CC BY
10DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-262-263
СОЗДАНИЕ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
1 12 2 1 Бутов О.В. , Базакуца А.П. , Федоров А.Н. , Шевцов И.А. , Никитов С.А.
'Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва
2 ООО «Пролог», г. Обнинск E-mail: obutov@mail.ru
В работе представлены новые достижения в области технологии волоконных световодов, волоконно-оптической радиационно-стойкой сенсорики. Разработана технология отечественных радиационно-стойких волоконных световодов и волоконно-оптических датчиков на их основе. Результаты научных и технологических изысканий нашли практическую реализацию в виде контрольно-измерительного комплекса ИКС-49 для измерения профиля технологических каналов энергетических ядерных реакторов РБМК-1000. Датчики комплекса способны работать в условиях активной зоны реактора. Впервые была обеспечена возможность высокоточного измерения геометрии конструкции реактора в столь жестких условиях эксплуатации. Система не имеет мировых аналогов и является полностью уникальной разработкой авторского коллектива. Внедрение системы на Ленинградской, Курской, Смоленской АЭС позволило решить важную отраслевую задачу повышения безопасности, сокращения сроков плановых предупредительных ремонтов, отработки технологии восстановления ресурсных характеристик реакторной установки типа РБМК, что обеспечило значительный экономический эффект в масштабах страны. Кроме того, задел и результаты, полученные при проведении работ, открывают широкие перспективы для их дальнейшего внедрения в атомной и нефтедобывающей отраслях, авиации и космонавтике, военной промышленности.
Ключевой особенностью конструкции нового датчика изгибных деформаций является специально разработанный цельный стержень-световод диаметром 2,1 мм из радиационно-стойкого
кварцевого стекла, который содержит 4 световедущие сердцевины. В сердцевинах записаны по 20 групп брэгговских структур, выполняющих роль датчиков деформации [1-2]. Принцип работы такого датчика подробно описан в работе [3]. Система обеспечивает измерение формы технологических каналов реактора по всей длине непосредственно в процессе работы реактора. Главным преимуществом конструкции является цельноволоконное исполнение, обеспечивающее жесткость конструкции без дополнительного согласования отдельных элементов и клеевых соединений, что, в свою очередь, обеспечивает бесперебойную работу датчика в условиях высоких температур и высокого фона ионизирующего излучения.
Предложенная конструкция пришла на смену составной версии датчика, представлявшей собой профилированный металлический стержень, а впоследствии, круглый стержень малого диаметра с прикрепленными к нему волоконными линиями с брэгговскими решетками [4]. Для повышения стойкости ионизирующего излучения использовались световоды с сердцевиной, легированной азотом. Такой состав стекла сердцевины демонстрирует повышенную стойкость к ионизирующему излучению по сравнению со стандартными германосиликатными аналогами и позволяет производить запись брэгговских решеток с помощью стандартной методики с применением лазерного излучения ультрафиолетового диапазона [5-7]. Кроме того, брэгговские решетки, записанные в световодах с азотосиликатной сердцевиной, также обладают повышенной стойкостью к
й-SL
Направляющая
Штанга датчика верхняя
Гибкое соединение
Штанга датчика нижняя
Рис. 1. Конструкция датчика
температуре и воздействию ионизирующего излучения [7-11]. В качестве высокотемпературной защитной оболочки световода использовалось металлическое покрытие на основе медного сплава. Такая конструкция датчика позволяла проводить измерения на расхоложенном реакторе при температуре до 110 0C и относительно низком радиационном фоне.
Впоследствии была разработана полностью волоконная конструкция датчика. Как и в случае составной версии датчика, сердцевины световода были сформированы из кварцевого стекла, легированного азотом. В новой версии измерительного стержня были использованы уже сердцевины из наиболее радиационно-стойкого, нелегированного кварцевого стекла. Формирование брэгговских решеток в такой сердцевине производилось методом поточечной записи с использованием второй гармоники (532 нм) иттербиевого фемтосекундного лазера с длительностью импульса порядка 320 фс [3]. Такие решетки, помимо высокой радиационной стойкости, обладают также высокой устойчивостью к воздействию температуры. Такой цельноволоконный датчик способен работать в условиях активной зоны работающего на полной мощности реактора при температурах окружающей среды до 500 0C. Кроме того, корпусированный датчик в диаметре составляет всего 5 мм, что обеспечивает возможность его установки непосредственно в центральный канал тепловыделяющей сборки, диаметром 6 мм, что позволяет проводить измерения без выгрузки топлива из канала реактора. Конструкция датчика в сборе показана на рисунке 1.
Система измерения на основе цельноволоконного датчика получила кодовый индекс ИКС-49 и после проведения испытаний была внедрена в промышленную эксплуатацию. Система обеспечивает измерение стрелы прогиба в диапазоне от 0 до 120 мм при доверительном интервале абсолютной погрешности не более ±3 мм. По результатам измерений системой ИКС-49, выполняемых в короткий срок (2-3 рабочих смены), определяется текущее состояние графитовой кладки, определяется объем и строится план требуемых операций для восстановления ресурсных характеристик графитовой кладки. Применение системы ИКС-49 значительно сократило объем выгружаемых/перегружаемых топливных сборок, тем самым сократило время ремонтной кампании и снизило дозовую нагрузку на персонал АЭС. Сокращение сроков ремонтов происходит за счет сокращения объема операций, стоящих на критическом пути графика ремонта, необходимых на выгрузку/загрузку тепловыделяющих сборок из активной зоны на 10-14 дней на каждом ремонте каждого энергоблока с реактором РБМК-1000.
В настоящее время система ИКС-49 в варианте для работы на расхоложённом реакторе используется на всех блоках АЭС с реакторами РБМК-1000. Ведется опытно-промышленная эксплуатация высокотемпературного варианта системы ИКС-49.
Литература
1. Butov O.V. et al, OFS'26, Lausanne, Switzerland, TuE103 (2018)
2. Бутов О.В. и др., Фотон-Экспресс-Наука, №6 (158), 26-27 (2019)
3. Butov O. V. et al, Sensors, 19(19), 4228 (2019)
4. Butov O. V. et al, Proc.SPIE 9157, 91570X (2014)
5. Dianov E. et al, Tomashuk, Electron. Lett., 31, 1490 (1995)
6. Волошин В.В. и др., Радиотехника и электроника, том 54, №7, с.890-894, (2009)
7. Бутов О.В. и др., Фотон-Экспресс-Наука, №6, 42-43 (2011)
8. Butov O. V. et al, Meas. Sci. and Tech., 17, 975-979 (2006)
9. Butov O. V. et al, Electron. Lett., 38 (11), 523-525 (2002)
10. Butov O. V. et al, J. Appl. Phys., 118 (7), 074502 (2015)
11. Бутов О.В. и др., Фотон-Экспресс, 6 (12), 134-135 (2015)
