Лазерная система измерения паросодержания в теплоносителе ядерного энергетического реактора
Изобретение относится к ядерной энергетике и лазерной измерительной технике и предназначено для использования в ядерных энергетических реакторах типа РБМК и ВВЭР для оперативного измерения физических характеристик теплоносителя, в частности измерения паросодержания в теплоносителе в активной зоне ядерных реакторов с водным теплоносителем. Лазерная измерительная система содержит оптические датчики, размещенные в трубопроводе теплоносителя и в активной зоне ядерного реактора, соединенные волоконно-оптическими линиями с измерительной аппаратурой, вынесенной в безопасную зону на расстояние 1000 метров от ядерного реактора. Оптическая аппаратура лазерной измерительной системы содержит лазерные генераторы, фотоприемные блоки, волоконно-оптические линии, управляемые оптические фильтры и модель-аналог ядерного реактора, которая обеспечивает непрерывное натурное моделирование оптических характеристик теплоносителя контролируемого ядерного реактора. Технический результат - увеличение точности измерения паросодержания в теплоносителе ядерного энергетического реактора в различных точках контура теплоносителя и в активной зоне ядерного реактора, увеличение надежности и достоверности получаемых результатов измерения параметров теплоносителя. 6 з.п. ф-лы, 21 ил.
Изобретение относится к атомной энергетике и измерительной лазерной технике и предназначено для оперативного измерения физических характеристик теплоносителя, в частности, измерения паросодержания в теплоносителе в активной зоне ядерных реакторов РБМК и ВВЭР. РБМК - реактор большой мощности канальный (кипящий). ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор. Лазерная система осуществляет непрерывное измерение плотности теплоносителя и уровня парообразования в толще теплоносителя в активной зоне ядерного реактора с водным теплоносителем. Это обеспечивает непрерывный контроль уровня парового коэффициента реактивности ядерного реактора с целью предотвращения возможности тепловой перегрузки ядерного реактора и теплового взрыва, аналогичного Чернобыльской аварии.
В водных реакторах типа ВВЭР и РБМК вода, являющаяся теплоносителем, одновременно выполняет функции поглотителя и замедлителя нейтронов. Поэтому физические и химические характеристики теплоносителя определяют режим работы ядерного реактора и являются важным фактором управления ядерным реактором. В реакторе РБМК вода кипит внутри реактора и частично превращается в пар, который имеет меньшую плотность и является худшим замедлителем и поглотителем нейтронов, по сравнению с водой. Поэтому уровень парообразования в теплоносителе в активной зоне ядерного реактора определяет уровень паровой реактивности реактора - так называемый паровой коэффициент реактивности, который является составной частью общей реактивности ядерного реактора. Для эффективного управления ядерным реактором и обеспечения его безопасной работы необходим постоянный контроль паровой реактивности реактора, который может быть обеспечен непрерывным измерением плотности теплоносителя и уровня паросодержания в различных отдельных точках активной зоны ядерного реактора. До настоящего времени такая задача в полной мере не решена. Обеспечивается лишь контроль параметров пара на выходе реакторной установки, что недостаточно, так как характеризует интегральный уровень парообразования в ядерном реакторе. При этом в отдельных областях активной зоны реактора уровень парообразования может превысить допустимые значения, что может привести к положительному паровому коэффициенту реактивности, возникновению положительной обратной связи в реактивности, при которой рост мощности реактора вызывает повышение парообразования и приводит к дальнейшей еще большей мощности реактора. Это приводит к быстрой тепловой перегрузке реактора и может явиться причиной теплового взрыва реактора, как это произошло в Чернобыльской аварии. В ядерных реакторах типа ВВЭР кипение воды в теплоносителе и образование пузырьков пара является недопустимым и свидетельствует об аварийном режиме работы реактора. Поэтому в реакторах ВВЭР предлагаемая система может быть использована в качестве предохранительного устройства, осуществляющего непрерывный мониторинг плотности теплоносителя и оперативно сигнализирующего о возникновении аварийного режима работы ядерного реактора. Таким образом, измерение плотности теплоносителя и уровня парообразования в толще теплоносителя в отдельных областях активной зоны ядерного реактора с высокой точностью и оперативностью является актуальной проблемой и важным фактором управления работой и обеспечения безопасности ядерного реактора.
