого контура ядерного реактора происходит внутри второго контура, в который попадает определенное количество вещества теплоносителя из первого контура ядерного реактора. При этом в помещениях АЭС никакой протечки не наблюдается, так как вещество теплоносителя из первого контура поступает только во второй контур и в очень малых количествах. Поэтому на ранних стадиях развития данной аварийной технической ситуации обнаружение протечки современными известными средствами невозможно. Для эффективного решения данной проблемы и обнаружения протечки теплоносителя из первого во второй контур необходимо обеспечить высокоточное и оперативное измерение параметров теплоносителя во втором контуре ядерного реактора.

Наиболее адекватным методом решения проблемы измерения параметров водного теплоносителя непосредственно внутри второго контура теплоносителя ядерного реактора является оптический метод измерения характеристик теплоносителя, предложенный авторами в работах [6], [7] и реализованный в системах измерения по патентам РФ №2594364 (опубл. 20.08.2016) [8] и №2606369 (опубл. 10.01.2017) [9]. В указанных системах осуществляется просвечивание теплоносителя зондирующим лазерным излучением и измерение характеристик излучения, прошедшего через слой теплоносителя. Измерение параметров прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения позволяет обеспечить оперативный контроль концентрации борной кислоты в составе теплоносителя. Указанные системы измерения предназначены для работы в условиях ядерного реактора при наличии радиоактивности, высоких температур и давления. Возможность работы в условиях ядерного реактора обеспечивается выносом измерительной аппаратуры из зоны реактора, в которой размещен лишь оптический измерительный блок, соединенный волоконной линией с измерительной аппаратурой.

В качестве ближайшего аналога выбрана наиболее близкая по технической реализации система измерения по патенту РФ №2606369 [9]. Эта система измерения содержит первый и второй лазерные генераторы, измерительную и эталонную кюветы, фотоприемный блок, измерители лазерного излучения на основе фотоприемных блоков, оптический модулятор, выполняющий функцию управляемого оптического спектрального фильтра, адаптеры волокна, волоконно-оптическую линию, блоки обработки информации и управления, два оптических переключателя на основе выносных зеркал, уголковые оптические отражатели, полупрозрачные и отражательные зеркала, оптические ослабители. К недостаткам данной измерительной системы следует отнести отсутствие измерения параметров теплоносителя во втором контуре ядерного реактора, что не позволяет оперативно обнаруживать протечки теплоносителя из первого во второй контур теплоносителя.

Целью предлагаемого изобретения является решение проблемы обнаружения протечек теплоносителя из первого контура теплоносителя во второй контур водо-водяного ядерного энергетического реактора на ранних стадиях развития аварийной ситуации данного типа.

Решение поставленной технической задачи осуществляется в предлагаемом изобретении путем высокоточного определения параметров теплоносителя одновременно в первом и во втором контурах ядерного реактора. Непрерывный мониторинг параметров теплоносителя позволяет обеспечить обнаружение протечек теплоносителя на ранних стадиях развития данной аварийной ситуации, когда ее признаки проявляются в весьма малых изменениях параметров теплоносителя.

Достигаемым новым техническим результатом является обеспечение оперативного обнаружения протечки теплоносителя из первого контура теплоносителя во второй контур теплоносителя водного ядерного энергетического реактора и высокоточное определение величины обнаруженной протечки в непрерывном и оперативном режиме реального времени, повышение чувствительности и точности измерения уровня протечки теплоносителя.

Поставленная задача достигается следующим.

1. В лазерной системе для обнаружения протечки в контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора, содержащей первый и второй лазерные генераторы, измеритель лазерного излучения, первую измерительную кювету, подсоединенную к первому контуру теплоносителя ядерного энергетического реактора, два фотоприемных блока, первый управляемый спектральный фильтр, первую волоконно-оптическую линию с адаптерами волокна, два выносных зеркала с блоками управления, блок обработки и управления, а также четыре уголковых отражателя, четыре отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, при этом первая измерительная кювета установлена на первой оптической оси между первым и вторым уголковыми отражателями, оптический вход первой измерительной кюветы посредством первой волоконно-оптической линии, первого полупрозрачного зеркала и второго отражательного зеркала оптически связан с выходами лазерных генераторов и с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра посредством четвертого полупрозрачного зеркала и четвертого отражательного зеркала, оптический выход первого управляемого спектрального фильтра связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, выходы первого и второго фотоприемных блоков подключены к блоку обработки и управления, оптический вход измерителя лазерного излучения оптически связан с выходами первого и второго лазерных генераторов посредством первого и второго полупрозрачных зеркал и второго отражательного зеркала, управляющие входы лазерных генераторов, измерителя лазерного излучения, первого управляемого спектрального фильтра и блоков управления выносными зеркалами подключены к блоку обработки и управления, введены вторая измерительная кювета, подключенная ко второму контуру теплоносителя ядерного энергетического реактора, вторая волоконно-оптическая линия, снабженная адаптерами волокна, три оптических линии задержки, третий фотоприемный блок, второй и третий управляемые спектральные фильтры, блок сменных фильтров, два уголковых отражателя и пять полупрозрачных зеркал, при этом первая оптическая линия задержки установлена на первой оптической оси между оптическим выходом первой измерительной кюветы и вторым уголковым отражателем, на второй оптической оси последовательно установлены оптически связанные третий уголковый отражатель, шестое полупрозрачное зеркало, вторая измерительная кювета, вторая оптическая линия задержки и четвертый уголковый отражатель, на третьей оптической оси последовательно установлены пятый уголковый отражатель, восьмое полупрозрачное зеркало, блок сменных фильтров, третья оптическая линия задержки и шестой уголковый отражатель, оптический вход блока сменных фильтров оптически связан посредством восьмого полупрозрачного зеркала с оптическим входом третьего управляемого спектрального фильтра, а также дополнительно связан с выходами лазерных генераторов посредством восьмого и одиннадцатого полупрозрачных зеркал, первого и третьего отражательных зеркал, третьего и первого полупрозрачных зеркал и второго отражательного зеркала, оптический вход второй измерительной кюветы оптически связан с оптическим входом второго управляемого спектрального фильтра посредством шестого полупрозрачного зеркала и второй волоконно-оптической линии, оптический вход которой дополнительно связан с выходами лазерных генераторов посредством седьмого полупрозрачного зеркала, первого и третьего отражательных зеркал, третьего и первого полупрозрачных зеркал и второго отражательного зеркала, оптические выходы второго и третьего управляемых спектральных фильтров оптически связаны с оптическими входами соответственно второго и третьего фотоприемных блоков, оптический вход блока сменных фильтров оптически связан с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра посредством восьмого и десятого полупрозрачных зеркал и первого выносного зеркала во введенном состоянии, а также дополнительно связан с оптическим входом второго управляемого спектрального фильтра посредством восьмого и девятого полупрозрачных зеркал и второго выносного зеркала во введенном состоянии, управляющие входы второго и третьего управляемых спектральных фильтров подключены к блоку обработки и управления, выход третьего фотоприемного блока и управляющий вход блока сменных фильтров подключены к блоку обработки и управления.

