CC BY
18DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-20-21
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ОДНОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ МИРОВЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ ПРИ РЕАКТОРНОМ ОБЛУЧЕНИИ
'Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН,
г. Москва
2Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь
3 НЦВО-Фотоника, г. Москва 4Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород 5Институт атомной энергии, г. Курчатов, Казахстан 6Институт ядерной физики, г. Алма-Ата, Казахстан E-mail: kpf@fo.gpi.ru
Применение волоконных световодов и оптоволоконных датчиков является активно растущим направлением в развитии систем диагностики ядерных и термоядерных реакторов. Однако использование световодов в интенсивных гамма-нейтронных полях приводит к возникновению в них радиационно-наведенного поглощения (РНП) света. Основной причиной РНП является оптическое поглощение радиационных центров окраски (РЦО), которые индуцируются в сетке стекла волоконного световода при воздействии ионизирующего излучения. Таким образом, для реакторных применений необходимы специальные радиационно-стойкие световоды, в которых РНП минимизировано.
На основе таких световодов и записанных в них волоконных брэгговских решеток (ВБР), уже сейчас разработаны и применяются системы для внутриканальных измерений искривления тепловыделяющих сборок (ТВС) [1]. Волоконные световоды на протяжении десятилетий успешно использовались в исследовательских термоядерных установках [2], а в международном термоядерном реакторе (ИТЭР) оптическими и лазерными системами планируется измерять больше половины параметров плазмы [3]. Стоит отметить, что в большинстве применений в термоядерных установках в системах диагностики плазмы необходимы многомодовые световоды, работающие в видимом диапазоне, однако кроме них, в ИТЭР также планируется использование одномодовых световодов в качестве транспортных для передачи оптического сигнала на длине волны ^=1.55 мкм от ВБР-датчиков температуры, деформации расположенных на диверторе и бланкете для диагностики их состояния [4].
Несмотря на возрастающий интерес в использовании одномодовых волоконных световодов внутри реакторов в качестве транспортных, достоверные сведения об уровне РНП на длине волны 1.55 мкм при высоких флюенсах нейтронов (Ф>1018 н/см2) до начала данной работы отсутствовали. Также до сих пор остается неизвестной физическая природа длинноволнового РНП, которое ограничивает радиационную стойкость световодов в ближнем ИК-диапазоне при использовании их в интенсивных реакторных полях.
Таким образом, целью данной работы было исследование РНП в ближнем ИК-диапазоне в радиационно-стойких световодов различных мировых производителей до гигантских нейтронных флюенсов (~1020 н/см2), соответствующих внутриреакторным применениям в ядерных и термоядерных установках, а также достоверное определение уровня РНП на длине волны 1.55 мкм, на которой работает большинство современных датчиков.
Для исследования РНП в условиях реакторного облучения были отобраны специальные радиационно-стойкие одномодовые на длине волны 1.55 мкм световоды ПНППК, НЦВО РАН (световоды #3-5) и других ведущих мировых производителей (световоды #1, #2, #6) в термостойких защитных покрытиях из полиимида, алюминия и меди. Облучение световодов происходило на реакторах ИВГ.1М (г. Курчатов) и ВВР-К (г. Алма-Ата) в Казахстане. На реакторе ИВГ.1М исследовалась зависимость РНП от температуры при облучении и от мощности дозы (рис. 1а), а на ВВР-К - зависимость от флюенса и поглощенной дозы при фиксированной температуре (рис.1б). Облучение на обоих установках проводилось в вакууме для более полной имитации работы световодов в ИТЭР. В процессе облучения регистрировалось РНП на фиксированной длине волны 1.55 мкм, а также спектры РНП в диапазоне 1000-1700 нм.
20 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
мощность реактора -флюенс быстрых нейтронов (>0.1 МэВ)
-обший Алюенс
Рис.1. Зависимость мощности реактора и флюенса нейтронов от времени в процессе облучения на реакторах а) ИВГ-1М (г. Курчатов), б) ВВР-К (г. Алма-Ата)
Исследования, проведенные на реакторе ИВГ-1М позволили установить, что на длине волны 1.55 мкм РНП во всех исследуемых световодах находится в интервале 0.12-0.16 дБ/м (при DY=28.1 МГр, флюенсе быстрых нейтронов 4.46*1017 н/см2 и T=150-350 °С), что говорит об их возможности использования в ядерных реакторах при аналогичных условиях. Также было установлено, что при повышении температуры в процессе облучения происходит термически распад
длинноволнового РНП, ответственного за поглощение на длине волны 1.55 температуры от 200 до 350 °С приводило к снижению РНП ~30 % при дозе 2.8*
мкм. Увеличение 107 Гр и флюенсе
быстрых нейтронов 4.4* 1017 н/см2.
При более продолжительном облучении световодов на реакторе ВВР-К (флюенс быстрых нейтронов 1.8* 1020 н/см2, DY= 2.3 ГГр, T= 170-190 °С) было установлено, что совместное воздействие высокой температуры, гамма-нейтронного облучения и вакуума приводит к необратимой деградации полимерного покрытия, из-за которого происходит механическое разрушение самих световодов. Тем не менее, все исследуемые световоды показали работоспособность вплоть до флюенса 0.9*1020 н/см2, при этом РНП для полимернопокрытых световодов было интервале 4.8-6.2 дБ/м, а для металлопокрытых - 1.2-3.6 дБ/м (рис. 2). При максимальном флюенсе быстрых нейтронов 1.8*1020 н/см2 РНП для металлопокрытых световодов находилось в интервале от 2 до 4.7 дБ/м. Таким образом, было установлено, что для применений световодов в условиях ИТЭР (высокий вакуум, повышенная температура и флюенс ~1020 н/см2) металлических покрытиях.
Рис.2. РНП на длине волны 1.55 мкм в процессе облучения на реакторе ВВР-К
применимы только световоды в
Литература
1. Butov O. V. et al Proc. SPIE, 9157, (2014)
2. Maas A.C. et al. Fusion engineering and design, 47. 247-265 (1999)
3. S.M. G de Vicente. et al. Nuclear Fusion, 57 (2017)
4. K.Dulon «Optic sensors. Testing the resistance to radiation», [Online]. https://www.iter.org/newsline/
/3062
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 21