В настоящее время существует несколько методов определения уровня парообразования при кипении жидкостей и воды. Известен способ и устройство для определения закипания жидкости по патенту РФ №2065604 от 20.08.1996 г. [1]. Способ основан на осуществлении измерения уровня шума в жидкости с использованием ультразвуковых датчиков, а момент закипания и пузырькового кипения определяют по максимальному уровню шума. К недостаткам способа и устройства следует отнести низкую точность и низкую помехозащищенность. Главным недостатком является невозможность использования данных способа и устройства для работы в ядерном реакторе. Известен способ определения пузырькового кипения по патенту РФ №2238547 от 20.10.2004 г. [2]. Способ основан на контроле физической величины, например, проводимости или диэлектрической проницаемости в жидкости, и определении момента закипания по резкому изменению переменной составляющей измеряемой величины посредством датчиков проводимости и датчиков диэлектрической проницаемости, размещаемых в жидкости. К недостаткам данного способа следует отнести невозможность точного определения уровня парообразования и, соответственно, плотности жидкости, а также невозможность использования устройств, реализующих данный способ, в активной зоне ядерного реактора. Известен способ безынерционного контроля паросодержания в теплоносителе ядерного реактора по патенту РФ №2167457 [3]. Способ основан на размещении в теплоносителе коллектора и эмиттера бетта-электронов. Эмиттер выполнен на основе Стронция-90, переходящего при радиоактивном распаде в короткоживущий радиоактивный изотоп Иттрий-90, испускающий при бетта-распаде бетта-электроны. Последние проходят через слой теплоносителя и собираются на коллекторе. Ток с коллектора поступает на предварительный преобразователь и далее на измерительное устройство. По величине тока определяется уровень паросодержания в данном участке теплоносителя. К недостаткам данного способа и реализующего устройства следует отнести низкую точность определения уровня паросодержания вследствие отсутствия информации о точной величине эмиттируемых из эмиттера бетта-электронов в условиях высокого уровня радиации в активной зоне ядерного реактора. Большую сложность также представляет определение (измерение) величины постоянного электрического тока с коллектора и передача этой информации на значительное расстояние в жестких температурных и радиационных условиях, характерных для активной зоны ядерного реактора, при которых невозможно обеспечить непрерывную работу современных электронных измерительных средств. Известны способ и канал обнаружения кипения теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР по патенту РФ №2437176 [4]. Способ включает оценку флуктуаций нейтронного потока, выделение, обработку и оценку сигналов от детекторов нейтронов по всей высоте сборки ТВС, компенсацию помеховых и паразитных сигналов, присутствующих в активной зоне ВВЭР. Канал обнаружения включает детекторы нейтронов, являющихся датчиками прямой зарядки, распределенными по всей высоте контролируемой ТВС, а также содержит располагаемые в активной зоне реактора полосовые фильтры, блоки обработки сигналов. Согласно способу осуществляют регистрацию флуктуаций нейтронного потока на фоне шумов и помех активной зоны реактора, а наличие кипения в теплоносителе определяют по превышению уровня флуктуаций выше некоторого заданного предела. К недостаткам данного способа и реализующего устройства следует отнести низкую точность определения паросодержания теплоносителя, а также низкую достоверность получаемых результатов. Уровень паросодержания определяется косвенным путем по превышению флуктуаций нейтронного потока выше некоторого установленного расчетным путем предела. В то же время определение уровня паросодержания необходимо для того, чтобы своевременно предотвратить именно это недопустимое увеличение флуктуаций мощности реактора, характерное для аварийного режима работы реактора. Можно утверждать, что получаемая в данном способе информация является запоздалой и не обеспечивает в полной мере безопасность работы ядерного реактора. Недостатком устройства, реализующего способ, является размещение измерительных блоков в активной зоне реактора, что существенно снижает точность и достоверность проводимых измерений.
Известен способ определения парового коэффициента реактивности на АЭС с реакторными установками типа РБМК по патенту РФ №2136062 [5]. Способ включает контроль процессов изменения нейтронно-физических параметров реакторной установки при изменении расходов питательной воды, при этом отбирают процессы с естественным изменением расходов питательной воды, обусловленные работой автоматических регуляторов уровня воды, и удовлетворяющие условиям стабилизации в течение не менее 2 мин., отсутствие перемещения стержней СУЗ в течение 2 мин., а паровой коэффициент реактивности определяют из отношения возмущения расходов питательной воды к изменению среднего объемного изменения текущего расхода питательной воды. К недостаткам данного способа следует отнести низкую оперативность получения конечной информации о параметрах режима работы реакторной установки, низкую точность и низкую достоверность получаемой оценки паровой реактивности реакторной установки, что обусловлено косвенной оценкой текущего паросодержания, наличием ряда случайных и неконтролируемых факторов, влияющих на процесс измерения расходов и флуктуаций питательной воды и оценки на этой основе изменения паросодержания в реакторной установке. Вследствие этого данный способ не обеспечивает необходимого уровня безопасности работы АЭС с данным типом реакторной установки.
Таким образом, известные методы и устройства не решают задачи точного определения уровня парообразования в жидкости и не пригодны к использованию в ядерном реакторе. Известен способ и система для контроля качества пара по патентам США [6] и РФ [7]. Способ включает излучение оптическим датчиком ряда длин волн, пропускание их через влажный пар внутри турбины и измерение оптическим датчиком интенсивности пара, соответствующей каждой из длин волн, на основании чего осуществляют расчет отношения интенсивностей влажного и сухого пара, по которым судят о параметрах качества пара внутри паровой турбины. Система, реализующая способ, содержит паровую турбину, причем оптический излучатель и оптический детектор расположены внутри турбины. К недостаткам данной системы следует отнести низкую точность и низкую достоверность получаемых результатов измерений параметров пара, что обусловлено отсутствием контроля параметров оптического излучения, генерируемого оптическим излучателем, находящимся внутри паровой турбины, а также отсутствием контроля чувствительности оптического детектора на различных длинах волн, также находящегося внутри паровой турбины. Физические условия внутри паровой турбины не позволяют обеспечить и гарантировать эффективность, точность и надежность работы современной электронной аппаратуры. Следует отметить невозможность использования данной системы для работы в составе ядерного реактора.
Наиболее адекватным методом решения проблемы измерения параметров жидкости в условиях теплоносителя ядерного реактора является оптический метод измерения характеристик теплоносителя, предложенный авторами в работах [8], [9] и реализованный в системах измерения по патентам РФ №2594364 от 14.05.2015 г. [10] и №2606369 от 16.05.2015 г. [11]. В указанных системах осуществляется просвечивание теплоносителя лазерным излучением и измерение характеристик излучения, прошедшего через слой теплоносителя. Измеренные параметры прошедшего через теплоноситель лазерного излучения позволяют оценить уровень парообразования и плотность теплоносителя, а также обеспечивают оперативное измерение 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 прототипа выбрана наиболее близкая по технической реализации система измерения по патенту РФ №2606369 [11]. Система измерений содержит первый и второй лазерные генераторы, две оптических кюветы, фотоприемный блока, измерители лазерного излучения на основе фотоприемных блоков, оптический модулятор, выполняющий функцию управляемого оптического фильтра, адаптеры волокна, волоконно-оптические линии, 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 ограниченную точность измерения уровня паросодержания теплоносителя вследствие отсутствия эталонного объекта с известным уровнем содержания пара, с которым осуществляется сравнение измеренных оптических параметров теплоносителя в ядерном реакторе. В данной известной измерительной системе определение паросодержания осуществлялось на основе использования специальных таблиц, связывающих уровень паросодержания с оптическим поглощением излучения, прошедшего через исследуемую жидкую среду, например, водную среду на различных длинах волн оптического излучения. Такой метод позволяет измерить уровень паросодержания при использовании, например, двух различающихся длин волн оптического диапазона, однако точность и достоверность такого измерения недостаточны для использования при ответственных измерениях параметров теплоносителя в ядерном реакторе.