2. В системе по п. 1 оптические линии задержки могут быть выполнены на основе оптически последовательно связанных входного адаптера волокна, волоконно-оптической линии и выходного адаптера волокна.

3. В системе по п. 1 блок сменных фильтров может быть выполнен на основе дискового держателя оптических фильтров и шагового электродвигателя, управляющий вход которого подключен к блоку обработки и управления.

4. В системе по п. 1 каждый управляемый спектральный фильтр может быть выполнен на основе акустооптической ячейки, предназначенной для возбуждения акустических волн, взаимодействующих с проходящим через ячейку лазерным излучением.

5. В системе по п. 1 первый лазерный генератор может быть выполнен для генерации лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

6. В системе по п. 1 первый и второй лазерные генераторы могут быть выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

На фиг. 1 представлена блок-схема лазерной системы обнаружения протечек теплоносителя в контуре водо-водяного энергетического ядерного реактора. Цифрами на блок-схеме обозначены следующие элементы.

1. Первый лазерный генератор.

2. Второй лазерный генератор.

3. Измеритель лазерного излучения.

4. Первая измерительная кювета.

5. Первая волоконно-оптическая линия с адаптерами 6 и 7 волокна.

8. Первый фотоприемный блок.

9. Второй фотоприемный блок.

10. Первый управляемый спектральный фильтр.

11. Первое выносное зеркало.

12. Первый блок 12 управления.

13. Второе выносное зеркало.

14. Второй блок 14 управления.

15. Блок обработки и управления.

16-19. Первый-четвертый уголковые отражатели, соответственно.

20. Первое отражательное зеркало.

53-55. Второе-четвертое отражательные зеркала, соответственно.

21-26. Первое-шестое полупрозрачные зеркала, соответственно.

Далее на блок-схеме фиг. 1 представлены вновь введенные элементы.

27. Вторая измерительная кювета.

28. Вторая волоконно-оптическая линия с адаптерами 29 и 30 волокна.

31. Блок сменных фильтров.

32. Третий фотоприемный блок.

33. Второй управляемый спектральный фильтр.

34. Третий управляемый спектральный фильтр.

35 и 36. Пятый и шестой уголковые отражатели.

37. Первая оптическая линия задержки, содержащая волоконно-оптическую линию 38, снабженную адаптерами 39 и 40 волокна.

41. Вторая оптическая линия задержки, содержащая волоконно-оптическую линию 42 с адаптерами 43 и 44 волокна.

45. Третья оптическая линия задержки, содержащая волоконно-оптическую линию 46, снабженную адаптерами 47 и 48 волокна.

49-52. Седьмое-десятое полупрозрачные зеркала, соответственно.

56. Одиннадцатое полупрозрачное зеркало.

57 и 58. Положения выносных зеркал 13 и 11 соответственно во введенном состоянии. На фиг. 1 выносные зеркала 13 и 11 показаны в выведенном (в нерабочем) состоянии, в котором они не оказывают влияния на прохождение оптических сигналов.

59, 60, 61 и 62. Патрубки, соединяющие измерительные кюветы с первым и вторым контурами теплоносителя, соответственно.

На фиг. 2 представлена схема подключения первой и второй измерительных кювет к первому и второму контурам теплоносителя.

63. Трубопровод первого контура теплоносителя ядерного реактора.

64. Байпас - ответвляющий трубопровод.

65, 66. Управляемые вентили.

67. Трубопровод второго контура теплоносителя ядерного реактора.

68, 69. Байпас.

70, 71. Управляемые вентили.

На фиг. 3 представлена схема блока 31 сменных фильтров (на фиг. 1).

72. Диск - держатель оптических фильтров.

73. Оптические фильтры.

74. Шаговый электродвигатель с цифровым управлением.

На фиг. 4 представлена схема подключения первой измерительной кюветы 4 к первому контуру теплоносителя ядерного реактора без использования врезки в контур теплоносителя. Подключение измерительной кюветы здесь осуществляется через устройство 76 отбора пробы из контура теплоносителя. Данное устройство имеется в составе аппаратуры ядерного реактора. Цифрами здесь обозначены следующие элементы.

75. Трубопровод первого контура теплоносителя ядерного реактора.

76. Устройство отбора пробы из первого контура теплоносителя ядерного реактора.

77, 78. Управляемые вентили.

79. Сливной управляемый вентиль.

80. Контейнер для сбора отработанного вещества теплоносителя. Остальные элементы соответствуют фиг. 1.

На фиг. 5 представлена схема подключения второй измерительной кюветы 27 ко второму контуру теплоносителя посредством устройства 82 отбора пробы.

81. Трубопровод второго контура теплоносителя ядерного реактора.

82. Устройство отбора пробы из второго контура теплоносителя ядерного реактора.

83, 84. Управляемые вентили.

85. Сливной управляемый вентиль.

86. Контейнер для сбора отработанного вещества теплоносителя.

На фиг. 6 и фиг. 7 представлены результаты моделирования работы лазерной измерительной системы при проведении измерений с различными уровнями концентрации борной кислоты. Измерения представлены в виде последовательности регистрируемых обратных импульсов лазерного излучения при различных уровнях концентрации С борной кислоты в составе теплоносителя в контуре охлаждения ядерного реактора. На фиг. 6 концентрация борной кислоты составляет С=0,2 миллиграмм на литр вещества теплоносителя. На фиг. 7 концентрация борной кислоты С=0,05 мг/л.

Принцип действия лазерной системы обнаружения протечек в контуре теплоносителя (далее лазерная измерительная система) заключается в следующем.

Лазерная измерительная система осуществляет непрерывное автоматическое измерение концентрации борной кислоты в теплоносителе в первом контуре ядерного реактора и одновременно измерение концентрации борной кислоты в теплоносителе во втором контуре ядерного реактора типа ВВЭР. Для этого в составе системы имеются две измерительные кюветы 4 и 27. При этом первая измерительная кювета 4 подключена посредством патрубков к первому контуру теплоносителя ядерного реактора, а вторая измерительная кювета 27 подключена посредством патрубков ко второму контуру теплоносителя того же ядерного реактора. В ядерных реакторах типа ВВЭР в первом контуре теплоноситель проходит через рабочую зону реактора и обеспечивает охлаждение и тепловой съем энергии непосредственно с тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ).