Целью данного изобретения является преодоление указанных недостатков известных измерительных систем, увеличение точности измерения паросодержания в теплоносителе в активной зоне ядерного реактора в условиях высокого уровня радиации, температуры и давления, увеличение надежности работы измерительной аппаратуры в условиях ядерного реактора и обеспечение высокой достоверности получаемых результатов, предотвращение тепловой перегрузки ядерного реактора и исключение возможности теплового взрыва. Поставленная цель достигается путем осуществления измерения оптических параметров теплоносителя с помощью нескольких оптических датчиков, размещенных по отдельности или компактно в виде триады в одном или нескольких точках теплоносителя, а также на основе использования специальной модели-аналога ядерного реактора, оптические параметры которой измеряются одновременно с измерением оптических параметров теплоносителя ядерного реактора и с помощью тех же оптических измерительных блоков и элементов.
Достигаемым новым техническим результатом является увеличение точности измерения паросодержания в теплоносителе ядерного энергетического реактора в различных точках контура теплоносителя и в активной зоне ядерного реактора, увеличение надежности и достоверности получаемых результатов измерения параметров теплоносителя.
Новый технический результат достигается следующим.
1. В лазерной системе измерения паросодержания в теплоносителе ядерного энергетического реактора, содержащей первый и второй лазерные генераторы, первый и второй измерители лазерного излучения, первый и второй оптические переключатели, первый адаптер волокна, соединенный с первой волоконно-оптической линией, первый оптический датчик, размещенный в трубопроводе теплоносителя ядерного энергетического реактора и содержащий последовательно установленные на фиксированном расстоянии первый расширитель пучка и первый оптический отражатель, а также содержащая пять полупрозрачных и одно отражательное зеркало, блок управления, подключенный к блоку обработки информации, первый фотоприемный блок, оптически связанный с первым управляемым оптическим фильтром, оптический вход которого посредством полупрозрачного зеркала связан с первым входом первого оптического переключателя, выходы лазерных генераторов посредством первого отражательного и полупрозрачного зеркал связаны оптически с первым входом первого оптического переключателя, оптический выход первого оптического переключателя посредством первого адаптера волокна и первой волоконной оптической линии связан с оптическим входом первого расширителя пучка в первом оптическом датчике, управляющие входы первого и второго оптических переключателей, первого и второго лазерных генераторов подключены к блоку управления, первый и второй измерители лазерного излучения подключены к блоку обработки информации, выход первого фотоприемного блока подключен к блоку обработки информации, выходы первого и второго лазерных генераторов посредством полупрозрачных зеркал связаны соответственно со входами первого и второго измерителей лазерного излучения, введены второй и третий оптические датчики, три оптических затвора, второй и третий, фотоприемные блоки, второй и третий управляемые оптические фильтры, третий и четвертый оптические переключатели, блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), семь волоконно-оптических линий, семь адаптеров волокна, оптический осветитель, телевизионная камера, второе отражательное и два полупрозрачных зеркала, а также введена модель-аналог ядерного реактора, содержащая контейнер, заполненный водой, с размещенными в нем четвертым, пятым и шестым оптическими датчиками, нагревательным элементом, датчиком температуры, двумя ультразвуковыми возбудителями и вентилятором, при этом модель-аналог снабжена входным и выходным оптическими иллюминаторами, второй, четвертый и пятый оптические датчики аналогичны первому оптическому датчику и содержат расширитель пучка и оптический отражатель, третий и шестой оптические датчики содержат расположенные на одной оптической оси на фиксированном расстоянии друг от друга расширители пучка, соединенные с волоконно-оптическими линиями, второй и третий оптические датчики расположены совместно с первым оптическим датчиком в трубопроводе теплоносителя ядерного реактора, оптический вход второго фотоприемного блока через второй управляемый оптический фильтр и вновь введенное полупрозрачное зеркало связан с оптическим входом третьего оптического переключателя, первый оптический затвор установлен на оптической оси между оптическим выходом первого лазерного генератора и оптическим входом первого оптического переключателя и оптически связывает выходы лазерных генераторов с оптическим входом первого оптического переключателя, оптический вход второго оптического затвора посредством трех полупрозрачных зеркал и первого отражательного зеркала связан одновременно с оптическими выходами первого и второго лазерных генераторов, оптический выход второго оптического затвора оптически связан с оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический вход третьего оптического затвора посредством второго отражательного зеркала, трех полупрозрачных зеркал и первого отражательного зеркала оптически связан одновременно с оптическими выходами первого и второго лазерных генераторов, оптический выход третьего оптического затвора оптически связан с оптическим входом четвертого оптического переключателя, оптический выход третьего оптического переключателя посредством второго адаптера волокна и волоконно-оптической линии связан с оптическим входом второго расширителя пучка второго оптического датчика, оптический выход четвертого оптического переключателя посредством третьего адаптера волокна и волоконно-оптической линии оптически связан с оптическим входом третьего расширителя пучка в третьем оптическом датчике, а второй оптический выход четвертого оптического переключателя посредством шестого адаптера волокна и волоконно-оптической линии оптически связан с седьмым расширителем пучка шестого оптического датчика, размещенного в модели-аналоге ядерного реактора, второй оптический выход первого оптического переключателя оптически связан посредством четвертого адаптера волокна и волоконно-оптической