Для управления работой реактора и обеспечения устойчивого режима работы в водный теплоноситель первого контура вводится определенное количество борной кислоты. Использование борной кислоты обусловлено наличием в ее составе элемента бора (В¹⁰), обладающего высокой эффективностью поглощения нейтронов, образующихся в ядерном реакторе в процессе его функционирования. На начальном периоде работы реактора концентрация борной кислоты составляет примерно 7 грамм на литр вещества теплоносителя. По мере работы ядерного реактора происходит уменьшение концентрации борной кислоты по мере выгорания ядерного топлива. При этом уровень концентрации борной кислоты в первом контуре ядерного реактора непрерывно измеряется различными методами и корректируется путем добавления определенного количества борной кислоты в первый контур теплоносителя с помощью специальных устройств. Второй контур в реакторах ВВЭР обеспечивает передачу тепловой энергии от первого контура к паровым турбинам, связанным с электрогенераторами. Основным элементом второго контура является парогенератор, обеспечивающий непосредственный тепловой обмен между теплоносителями первого и второго контура. При этом в водном теплоносителе второго контура борная кислота отсутствует и в нормальном режиме работы ядерного реактора ее концентрация во втором контуре равна нулю.

При нарушении герметичности первого контура во второй контур попадает теплоноситель из первого контура реактора с растворенной в нем борной кислотой. На начальной стадии разгерметизации первого контура концентрация борной кислоты во втором контуре весьма мала. Для своевременного обнаружения протечки необходимо измерение малых уровней концентрации борной кислоты во втором контуре теплоносителя на уровне долей миллиграмм на литр вещества теплоносителя.

В предлагаемой лазерной измерительной системе осуществляется непрерывное измерение концентрации борной кислоты одновременно в первом и во втором контуре теплоносителя реактора типа ВВЭР. На основании сравнения измеренных величин концентрации борной кислоты в первом и втором контурах теплоносителя определяется уровень протечки вещества теплоносителя из первого во второй контур, который равен величине объема вещества теплоносителя из первого контура, прошедшего во второй контур к моменту времени измерения концентрации борной кислоты во втором контуре теплоносителя ядерного реактора. Как указано выше, первая и вторая измерительные кюветы обеспечивают измерение концентрации борной кислоты, соответственно, в первом и во втором контурах теплоносителя ядерного реактора. Измерение концентрации борной кислоты осуществляется модифицированным абсорбционно-спектральным методом, изложенным авторами в ближайшем аналоге [5].

Абсорбционно-спектральный метод основан на определении величины поглощения оптического излучения определенной длины волны при его прохождении через исследуемое вещество - теплоноситель в контуре ядерного реактора. При использовании данного метода, называемого также фотометрическим методом, осуществляется измерение величины уровня лазерного излучения I₀ соответствующей длины волны, поступающего на оптический вход измерительной кюветы 4 (фиг. 1), а также измерение уровня величины лазерного излучения I, прошедшего через измерительную кювету 4. После измерения и регистрации двух указанных величин лазерного излучения величина концентрации С борной кислоты в составе теплоносителя определяется по следующей формуле:

где V - величина, на которую уменьшается световой поток при прохождении слоя исследуемого вещества с толщиной (длиной) L:V=I₀-I; К - коэффициент экстинкции борной кислоты (параметр, характеризующий способность борной кислоты поглощать оптическое излучение определенной длины волны). Размерность К - л/г см. Размерность С - г/л. Параметр L является длиной измерительной кюветы.

Формула (1) является основной для определения концентрации С вещества в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известна в технической литературе. В предлагаемой лазерной измерительной системе данное соотношение используется для измерения сравнительно больших и средних концентраций борной кислоты в составе первого контура теплоносителя ядерного реактора - в пределах от десятков грамм на литр в начале кампании ядерного реактора, до десятков миллиграмм на литр объема вещества теплоносителя в середине и конце кампании ядерного реактора. Для измерения малых концентраций порядка десятых долей миллиграмм на литр (мг/л) в первом контуре теплоносителя и во втором контуре теплоносителя с помощью второй измерительной кюветы 27, включенной в этот контур, используется специальный режим измерений. Данный специальный режим измерений является модифицированным абсорбционным методом измерений и характеризуется многократным прохождением лазерного измерительного зондирующего импульса через исследуемый теплоноситель в первом и во втором контурах теплоносителя ядерного реактора. При этом при каждом очередном цикле прохождения зондирующего лазерного импульса через слой теплоносителя осуществляется измерение уровня интенсивности I этого импульса, прошедшего через измерительную кювету N раз, с помощью соответствующего фотоприемного блока. Измерение концентрации борной кислоты осуществляется на основе сравнения амплитуды импульса зондирующего лазерного излучения I(N), прошедшего через измерительную кювету N раз, с амплитудой исходного первоначального импульса лазерного излучения I₀ на входе измерительной кюветы. Формула для определения концентрации борной кислоты С в составе теплоносителя на основе амплитуды I(N) N-го импульса зондирующего лазерного излучения приобретает следующий вид:

Здесь в качестве величины I следует подставлять значение величины измеренного импульса зондирующего лазерного излучения с номером N:I=I(N). Измерение амплитуды данного импульса осуществляет соответствующий фотоприемный блок. Как следует из формулы (2), чувствительность лазерной системы измерений возросла в N раз, что обусловлено увеличением в N раз длины пути прохождения зондирующего импульса лазерного излучения через исследуемое вещество теплоносителя. Это позволяет обеспечить измерение во втором контуре теплоносителя весьма малых концентраций борной кислоты порядка долей миллиграмма на литр, образующихся при возникновении протечки вещества теплоносителя из первого контура во второй контур теплоносителя при возникновении аварийной ситуации.

Измерение концентрации борной кислоты в теплоносителе в первом и во втором контурах теплоносителя осуществляется одновременно и одинаковым способом следующим образом. Первый лазерный генератор 1 осуществляет генерацию зондирующего импульса лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн с определенной амплитудой и длительностью импульса. Использование ультрафиолетового диапазона обусловлено тем, что в этом диапазоне борная кислота обладает наибольшим поглощением оптического излучения, а коэффициент К экстинкции имеет наибольшее значение. Далее импульс лазерного излучения (ЛИ) с выхода лазерного генератора 1 поступает с помощью соответствующих полупрозрачных зеркал 21 и 22 на вход измерителя 3 лазерного излучения, на вход адаптера 7 волокна и в волоконно-оптическую линию 5, а также с помощью полупрозрачного зеркала 23 и отражательных зеркал 54, 20 и полупрозрачного зеркала 49 зондирующий импульс ЛИ поступает на вход адаптера 30 волокна и далее поступает в волоконно-оптическую линию 28. Одновременно зондирующий импульс ЛИ посредством полупрозрачных зеркал 56 и 50 поступает на оптический вход блока 31 сменных фильтров. В измерителе 3 ЛИ осуществляется измерение уровня зондирующего импульса ЛИ и формируется величина этого уровня I, информация о которой поступает с выхода измерителя 3 ЛИ в блок 15 обработки и управления. После прохождения по волоконно-оптической линии 5 с выхода адаптера 6 волокна зондирующий импульс ЛИ посредством полупрозрачного зеркала 25 поступает на оптический вход первой измерительной кюветы 4 и далее распространяется вдоль первой оптической оси, проходит через кювету 4 и далее проходит через оптическую линию 37 задержки и далее распространяется до уголкового отражателя 17. После отражения от последнего зондирующий импульс ЛИ распространяется обратно вдоль оптической оси и, пройдя через измерительную кювету 4, доходит до уголкового отражателя 16. Далее осуществляется многократное прохождение зондирующего импульса ЛИ вдоль первой оптической оси между уголковыми отражателями 16 и 17 в прямом и обратном направлениях до момента полного ослабления данного импульса ЛИ. Уголковые отражатели 16 и 17 образуют оптический резонатор. Поэтому запущенный в этот резонатор зондирующий импульс ЛИ будет многократно проходить через измерительную кювету до полного ослабления и затухания этого импульса. При этом осуществляется многократное прохождение зондирующего импульса через первую измерительную кювету и, соответственно, увеличение длины прошедшего пути импульса через исследуемое вещество теплоносителя, что обеспечивает повышение чувствительности модифицированного абсорбционно-спектрального метода измерения концентрации борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора.