линии с оптическим входом пятого расширителя пучка в четвертом оптическом датчике, размещенном в модели-аналоге ядерного реактора, второй оптический выход третьего оптического переключателя посредством пятого адаптера волокна и волоконно-оптической линии оптически связан с оптическим входом шестого расширителя пучка в пятом оптическом датчике, размещенном в модели-аналоге ядерного реактора, оптический выход четвертого расширителя пучка в третьем оптическом датчике посредством волоконно-оптической линии и восьмого адаптера волокна оптически связан с первым оптическим входом второго оптического переключателя, оптический выход восьмого расширителя пучка шестого оптического датчика оптически связан посредством волоконно-оптической линии и седьмого адаптера волокна со вторым оптическим входом второго оптического переключателя, оптический выход второго оптического переключателя связан с оптическим входом третьего управляемого оптического фильтра, выход которого оптически связан с оптическим входом третьего фотоприемного блока, выходы второго и третьего фотоприемных блоков подключены ко входам блока обработки информации, выход третьего фотоприемного блока дополнительно подключен ко входу блока быстрого преобразования Фурье, выход которого подключен к блоку обработки информации, управляющие входы третьего и четвертого оптических переключателей подключены к блоку управления, управляющие входы второго и третьего управляемых оптических фильтров подключены к блоку управления, управляющие входы трех оптических затворов подключены к блоку управления, телевизионная камера и оптический осветитель расположены на одной оптической оси, проходящей через объем контейнера модели-аналога ядерного реактора, причем, оптический вход телевизионной камеры оптически связан с первым оптическим иллюминатором модели-аналога, а оптический выход оптического осветителя связан со вторым оптическим иллюминатором модели-аналога, выход телевизионной камеры подключен к блоку обработки информации, оптический осветитель подсоединен к блоку управления, первый и второй ультразвуковые возбудители подключены к управляющему генератору, вход которого подключен к блоку управления, нагревательный элемент и вентилятор подключены к блоку управления, датчик температуры подсоединен к блоку обработки информации.
2. В системе по пункту 1 оптические отражатели выполнены на основе многоэлементной матрицы уголковых оптических отражателей.
3. В системе по пункту 1 расширитель пучка помещен в водонепроницаемый бокс, снабженный оптическим иллюминатором.
4. В системе по пункту 1 оптический датчик содержит последовательно оптически связанные расширитель пучка, поворотное отражательное зеркало и оптический отражатель, причем поворотное оптическое зеркало и оптический отражатель снабжены обтекателями.
5. В системе по пункту 1 второй лазерный генератор выполнен с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения в пределах видимого диапазона длин волн.
6. В системе по пункту 1 управляемый оптический фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, работающей в видимом диапазоне длин волн.
7. В системе по пункту 1 оптический датчик содержит последовательно оптически связанные входной расширитель пучка, первое оптическое отражательное зеркало, второе оптическое отражательное зеркало и выходной расширитель пучка.
В представленной формуле изобретения лазерной измерительной системы в ограничительной части формулы содержится один фотоприемный блок, так как остальные фотоприемники в прототипе выполняют функции измерителей лазерного излучения и представлены под этим названием в упомянутой ограничительной части.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемой лазерной системы измерения паросодержания в теплоносителе ядерного энергетического реактора. Цифрами обозначены следующие элементы.
1 Первый лазерный генератор.
2 Второй лазерный генератор.
3 Первый измеритель лазерного излучения (ЛИ).
4 Второй измеритель лазерного излучения.
5 Первое полупрозрачное зеркало.
6 Второе полупрозрачное зеркало.
7, 8, 9 - Полупрозрачные зеркала (третье, четвертое и пятое полупрозрачные зеркала).
10. Первое отражательное зеркало.
11. Первый оптический переключатель.
12. Первый адаптер волокна.
13. Первая волоконно-оптическая линия.
14. Первый расширитель пучка.
15. Первый оптический отражатель (элементы поз. 14 и 15 составляют первый оптический датчик).
16. Первый фотоприемный блок (ФПБ).
17. Первый управляемый оптический фильтр.
18. Второй оптический переключатель.
Лазерная измерительная система содержит также следующие элементы:
70. Блок управления.
71. Блок обработки информации.
Далее цифрами обозначены вновь введенные элементы:
19. Первый оптический затвор.
20. Второй расширитель пучка.
21. Второй оптический отражатель (элементы поз. 20 и 21 составляют второй оптический датчик).
22. Третий расширитель щучка.
23. Четвертый расширитель пучка (элементы поз. 22 и 23 составляют третий оптический датчик).
Первый, второй и третий оптические датчики расположены в трубопроводе теплоносителя поз. 66.
24. Вторая волоконно-оптическая линия.
25. Третья волоконно-оптическая линия.
26. Второй адаптер волокна.
27. Третий адаптер волокна.
28. Четвертая волоконно-оптическая линия.
29. Третий оптический переключатель.
30. Четвертый оптический переключатель.
31. Второй оптический затвор.
32. Третий оптический затвор.
33. Второй управляемый оптический фильтр.
34. Второй фотоприемный блок.
35. Третий фотоприемный блок.
36. Третий управляемый оптический фильтр.
37. Четвертый адаптер волокна.
38. Пятый адаптер волокна.
39. Шестой адаптер волокна.
40. Модель-аналог ядерного энергетического реактора.
152. Контейнер модели-аналога ядерного реактора, заполненный водой.
В состав модели-аналога входят следующие элементы, обозначенные позициями 41-49 и 55, 56 и размещенными в заполненном водой контейнере поз. 152.
41. Пятый расширитель пучка.
42. Третий оптический отражатель (элементы поз. 41 и 42 составляют четвертый оптический датчик).
43. Шестой расширитель пучка.
44. Четвертый оптический отражатель (элементы поз. 43 и 44 составляют пятый оптический датчик).
45. Седьмой расширитель пучка.
46. Восьмой расширитель пучка (элементы поз. 45 и 46 составляют шестой оптический датчик).