На каждом цикле прохождения импульса ЛИ через измерительную кювету 4 с помощью полупрозрачного зеркала 25 осуществляется ответвление части прошедшего через кювету импульса ЛИ обратно на вход адаптера 6 волокна и в волоконно-оптическую линию 5. Далее ответвленный обратный импульс ЛИ после прохождения волоконно-оптической линии 5, адаптера 7 волокна, а также посредством полупрозрачного зеркала 24 и отражательного зеркала 55 поступает на оптический вход первого управляемого спектрального фильтра 10. С оптического выхода последнего импульс обратного зондирующего ЛИ поступает на оптический вход первого фотоприемного блока 8, в котором осуществляется прием и регистрация, а также оцифровка данного импульса ЛИ. При этом выносное зеркало 11 находится в выведенном состоянии, как это и показано на фиг. 1 в позиции 11. Информация об амплитуде импульса I зондирующего ЛИ поступает в цифровой форме с выхода фотоприемного блока 8 в блок 15 обработки и управления. По очереди поступления в блок 15 в последнем каждому поступающему импульсу присваивается свой порядковый номер N.

Таким образом, в блоке 15 обработки и управления образуется серия величин импульсов I(N) зондирующего ЛИ, многократно прошедших через измерительную кювету 4 с порядковыми номерами от одного до N. Для каждого из этих импульсов по формуле (2) в блоке 15 вычисляется величина концентрации С₁ борной кислоты в составе теплоносителя в первом контуре теплоносителя ядерного реактора.

Аналогичным образом осуществляется измерение концентрации борной кислоты в теплоносителе во втором контуре теплоносителя с помощью измерительной кюветы 27. Как было отмечено выше, зондирующий импульс ЛИ с выхода лазерного генератора 1 поступает на вход адаптера 30 волокна и во вторую волоконно-оптическую линию 28. Далее импульс ЛИ проходит через волоконно-оптическую линию 28 и с выхода адаптера 29 волокна посредством полупрозрачного зеркала 26 поступает на оптический вход второй измерительной кюветы 27. После этого аналогично рассмотренному выше случаю импульс ЛИ осуществляет многократное распространение по второй оптической оси между третьим 18 и четвертым 19 уголковыми отражателями. При этом реализуется многократное прохождение зондирующего импульса ЛИ через вторую измерительную кювету 27. На каждом цикле прохождения импульса ЛИ через вторую измерительную кювету осуществляется ответвление обратного импульса ЛИ с помощью полупрозрачного зеркала 26. Импульс обратного ЛИ в обратном ходе проходит по волоконно-оптической линии 28 и через полупрозрачное зеркало 49 поступает на оптический вход второго управляемого спектрального фильтра 33, а с выхода последнего импульс ЛИ поступает на оптический вход второго фотоприемного блока 9. Последний осуществляет прием, регистрацию и оцифровку каждого поступившего на его вход импульса лазерного излучения. Второе выносное зеркало 13 находится в выведенном состоянии в позиции 13. В результате в блоке 15 обработки и управления образуется вторая серия оценок величин амплитуд импульсов I₂(N), прошедших через вторую измерительную кювету 27. Для каждого из этих импульсов по формуле (2) в блоке 15 обработки и управления вычисляется величина концентрации С₂ борной кислоты во втором контуре теплоносителя ядерного реактора.

На основании полученных оценок концентрации С₁ и С₂ борной кислоты в блоке 15 обработки и управления осуществляется вычисление и оценка уровня протечки теплоносителя из первого контура во второй контур ядерного реактора. Для оценки концентрации С используется величина обратного импульса I(N), прошедшего некоторое фиксированное количество циклов N через вторую измерительную кювету 27. При этом, чем большее количество циклов N прохождения импульса ЛИ через измерительную кювету используется для измерения и оценки концентрации борной кислоты, тем обеспечивается более высокая точность измерения, а также реализуется измерение меньших значений концентрации борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора. В первом контуре теплоносителя для измерения начальных значений концентрации С порядка десятков мг/л достаточно использовать один цикл прохождения зондирующего ЛИ через первую измерительную кювету 4. Во втором контуре теплоносителя для обнаружения и измерения предельно малых концентраций борной кислоты потребуется использование нескольких десятков циклов прохождения импульсов зондирующего ЛИ через вторую измерительную кювету 27.

На основании полученных оценок величин концентраций С₁ и С₂ борной кислоты в первом и втором контурах теплоносителя ядерного реактора в блоке 15 осуществляется вычисление и оценка протечки теплоносителя из первого контура во второй контур, исходя из следующих соображений. При наличии протечки из первого во второй контур в последнем дополнительно к объему V₂ теплоносителя, циркулирующего в этом втором контуре, добавляется некоторый объем V₁ теплоносителя из первого контура, где V₁ - искомая величина протечки вещества теплоносителя из первого контура во второй контур. При этом во второй контур вместе с теплоносителем из первого контура попадает некоторое количество борной кислоты, равное величине Р=V₁C₁. Тогда образующаяся концентрация С₂ борной кислоты во втором контуре теплоносителя будет равна:

Полученное соотношение является уравнением для нахождения неизвестной величины объема V₁ протечки из первого контура во второй контур на основании измеренных величин концентрации борной кислоты в первом и во втором контуре теплоносителя и по известной технической величине объема V₂ теплоносителя, циркулирующего во втором контуре теплоносителя. Отсюда получаем следующую формулу для оценки уровня протечки теплоносителя из первого во второй контур теплоносителя:

На основании формулы (4) в блоке 15 обработки и управления осуществляется вычисление величины объема V₁ протечки из первого во второй контур теплоносителя по измеренным значениям концентраций С₁ и С₂ борной кислоты в первом и во втором контурах теплоносителя соответственно. На основании полученной оценки уровня протечки объема V₁ теплоносителя и сравнения этой оценки с некоторым заданным уровнем V₀₁ допустимой пороговой протечки в блоке 15 принимается решение о начале аварийной ситуации. Такое решение в блоке 15 принимается, например, при выполнении следующего условия:

V₁>V₀₁,

т.е. при превышении измеренным уровнем протечки некоторого заданного технологического порогового уровня V₀₁ протечки, допустимой при нормальной эксплуатации ядерного реактора. Для обнаружения данного порогового уровня V₀₁ протечки лазерная измерительная система должна обеспечивать измерение минимальной концентрации С₀₂ борной кислоты во втором контуре теплоносителя, равной согласно уравнению (4) величине:

Отсюда получаем следующее условие вынесения решения об обнаружении протечки теплоносителя из первого контура во второй контур теплоносителя ядерного реактора при осуществлении непрерывного мониторинга теплоносителя и измерения концентрации борной кислоты одновременно в первом и втором контурах теплоносителя:

Таким образом, при достижении измеряемой величиной концентрации С₂ борной кислоты во втором контуре теплоносителя порогового уровня С₀₂ в блоке 15 обработки и управления принимается решение об обнаружении недопустимого уровня протечки и начале аварийной ситуации и подается соответствующий сигнал в центральный пульт управления ядерным реактором. На этом стандартный режим обнаружения протечки теплоносителя завершается, а лазерная измерительная система продолжает непрерывный мониторинг параметров теплоносителя и измерение концентрации борной кислоты в первом и втором контурах теплоносителя ядерного реактора.

Для повышения точности измерения уровня протечки и эффективности обнаружения аварийной ситуации в предлагаемой лазерной измерительной системе осуществляется измерение концентрации борной кислоты на нескольких длинах волн в ультрафиолетовом диапазоне. Для осуществления этого используется второй лазерный генератор 2 с перестройкой длины волны генерируемого лазерного излучения. После осуществления измерения концентраций борной кислоты на второй длине волны, лежащей также в ультрафиолетовом диапазоне, одновременно в первой и во второй измерительных кюветах, в блоке 15 осуществляется сравнение полученных оценок величин протечки, измеренных на двух длинах волн, и вычисляется средняя величина оценки уровня протечки, информация о которой поступает в центральный пульт управления ядерным реактором.

Для повышения точности измерений и достоверности обнаружения протечки в контуре теплоносителя, в предлагаемой лазерной системе осуществляется непрерывный функциональный контроль режимов работы лазерной измерительной системы, калибровка фотоприемных блоков и контроль параметров оптического тракта прохождения зондирующего лазерного излучения через первую и вторую измерительные кюветы. Для выполнения этих вспомогательных контрольных функций в лазерной измерительной системе предусмотрен дополнительный оптический канал, содержащий установленные на третьей оптической оси элементы 35, 50, 31, 45 и 36. Данные элементы образуют оптический резонатор, аналогичный оптическим резонаторам, образованным уголковыми отражателями 16, 17 и, соответственно, 18, 19. Основным элементом здесь является блок 31 сменных фильтров, имитирующий оптическое поглощение лазерного излучения, аналогичное поглощению ЛИ в первой 4 или во второй 27 измерительных кюветах. Блок 31 сменных фильтров содержит набор оптических фильтров, обеспечивающих поглощение оптического излучения в используемых диапазонах оптического излучения на заданных фиксированных длинах волн, соответствующих длинам волн, генерируемых первым и вторым лазерными генераторами. Необходимый оптический фильтр в блоке 31 устанавливается в оптическом тракте по управляющим командам (сигналам) от блока 15 обработки и управления. При этом оптические фильтры в блоке 31 имеют точно известное заданное поглощение ЛИ на соответствующих длинах волн. Поглощение отдельных оптических фильтров в блоке 31 соответствует расчетным значениям стандартного поглощения ЛИ, соответствующего поглощению ЛИ в первой или второй измерительных кюветах при некоторой заданной концентрации борной кислоты в теплоносителе ядерного реактора.

При некотором фиксированном установленном в блоке 31 оптическом фильтре (эталонном фильтре) с выхода лазерного генератора 1 на вход блока 31 сменных фильтров поступает импульс зондирующего лазерного излучения, аналогичный по своим параметрам зондирующему импульсу, поступающему в этот же момент времени на входы первой и второй измерительных кювет. Этот импульс поступает с выхода лазерного генератора 1 посредством полупрозрачных зеркал 21 и 23, отражательных зеркал 54 и 20, полупрозрачных зеркал 56 и 50. В результате импульс зондирующего ЛИ вводится в оптический резонатор, образованный уголковыми отражателями 35 и 36. Далее импульс ЛИ многократно распространяется в указанном резонаторе между уголковыми отражателями и многократно проходит через поглощающий оптический фильтр в блоке 31 сменных фильтров. Этим осуществляется моделирование процесса поглощения зондирующего ЛИ в измерительных кюветах, но с точно известным поглощением лазерного излучения в соответствующем оптическом фильтре блока 31 сменных фильтров. На каждом цикле прохождения ЛИ через блок 31 сменных фильтров осуществляется ответвление части импульса ЛИ и направление его на оптический вход третьего управляемого спектрального фильтра 34 посредством полупрозрачного зеркала 50 через полупрозрачные зеркала 56, 51 и 52. Далее импульс ЛИ проходит через блок 34, регистрируется в третьем фотоприемном блоке 32 и в цифровой форме поступает в блок 15 обработки и управления. В последнем образуется серия величин импульсов ЛИ I(N), прошедших N циклов прохождения через оптический фильтр в блоке 31, аналогичных серии импульсов ЛИ при прохождении через первую или вторую измерительные кюветы.

В блоке 15 осуществляется сравнение параметров серий импульсов, прошедших через измерительные кюветы, и серии импульсов ЛИ, прошедших N циклов через оптический фильтр с точно известным поглощением ЛИ в оптическом фильтре блока 31 сменных фильтров. На основании данного сравнения осуществляется корректировка полученных результатов измерений величин концентрации борной кислоты в первой или, соответственно, второй измерительных кюветах. Для более точного определения величины концентрации борной кислоты, например, во второй измерительной кювете 27, в блоке 31 сменных фильтров по команде от блока 15 устанавливается оптический фильтр, поглощение в котором соответствует измеренной величине концентрации борной кислоты по формуле (3), вычисленной при предыдущем измерении данной концентрации на основании обработки результатов измерений серии импульсов I(N), прошедших через вторую измерительную кювету 27. Далее осуществляется сравнение непосредственно амплитуд серий импульсов I(N), полученных при прохождении зондирующего ЛИ через блок 31 сменных фильтров с установленным в нем оптическим фильтром с точно известным поглощением ЛИ и серии импульсов I(N), полученных при прохождении зондирующего излучения через вторую измерительную кювету 27. Таким образом, происходит сравнение непосредственно амплитуд импульсов, а не величин расчетных значений концентраций С борной кислоты. Такое сравнение осуществляется многократно при фиксированном установленном оптическом фильтре в блоке 31, но при протекании теплоносителя через вторую измерительную кювету. На основании сравнения осуществляется усреднение полученных многократно результатов измерений и реализуется более точная оценка концентрации борной кислоты во втором контуре теплоносителя ядерного реактора.

Калибровка фотоприемных блоков осуществляется следующим образом. В блоке 31 сменных фильтров устанавливается некоторый оптический фильтр с точно известным поглощением на заданной длине волны ЛИ, генерируемой одним из лазерных генераторов. Оптическое поглощение такого фильтра соответствует некоторой величине концентрации борной кислоты, измеренной на соответствующей длине волны лазерного излучения. С выхода блока 31 сменных фильтров образующаяся серия импульсов обратного лазерного излучения направляется на оптический вход третьего управляемого спектрального фильтра 34 и, соответственно, на оптический вход третьего фотоприемного блока 32. Одновременно эта же серия импульсов ЛИ с выхода блока 31 сменных фильтров направляется на оптические входы первого и второго управляемых спектральных фильтров 10, 33 и фотоприемных блоков 8 и 9. При этом выносные зеркала 11 и 13 переводятся во введенное состояние, обозначенное позициями, соответственно, 58 и 57. Введение указанных зеркал осуществляется посредством их блоков 12 и 14 управления по командам от блока 15 обработки и управления. Сформированные серии импульсов ЛИ являются эталонными для фотоприемных блоков 8 и 9. В блоке 15 обработки и управления осуществляется сравнение величин серий импульсов ЛИ, зарегистрированных фотоприемными блоками 8, 9 и фотоприемным блоком 32. На основании данного сравнения осуществляется взаимная калибровка фотоприемных блоков в лазерной измерительной системе. Такая калибровка может осуществляться одновременно для двух фотоприемных блоков, или по отдельности для каждого из фотоприемных блоков. При этом второй фотоприемный блок продолжает осуществление непрерывного измерения концентрации борной кислоты в соответствующей измерительной кювете.

Контроль параметров прохождения лазерного излучения через оптические тракты первой и второй измерительных кювет осуществляется на длине волны видимого диапазона, при котором борная кислота практически не поглощает ЛИ. При этом ЛИ видимого диапазона длин волн генерируется вторым лазерным генератором 2 при соответствующей перестройке его режимов работы по сигналам управления от блока 15. В блоке 31 сменных фильтров устанавливается оптический фильтр, имеющий соответствующее поглощение, равное стандартному поглощению оптических трактов на данной длине волны. Далее в блоке 15 обработки и управления осуществляется сравнение трех серий импульсов, полученных с выходов фотоприемных блоков 8, 9 и 32, причем серия импульсов от третьего фотоприемного блока 32 является эталонной. На основании этого сравнения осуществляется проверка пропускания оптических трактов и вносятся необходимые корректировки в дальнейших циклах измерений концентраций борной кислоты в первой и второй измерительных кюветах. Выносные зеркала 11 и 13 находятся в выведенном состоянии.

По материалам данной заявки проведены экспериментальные исследования и моделирование работы лазерной измерительной системы [6, 7]. На фиг. 6 и фиг. 7 представлены серии импульсов зондирующего ЛИ, прошедших N циклов распространения через измерительную кювету при концентрации С борной кислоты, соответственно, С=0,2 мг/л на фиг. 6 и С=0,05 мг/л на фиг. 7. При этом на представленных осциллограммах показано отношение амплитуд импульсов I(N), прошедших через измерительную кювету с концентрацией С борной кислоты, к амплитудам I₀(N) импульсов при нулевой концентрации С=0 борной кислоты: I(N)/I₀(N). Серию эталонных импульсов I₀(N) можно получить с помощью блока 31 сменных фильтров, в котором устанавливается оптический фильтр с поглощением зондирующего ЛИ на длине волны лазерного генератора 1 или 2, соответствующим поглощению ЛИ в оптическом тракте первой или второй измерительных кювет при нулевой концентрации борной кислоты. Представленные результаты показывают постепенное увеличение чувствительности лазерной измерительной системы при увеличении числа проходов N зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету, заполненную веществом теплоносителя, что позволяет осуществить измерение малых концентраций борной кислоты во второй измерительной кювете и обеспечить обнаружение и измерение протечек теплоносителя на ранней стадии развития аварийной ситуации.

Предлагаемая лазерная измерительная система обеспечивает в стандартном режиме работы измерение минимального уровня концентрации борной кислоты порядка С=0,05 миллиграмма на литр теплоносителя. Это позволяет оценить минимальный пороговый уровень V₀₁ протечки теплоносителя из первого во второй контур ядерного реактора, обнаружимый по представленной методике на основе измерения уровня концентрации борной кислоты во втором контуре теплоносителя ядерного реактора по приведенной выше формуле (3). Оценка величины протечки V₀₁ получена при следующих параметрах концентраций С₁ борной кислоты в первом контуре теплоносителя и объема V₂ теплоносителя во втором контуре для стандартных параметров ядерного реактора типа ВВЭР: С₁=7 г/л в начале кампании ядерного реактора после загрузки ТВЭЛ; V₂=8,6×10⁴ л; С₂=0,05 мг/л - точность измерения и минимальный уровень измеряемой концентрации борной кислоты во втором контуре с помощью второй измерительной кюветы. Отсюда по указанной формуле получаем величину объема V₀₁=614 мл минимально обнаружимой протечки. В конце кампании ядерного реактора, когда уровень концентрации борной кислоты в первом контуре составляет величину порядка C₁=0,1 г/л теплоносителя, получаем следующую оценку минимально обнаружимой протечки теплоносителя V₀₁=43 л. Следует отметить, что указанные уровни протечки теплоносителя обнаруживаются при общем объеме теплоносителя во втором контуре, равном V₂=86 тысяч литров. Таким образом, предлагаемая лазерная измерительная система обеспечивает обнаружение протечки теплоносителя менее 50 литров в течение всего периода работы загрузки ядерного топлива в ядерном реакторе от начала до конца сессии. Как показано в работе авторов [7] предельная минимальная измеряемая величина концентрации борной кислоты С составляет 0,01 мг/л. При таком уровне точности измерения концентрации борной кислоты во втором контуре теплоносителя величины обнаружимой протечки для начала и конца сессии работы ядерного реактора составляют, соответственно, V₀₁=123 миллилитра для С₁=7 г/л и V₀₁=8,6 литра для C₁=0,1 г/л. В этом случае обеспечивается обнаружение протечки менее десяти литров объема теплоносителя в течение всей сессии работы ядерного реактора.