47. Нагревательный элемент.
48. 49 - Ультразвуковые возбудители.
50. Управляющий генератор.
51. Оптический осветитель.
52. Телевизионная камера.
53. 54 - Оптические иллюминаторы.
55. Вентилятор.
56. Датчик температуры.
Далее лазерная система содержит следующие элементы.
57. Пятая волоконно-оптическая линия.
58. Шестая волоконно-оптическая линия.
59. Седьмая волоконно-оптическая линия.
60. Седьмой адаптер волокна.
61. Восьмой адаптер волокна.
62. Восьмая волоконно-оптическая линия.
63. Шестое полупрозрачное зеркало.
64. Седьмое полупрозрачное зеркало.
65. Второе отражательное зеркало.
66. Трубопровод теплоносителя, в котором размещены первый, второй и третий оптические датчики (показано условно). Крепления оптических датчиков в данном трубопроводе не показаны, а также не показаны элементы вывода волоконно-оптических линий из трубопровода (проходные втулки).
67. Блок быстрого Фурье-преобразования (БПФ).
68. 69 - стрелки, показывающие направление движения теплоносителя и паровых пузырьков.
70. Блок управления.
71. Блок обработки информации.
152. Контейнер, заполненный водой, в котором размещены элементы модели-аналога 40 ядерного реактора.
На фиг. 1 оптические оси оптических датчиков параллельны плоскости чертежа. Направление трубопровода 66 и направление движения теплоносителя 68 в трубопроводе параллельны плоскости чертежа. Оптические оси оптических датчиков перпендикулярны направлению трубопровода.
На фиг. 2 отдельно представлена конструкция оптического датчика первого (отражательного) типа, содержащего расширитель пучка 14 и оптический отражатель 15. Здесь цифрами обозначены элементы:
72. Несущая рама.
73. Оптическая ось оптического датчика; d - толщина рамы, «а» - направление движения теплоносителя.
На фиг. 3 отдельно представлена конструкция оптического датчика второго (проходного) типа, содержащего два расширителя пучка 22 и 23.
74. Несущая рама.
75. Оптическая ось оптического датчика.
Одинаковые элементы с фиг. 1 отмечены одинаковыми цифрами.
На фиг.4 представлен вид сбоку на оптический датчик фиг. 2 вид по стрелке «а».
На фиг. 5 показано условно взаимное расположение трех оптических датчиков в трубопроводе теплоносителя (поз. 66 на фиг. 1). Вид сбоку параллельно оптическим осям оптических датчиков (вид вдоль оптических осей оптических датчиков). Нумерация соответствует фиг. 1.
Представлен вариант, когда оптические оси оптических датчиков параллельны, но не находятся в одной плоскости. Элементы крепления оптических датчиков не показаны.
66. Трубопровод теплоносителя, в котором размещены оптические датчики.
Направление трубопровода параллельно плоскости чертежа. Выходы волоконно-оптических линий из трубопровода 66 показаны условно. Оптические оси оптических датчиков перпендикулярны направлению трубопровода и перпендикулярны плоскости чертежа.
76. Данной позицией отмечены показанные условно проходные втулки, обеспечивающие выход волоконно-оптических линий из трубопровода 66, в котором размещены оптические датчики. Поз. 68 - направление трубопровода 66 и направление движения теплоносителя.
В качестве трубопровода теплоносителя 66, в котором размещаются оптические датчики, может быть использован главный суммарный трубопровод технологических каналов ядерного реактора или байпас этого трубопровода (обходной трубопровод) см. ниже.
На фиг. 6 представлена блок-схема функционирования первого оптического датчика. Нумерация позиций соответствует фиг. 1.
На фиг. 7 представлена блок-схема функционирования третьего оптического датчика. Нумерация позиций соответствует фиг. 1.
На фиг. 8 представлена схема конструкции расширителя пучка, помещенного в водонепроницаемый бокс. Цифрами обозначены элементы:
77. Линза.
78. Волоконно-оптическая линия.
79. Корпус водонепроницаемого бокса.
80. Защитное стекло.
На фиг. 9 представлена схема энергоблока атомной электростанции с ядерным реактором типа РБМК. Цифрами обозначены следующие элементы реактора и энергоблока.
81. Технологические (топливные) каналы РБМК.
82. Каналы системы управления и защиты (СУЗ).
83. Главный суммарный трубопровод технологических каналов ядерного реактора, далее главный суммарный трубопровод (ГСТ).
84. Графитовый замедлитель.
85. Паросепаратор с выходами пара 86 и водной фракции 87. Поз. 86 - выходной трубопровод паросепаратора.
88. Циркуляционные насосы.
89. Охлаждающая вода.
90. Главный трубопровод подачи воды (теплоносителя) на входы технологических каналов реактора.
91. Направление движения теплоносителя в технологических каналах.
92. Турбины высокого давления.
93. Турбины низкого давления.
94. Электрический генератор.
149. Вспомогательный водяной контур.
Места расположения оптических датчиков предлагаемой лазерной системы измерения обозначены следующими цифрами:
95. В байпасе главного суммарного трубопровода, или непосредственно в главном суммарном трубопроводе 83.
96. В технологических каналах 81 в активной зоне реактора.
97. В канале системы управления и защиты (СУЗ 82).
98. На выходе паросепаратора 85.
99. В главном трубопроводе подачи теплоносителя на входы технологических каналов 90, или на байпасе этого трубопровода.
На фиг. 10 представлена схема размещения триады оптических датчиков (фиг. 5) в байпасе главного суммарного трубопровода технологических каналов. Цифрами обозначены следующие элементы.
100. Выходы технологических (топливных) каналов ядерного реактора.
101. Главный суммарный трубопровод.
102. Байпас главного суммарного трубопровода.
103. Место расположения триады оптических датчиков, аналогичных показанному на фиг. 5.