Следует отметить возможность реализации в предлагаемой лазерной системе различных алгоритмов обнаружения и измерения протечки теплоносителя, а также обнаружения урана в составе теплоносителя при возникновении аварийной ситуации. Для повышения чувствительности и эффективности обнаружения протечки теплоносителя возможен вариант работы лазерной измерительной системы, при котором в состав теплоносителя в первом контуре добавляются специальные вещества, обладающие высоким уровнем поглощения оптического излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазоне, значительно превосходящем поглощение борной кислоты. Так, например, молярный коэффициент поглощения (экстинкции) соединений хрома в 3300 раз больше коэффициента экстинкции борной кислоты на соответствующей длине волны оптического излучения. Поэтому при добавлении в состав теплоносителя в первом контуре ядерного реактора малых количеств некоторых химических соединений хрома, например, хромата или дихромата калия, перманганата калия, можно обеспечить увеличение чувствительности лазерной измерительной системы на несколько порядков и реализовать обнаружение минимального объема протечки теплоносителя порядка единиц миллилитров в течение всей кампании ядерного реактора от одной загрузки тепловыделяющих элементов. При этом измерение уровня протечки осуществляется путем просвечивания второй измерительной кюветы зондирующим лазерным излучением на длине волны, соответствующей максимальному коэффициенту экстинкции используемого соединения хрома, введенного в состав теплоносителя в первом контуре ядерного реактора.

В предлагаемой лазерной измерительной системе использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Измерительные кюветы выполняются в форме стандартных конструкторских разработок с использованием иллюминаторов, прозрачных в широком диапазоне от короткой части УФ диапазона до ИК-диапазона длин волн. Лазерные генераторы и фотоприемники УФ диапазона выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Оптические приборы и элементы, входящие в состав предлагаемой измерительной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические отражательные и полупрозрачные зеркала, выносные зеркала с приводом на основе шаговых электродвигателей, волоконно-оптические линии с входящими в их состав адаптерами волокна на диапазон от 200 нм до ИК диапазона, управляемые спектральные фильтры, выполненные на основе акустооптических ячеек, работающие в широком диапазоне длин волн от видимого до ультрафиолетового диапазона [10-12]. Управляемые спектральные фильтры обеспечивают спектральную узкополосную фильтрацию зондирующего ЛИ перед его поступлением на входы фотоприемных блоков. Длина волны спектральной фильтрации задается сигналом управления от блока 15 и соответствует длине волны лазерного излучения, генерируемого в этот момент времени соответствующим лазерным генератором. Управляемые спектральные фильтры выполняют также функцию необходимого ослабления поступающего лазерного излучения, а также обеспечивают защиту фотоприемных блоков от высокого уровня интенсивности лазерного излучения в первый момент генерации импульса излучения лазерным генератором. Фотоприемные блоки 8, 9 и 32 выполнены на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя, работающего в диапазоне 200-800 нм. В состав фотоприемных блоков входят электрические усилители импульсных сигналов, блоки оцифровки и сопряжения со входом ЭВМ.

Блок 15 обработки и управления выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 15 выполняет функции обработки поступающей с выходов фотоприемных блоков информации, на основе которой осуществляется расчет и определение концентрации борной кислоты в контурах теплоносителя ядерного реактора. Одновременно блок 15 осуществляет управление работой всех элементов и устройств лазерной системы измерений по соответствующей программе. Блок 15 содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами лазерной измерительной системы. Блок 31 сменных фильтров выполнен на основе диска 72 (фиг. 3), в котором закреплены оптические фильтры 73 с точно известным поглощением оптического излучения на заданных длинах волн. Установка выбранного соответствующего оптического фильтра в оптическую схему осуществляется с помощью шагового двигателя 74 с цифровым управлением, подключенного к блоку 15 обработки и управления. В качестве блока 31 сменных фильтров возможно использование управляемого спектрального фильтра, аналогичного фильтрам 10, 33 и 34, выполненного на основе акустооптической ячейки. Данный управляемый спектральный фильтр по командам от блока 15 обработки и управления осуществляет установление заданного ослабления (поглощения) лазерного излучения на заданной фиксированной длине волны.

Оптические линии 37, 41, 45 задержки выполнены на основе волоконно-оптических линий и обеспечивают необходимую задержку зондирующего импульса лазерного излучения за счет увеличения пути распространения импульса ЛИ в волоконно-оптической линии соответствующей длины. Введение данной временной задержки импульсов лазерного излучения необходимо для разделения этих импульсов по времени при их регистрации в фотоприемных блоках 8, 9 и 32. Волоконно-оптические линии 5 и 28 позволяют расположить основную измерительную аппаратуру лазерной измерительной системы на расстоянии порядка 1000 метров от ядерного реактора в безопасном помещении.

В представленном изобретении следует отметить два фактора новизны. Во-первых, следует отметить в качестве новизны изобретения реализацию непрерывного контроля состава теплоносителя одновременно в первом и во втором контурах теплоносителя ядерного реактора. Это позволяет обеспечить мониторинг параметров теплоносителя в обоих контурах ядерного реактора, обеспечить непрерывный контроль концентраций борной кислоты и других примесей, образующихся при длительной работе ядерного реактора. Применение для измерений параметров теплоносителя метода многократного прохождения зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету позволяет увеличить чувствительность и точность измерений параметров теплоносителя.

Во-вторых, следует отметить в качестве новизны изобретения реализацию измерения уровня протечки теплоносителя из первого контура во второй контур теплоносителя на основе сравнения концентраций борной кислоты в указанных контурах. При этом вследствие высокой чувствительности и точности измерений обеспечивается возможность обнаружения и измерения весьма малых объемов протечки, составляющих не более десяти литров, при общем объеме второго контура теплоносителя порядка 86000 литров. Это обеспечивает обнаружение протечек на ранней стадии развития аварийной ситуации и существенно повышает безопасность работы ядерного реактора. Использование дополнительных химических веществ, вводимых в малой дозе в первый контур теплоносителя, позволяет обеспечить обнаружение протечки в объеме нескольких миллилитров. Реализация такого уровня чувствительности лазерной измерительной системы позволяет обеспечить мониторинг параметров теплоносителя на самых ранних стадиях начала и развития протечки теплоносителя из первого во второй контур и своевременно предотвратить возможность наступления аварийной ситуации высокого уровня.

Предлагаемая лазерная измерительная система позволяет с высокой точностью определять присутствие в теплоносителе ядерного реактора химического элемента - урана, попадающего в теплоноситель при возникновении разгерметизации и других технологических дефектах ТВЭЛ. Обнаружение урана может быть реализовано при использовании лазерных генераторов соответствующей длины волны генерируемого лазерного излучения. Высокая чувствительность предлагаемой лазерной измерительной системы позволяет на основе измерения весьма малой концентрации урана в составе теплоносителя осуществлять обнаружение протечек теплоносителя и реализовать обнаружение предаварийного состояния тепловыделяющих сборок.

Следует отметить, что предлагаемая лазерная система, реализующая метод обнаружения и измерения уровня протечки непосредственно в контуре теплоносителя ядерного реактора, не имеет аналогов в современной специальной измерительной технике ядерных реакторов и реализуется впервые.