104. Паросепаратор.
105. Выход пара к паровым турбинам.
106. Выход водной фракции к циркуляционным насосам.
На фиг. 11 представлена схема верхней части тепловыделяющей сборки (ТВС) реактора РБМК с размещенным в верхней части ТВС оптическим датчиком проходного типа.
На фиг. 12 представлен вид сечения представленной на фиг. 11 верхней части ТВС с размещенным в верхней части ТВС оптическим датчиком. Представлен вид вниз от плоскости сечения А-А. Цифрами на фиг. 11 и фиг. 12 обозначены следующие элементы.
107. Расширитель пучка (входной).
108, 109 - оптические отражательные зеркала.
110. Расширитель пучка (выходной).
111. Обод и дистанцирующие выступы.
112. Конструктивные элементы ТВС.
113. Центральная труба ТВС.
114. Выходные каналы ТВС, заполненные движущимся теплоносителем.
115. Пучок лазерного зондирующего излучения, пересекающий выходные каналы ТВС.
116. Волоконно-оптическая линия.
119. Несущий стержень, расположенный в центральной трубе (поз. 113).
120. Волоконно-оптическая линия.
Оптический датчик содержит элементы, обозначенные позициями 107-110.
151. Переходник ТВС - верхняя часть ТВС, за которую осуществляется крепление ТВС в технологическом канале реактора.
На фиг. 13 представлена схема сечения верхней части ТВС реактора РБМК с размещенными тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Цифрами обозначены следующие элементы.
111. Обод и дистанцирующие выступы (соответствует поз. 111 на фиг. 11 и фиг. 12).
117. Промежуточная ячейка (элементы конструкции ТВС, обеспечивающие фиксацию ТВЭЛов).
118. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), представляющие собой металлические водонепроницаемые цилиндры (гильзы), заполненные ядерным горючим - таблетки окиси урана.
119. Несущий стержень.
113. Центральная труба ТВС (соответствует поз. 113 на фиг. 12)
150. Каналы сквозного прохождения теплоносителя через ТВС (заполнены водой).
На фиг. 14 представлена схема средней части ТВС с размещенным в этой части оптическим датчиком, аналогичным оптическому датчику на фиг. 11 - фиг. 12. Цифрами обозначены следующие элементы.
121. Верхняя секция ТВС реактора РБМК.
122. Нижняя секция ТВС.
118. Тепловыделяющие элементы, соответствующие поз. 118 на фиг. 13.
Оптический датчик (поз. 108, 107) размещен в межсекционном пространстве в плоскости А-А. Элементы крепления оптического датчика не показаны.
Одинаковые с фиг. 11 - фиг. 13 элементы обозначены одинаковыми цифрами.
На фиг. 15 представлен вид сечения средней части ТВС с размещенным оптическим датчиком. Представлен вид вниз от плоскости сечения А-А. Данная схема соответствует схеме на фиг. 14. На данной схеме видны ТВЭЛы с ядерным горючим поз. 118, элементы конструкции ТВС и элементы оптического датчика. Обозначения элементов соответствуют фиг. 11 - фиг. 14.
На представленных схемах не показаны элементы крепления оптических датчиков к конструктивным элементам ТВС.
На фиг. 16 представлена схема расположения оптического датчика в канале системы управления и защиты (СУЗ). Цифрами обозначены следующие элементы.
124. Корпус канала СУЗ.
125. Сливной клапан.
123. Сливной трубопровод.
126. Стержень СУЗ, состоящий из нижней части 127 - вытеснителя, и верхней части 128 - поглотителя.
129. Штанга канала СУЗ (обеспечивает перемещение стержней СУЗ).
130. Активная зона реактора.
131. Оптический отражатель.
132. Расширитель пучка.
133. Волоконно-оптическая линия.
134 Упор канала СУЗ.
На фиг. 17 представлена схема расположения оптического датчика отражательного типа в активной зоне реактора ВВЭР. Цифрами обозначены следующие элементы.
135. Тепловыделяющая сборка (ТВС реактора ВВЭР).
136. Расширитель пучка.
137. Оптический отражатель.
138. Несущая штанга.
139. Обтекатель.
140. Волоконно-оптическая линия.
На фиг. 18 представлена схема второго варианта размещения оптического датчика отражательного типа в активной зоне реактора ВВЭР. Цифрами обозначены следующие элементы.
141. Несущая штанга.
142. Расширитель пучка.
143. Оптический отражатель.
144. Отражательное зеркало.
145, 146 - обтекатели.
147. Волоконно-оптическая линия.
148. Тепловыделяющая сборка.
Представленные на фиг. 17 и фиг. 18 оптические датчики с элементами их крепления и несущей штангой образуют измерительный канал, размещаемый в активной зоне реактора ВВЭР.
На фиг. 19 представлена схема расположения оптического датчика отражательного типа вне трубопровода теплоносителя. Цифрами обозначены следующие элементы (элементы, соответствующие фиг. 1, обозначены одинаковыми с фиг. 1 цифрами).
66. Трубопровод теплоносителя.
20. Расширитель пучка оптического датчика.
21. Оптический отражатель оптического датчика.
24. Волоконно-оптическая линия.
153, 154 - Оптические иллюминаторы, встроенные в трубопровод теплоносителя 66.
На фиг. 20 представлен график зависимости расходного (1) и истинного паросодержания в технологическом канале максимальной мощности (2) и в технологическом канале 50% мощности от максимальной (3) в зависимости от сухости пара.
На фиг. 21 представлен график сухости (1, 2) и влажности (3, 4) пара в технологическом канале при максимальной мощности (1, 3), при мощности 50% от максимальной (2, 4) в зависимости от измеренного истинного паросодержания.
Принцип действия лазерной системы измерения паросодержания в теплоносителе ядерного реактора заключается в следующем.
В предлагаемой лазерной системе осуществляется непрерывный мониторинг уровня паросодержания в точках контура теплоносителя, в которых расположены оптические датчики. В представленной на фиг. 1 блок-схеме лазерной измерительной системы показаны три оптических датчика, размещенных в трубопроводе теплоносителя ядерного реактора: первый оптический датчик, элементы которого обозначены позициями 14 и 15, второй оптический датчик, обозначенный позициями 20 и 21, и третий оптический датчик, элементы которого обозначены позициями 22 и 23. Указанные оптические датчики образуют триаду и расположены внутри трубопровода теплоносителя поз. 66, по которому протекает водный теплоноситель с выхода технологических каналов ядерного реактора. Оптические датчики расположены в непосредственной близости один от другого. При этом оптические оси датчиков параллельны друг другу и могут находиться в одной плоскости, как показано на фиг. 1, а также могут находиться в разных плоскостях, как это показано на фиг. 5. С помощью оптического датчика осуществляется просвечивание теплоносителя пучком лазерного зондирующего излучения, который формируется посредством соответствующего расширителя пучка поз. 14, 20 и 22. При прохождении лазерного зондирующего излучения через слой теплоносителя параметры лазерного излучения (ЛИ) изменяются в зависимости от оптических характеристик теплоносителя в данном месте его движения по технологическому трубопроводу. При наличии пара в составе теплоносителя происходит рассеяние лазерного излучения на паровых пузырьках или других местах в теплоносителе, в которых плотность его меньше, чем плотность однородной воды при отсутствии элементов пара. Уровень рассеяния лазерного излучения обусловлен уровнем содержания пара в пароводяной смеси, которую представляет собой теплоноситель на выходе из технологического канала ядерного реактора. С помощью оптического датчика осуществляется измерение величины рассеянного лазерного излучения, при его прохождении через слой теплоносителя, что обеспечивает измерение уровня содержания пара в пароводяной смеси в соответствующей точке теплоносителя в ядерном реакторе. На основании информации о параметрах рассеянного лазерного излучения, поступающей от трех указанных оптических датчиков, в блоке обработки информации 71 формируется оценка уровня содержания пара в теплоносителе в месте расположения данных оптических датчиков. В предлагаемой лазерной системе используются оптические датчики двух типов: первый оптический датчик отражательного типа поз. 14, 15, второй датчик отражательного типа 20, 21 и оптический датчик проходящего излучения поз. 20, 21 (третий оптический датчик - оптический датчик проходного типа). Данные типы датчиков несколько отличаются по своим характеристикам и хорошо дополняют друг друга. Конструкция оптического датчика первого типа представлена на фиг. 2. Оптический датчик содержит несущую раму поз. 72, на которой укреплены расширитель пучка 14 и оптический отражатель 15. На фиг. 4 представлен вид сбоку на оптический датчик первого типа - вид по стрелке «а» на фиг. 2. Оптический датчик в рабочем состоянии помещается непосредственно в поток теплоносителя, который проходит через контролируемый объем датчика либо по стрелке «а», либо перпендикулярно плоскости чертежа. Расширитель пучка 14 и оптический отражатель 15 расположены на оптической оси датчика 73. Волоконно-оптическая линия 13 обеспечивает подвод зондирующего лазерного излучения к расширителю пучка 14 и одновременно отвод лазерного излучения, прошедшего через контролируемый объем теплоносителя и отразившегося от оптического отражателя 15. Оптический отражатель выполнен на основе многоэлементной матрицы уголковых отражателей. Возможно также использование обычного отражательного зеркала, выполненного на основе металлической полированной пластины. На фиг. 3 представлена конструкция оптического датчика второго типа - датчика проходящего излучения. Данный датчик содержит несущую раму 74, на которой укреплены расширители пучка: входной расширитель пучка 22 и выходной расширитель пучка 23. Указанные расширители пучка расположены на оптической оси датчика поз. 75. Таким образом, второй оптический датчик проходного типа отличается от оптического датчика первого типа тем, что в датчике второго типа оптический отражатель 15 заменен на расширитель пучка 23. При этом подвод лазерного излучения осуществляется по волоконно-оптической линии 25, а отвод излучения, прошедшего через теплоноситель в контролируемом объеме датчика, осуществляется по волоконно-оптической линии 28. Контролируемый объем в обоих датчиках имеет вид цилиндра, ось которого совпадает с оптической осью датчиков, а основание цилиндра образует окружность выходной апертуры расширителя пучка поз. 14 и 22. Несущая рама поз. 72 и 74 имеет небольшую толщину «d» (фиг. 2) и не влияет на движение теплоносителя по трубопроводу. Расширители пучка и оптический отражатель также имеют ограниченные габариты и не оказывают существенного влияния на движение теплоносителя. Оптические датчики в рабочем состоянии могут располагаться в одной плоскости в трубопроводе теплоносителя 66, как это показано на фиг. 1, а также могут располагаться не в одной плоскости, как это показано на фиг. 5. На последнем оптические оси оптических датчиков перпендикулярны направлению оси трубопровода 66 теплоносителя. Здесь показан вид сбоку на оптические датчики, находящиеся в трубопроводе 66 (вид вдоль направления оптических осей датчиков). На фиг. 5 позицией 76 показаны проходные втулки, обеспечивающие вывод волоконно-оптических линий из трубопровода теплоносителя.