Использование предлагаемой лазерной измерительной системы в составе ядерного энергетического реактора позволяет реализовать следующие преимущества и обеспечить решение следующих проблем в области эксплуатации современных ядерных реакторов:

1) Обеспечение возможности проведения контроля состава теплоносителя непосредственно в первом и втором контурах ядерного реактора при действующих параметрах водной среды. При этом возможно определение концентрации не только борной кислоты, но и других возможных примесей, например, примесей урана, образующихся при длительной работе ядерного реактора и воздействия радиации. Для обнаружения указанных примесей возможно использование всего спектра лазерного излучения от короткого ультрафиолета до инфракрасного излучения, способного распространяться в водной среде.

2) В необслуживаемых и полуобслуживаемых помещениях первого контура (зона строгого режима) устанавливаются только измерительные кюветы. Вспомогательное оборудование лазерной измерительной системы и устройства отображения информации могут быть вынесены в любое помещение АЭС на расстояние порядка 1000 метров от ядерного реактора за счет использования волоконно-оптической линии связи. Такая структура при высоком ресурсе работы измерительных кювет позволит снизить дозовые нагрузки обслуживающего персонала АЭС.

3) Применение предлагаемой лазерной измерительной системы позволяет своевременно организовать работы по предотвращению аварийной ситуации высокого уровня.

Предлагаемая лазерная измерительная система вследствие высокой точности измерений, широкого диапазона измерений концентраций исследуемых веществ и высокой оперативности выполнения измерений найдет применение в различных областях производства, химической, нефтеперерабатывающей промышленности и системах мониторинга окружающей среды и экологического контроля.

Источники информации

1. Патент РФ №2543942 (опубл. 10.03.2015). Система обнаружения протечек с использованием измерительного кабеля.

2. Патент РФ №2417357 (опубл. 27.04.2011). Устройство для контроля герметичности.

3. Патент РФ №2589726 (опубл. 10.07.2016). Система мониторинга протечек бассейна выдержки атомной электростанции.

4. Патент РФ №2575948 (опубл. 27.02.2016). Устройство обнаружения протечки и покрытие элемента транспортировки текучей среды.

5. Патент РФ на полезную модель №111709 (опубл. 20.12.2011). Система определения течи теплоносителя.

6. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный фотометрический метод измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе контура охлаждения энергетического ядерного реактора. Атомная энергия, 2016, Т. 121, вып. 5, стр. 265-269.

7. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный метод контроля характеристик теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Препринт ФИАН №12. М. 2015. 34 с.

8. Патент РФ №2594364 (опубл. 20.08.2016). Система измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора.

9. Патент РФ №2606369 (опубл. 10.01.2017). Система измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя энергетического ядерного реактора. (ближайший аналог).

10. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М. Радио и связь. 1985, стр. 134-234.

11. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985, Т. 12, №4.

12. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970.

13. Патент РФ №2248555 (опубл. 20.03.2005). Способ определения характеристик лазерной среды и устройство для его осуществления.

1. Лазерная система для обнаружения протечки в контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора, содержащая первый и второй лазерные генераторы, измеритель лазерного излучения, первую измерительную кювету, подсоединенную к первому контуру теплоносителя ядерного энергетического реактора, два фотоприемных блока, первый управляемый спектральный фильтр, первую волоконно-оптическую линию с адаптерами волокна, два выносных зеркала с блоками управления, блок обработки и управления, а также четыре уголковых отражателя, четыре отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, при этом первая измерительная кювета установлена на первой оптической оси между первым и вторым уголковыми отражателями, оптический вход первой измерительной кюветы посредством первой волоконно-оптической линии, первого полупрозрачного зеркала и второго отражательного зеркала оптически связан с выходами лазерных генераторов и с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра посредством четвертого полупрозрачного зеркала и четвертого отражательного зеркала, оптический выход первого управляемого спектрального фильтра связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, выходы первого и второго фотоприемных блоков подключены к блоку обработки и управления, оптический вход измерителя лазерного излучения оптически связан с выходами первого и второго лазерных генераторов посредством первого и второго полупрозрачных зеркал и второго отражательного зеркала, управляющие входы лазерных генераторов, измерителя лазерного излучения, первого управляемого спектрального фильтра и блоков управления выносными зеркалами подключены к блоку обработки и управления, отличающаяся тем, что введены вторая измерительная кювета, подключенная ко второму контуру теплоносителя ядерного энергетического реактора, вторая волоконно-оптическая линия, снабженная адаптерами волокна, три оптических линии задержки, третий фотоприемный блок, второй и третий управляемые спектральные фильтры, блок сменных фильтров, два уголковых отражателя и пять полупрозрачных зеркал, при этом первая оптическая линия задержки установлена на первой оптической оси между оптическим выходом первой измерительной кюветы и вторым уголковым отражателем, на второй оптической оси последовательно установлены оптически связанные третий уголковый отражатель, шестое полупрозрачное зеркало, вторая измерительная кювета, вторая оптическая линия задержки и четвертый уголковый отражатель, на третьей оптической оси последовательно установлены пятый уголковый отражатель, восьмое полупрозрачное зеркало, блок сменных фильтров, третья оптическая линия задержки и шестой уголковый отражатель, оптический вход блока сменных фильтров оптически связан посредством восьмого полупрозрачного зеркала с оптическим входом третьего управляемого спектрального фильтра, а также дополнительно связан с выходами лазерных генераторов посредством восьмого и одиннадцатого полупрозрачных зеркал, первого и третьего отражательных зеркал, третьего и первого полупрозрачных зеркал и второго отражательного зеркала, оптический вход второй измерительной кюветы оптически связан с оптическим входом второго управляемого спектрального фильтра посредством шестого полупрозрачного зеркала и второй волоконно-оптической линии, оптический вход которой дополнительно связан с выходами лазерных генераторов посредством седьмого полупрозрачного зеркала, первого и третьего отражательных зеркал, третьего и первого полупрозрачных зеркал и второго отражательного зеркала, оптические выходы второго и третьего управляемых спектральных фильтров оптически связаны с оптическими входами соответственно второго и третьего фотоприемных блоков, оптический вход блока сменных фильтров оптически связан с оптическим входом первого управляемого спектрального фильтра посредством восьмого и десятого полупрозрачных зеркал и первого выносного зеркала во введенном состоянии, а также дополнительно связан с оптическим входом второго управляемого спектрального фильтра посредством восьмого и девятого полупрозрачных зеркал и второго выносного зеркала во введенном состоянии, управляющие входы второго и третьего управляемых спектральных фильтров подключены к блоку обработки и управления, выход третьего фотоприемного блока и управляющий вход блока сменных фильтров подключены к блоку обработки и управления.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что оптические линии задержки выполнены на основе оптически последовательно связанных входного адаптера волокна, волоконно-оптической линии и выходного адаптера волокна.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок сменных фильтров выполнен на основе дискового держателя оптических фильтров и шагового электродвигателя, управляющий вход которого подключен к блоку обработки и управления.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из управляемых спектральных фильтров выполнен на основе акустооптической ячейки, предназначенной для возбуждения акустических волн, взаимодействующих с проходящим через ячейку лазерным излучением.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что первый лазерный генератор выполнен для генерации лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.