Оптические датчики работают по отдельности последовательно по времени. При работе, например, первого оптического датчика поз. 14 и 15 открывается соответствующий этому датчику первый оптический затвор 19 и запускается один из лазерных генераторов поз. 1 или 2. Остальные оптические затворы поз. 31 и 32 являются закрытыми и измерений оптическими датчиками 20, 21 и 22, 23 в этот момент времени не производится. Аналогичным образом осуществляется индивидуальная работа - измерение уровня прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения - другими оптическими датчиками при открывании соответствующих оптических затворов 31 или 32. Собственно процесс одного цикла измерения одним оптическим датчиком составляет короткое время порядка нескольких микросекунд. Следует отметить возможность одновременной работы двух или всех трех оптических датчиков, но на разных длинах волн. Для этого второй лазерный генератор поз. 2 осуществляет генерацию зондирующего лазерного излучения на другой длине волны, отличающейся от длины волны первого лазерного генератора 1. Возможно использование специального лазерного генератора поз. 2, генерирующего две или несколько длин волн. В этом случае управляемые оптические фильтры 17, 33 и 36 осуществляют выделение соответствующих длин волн зондирующих лазерных излучений, поступающих после прохождения через теплоноситель на входы фотоприемных блоков поз. 16, 34 и 35.
Работа оптических датчиков поясняется на фиг. 6 и фиг. 7.
На фиг. 6 представлена блок-схема функционирования первого оптического датчика поз. 14 и 15, выделенная из общей блок-схемы лазерной системы измерения паросодержания на фиг. 1. На блок-схеме фиг. 6 представлены только те элементы общей блок-схемы, которые функционируют в момент работы первого оптического датчика поз. 14, 15. Нумерация позиций на фиг. 6 соответствует фиг. 1. Работа первого оптического датчика осуществляется следующим образом. По команде от блока управления 70 лазерный генератор 1 генерирует импульс лазерного зондирующего излучения, который через первый оптический затвор 19 и первый оптический переключатель 11 поступает на оптический вход первого адаптера волокна 12 и далее по волоконно-оптической линии 13 поступает в расширитель пучка 14. При этом по командам с блока управления первый оптический затвор переводится в открытое состояние для проходящего излучения, а первый оптический переключатель 11 переводится в состояние переключения на прохождение излучения в сторону первого адаптера волокна 12. С оптического выхода расширителя пучка 14 импульс лазерного излучения распространяется вдоль оптической оси 73 датчика через теплоноситель, отражается в обратном направлении от оптического отражателя 15, вторично проходит через теплоноситель и далее вновь поступает в расширитель пучка 14 и в волоконно-оптическую линию 13. Далее с выхода адаптера волокна 12 импульс лазерного излучения проходит через первый оптический переключатель 11 и после отражения от полупрозрачного зеркала 9 поступает на оптический вход первого управляемого оптического фильтра 17. Последний настроен на пропускание лазерного излучения с длиной волны, соответствующей длине волны излучения, генерируемого первым лазерным генератором 1. Управляемый оптический фильтр 17 осуществляет спектральную фильтрацию лазерного излучения и подавление посторонних помех. С выхода управляемого оптического фильтра 17 отфильтрованный импульс лазерного излучения поступает на вход первого фотоприемного блока 16, который осуществляет прием, регистрацию и оцифровку импульса лазерного излучения. Далее импульс лазерного излучения в цифровой форме поступает с выхода фотоприемного блока 16 в блок обработки информации 71. В последнем осуществляется обработка полученной информации и определение величины паросодержания в теплоносителе по измеренным параметрам импульса лазерного излучения, прошедшего через теплоноситель в пределах места расположения оптического датчика 14, 15. Уровень паросодержания оценивается по величине уменьшения амплитуды импульса лазерного излучения, прошедшего через теплоноситель. Опорной величиной при такой оценке является величина интенсивности импульса лазерного излучения, генерируемого первым лазерным генератором 1. Эта величина измеряется первым измерителем лазерного излучения 3, на вход которого поступает часть импульса лазерного излучения с выхода лазерного генератора 1 посредством полупрозрачного зеркала 5. Информация о параметрах генерируемых лазерных излучений поступает с выходов измерителей лазерного излучения 3 и 4 в блок обработки информации 71. При увеличении содержания пара в теплоносителе, через который проходит импульс зондирующего лазерного излучения, происходит уменьшение интенсивности лазерного излучения, которое регистрируется в блоке обработки информации 71. На этом один цикл измерения паросодержания в теплоносителе в соответствующем оптическом датчике завершается. В одном цикле измерения одному импульсу лазерного излучения соответствует получение величины одной оценки (отсчета) уровня содержания пара в теплоносителе в конкретном месте расположения оптического датчика и в момент времени прохождения импульса зондирующего лазерного излучения через теплоноситель. Аналогичным образом осуществляется работа второго оптического датчика поз. 20 и 21. При этом оптический затвор 31 переводится в открытое состояние, а оптические затворы 19 и 32 находятся в закрытом состоянии.
На фиг. 7 представлена блок-схема функционирования третьего оптического датчика поз. 22 и 23. В данной схеме представлены только элементы общей блок-схемы фиг. 1, задействованные при работе этого оптического датчика. Нумерация позиций фиг. 7 соответствует фиг. 1. Как было отмечено, третий оптический датчик работает по схеме регистрации проходящего через теплоноситель лазерного излучения. В этом случае в открытом состоянии находится третий оптический затвор 32, а четвертый оптический переключатель 30 устанавливается на прямое прохождение зондирующего лазерного излучения на вход третьего адаптера волокна 27. При работе третьего оптического датчика в рабочем режиме генерации зондирующего лазерного излучения находятся по отдельности первый, или второй лазерные генераторы. При этом лазерное излучение с выхода расширителя пучка 22 проходит вдоль оптической оси 75 и поступает на оптический вход расширителя пучка 23, который аналогичен расширителю пучка 22. Далее лазерное излучение с выхода расширителя пучка 23 поступает в волоконно-оптическую линию 28 и далее в адаптер волокна 61, с выхода которого лазерное излучение поступает на вход второго оптического переключателя 18. С выхода последнего лазерное излучение поступает на вход третьего управляемого оптического фильтра 36. С выхода управляемого оптического фильтра 36 лазерное излучение поступает на оптический вход третьего фотоприемного блока 35, в котором осуществляется регистрация и оцифровка лазерного излучения. С выхода фотоприемного блока 35 информация поступает в блок обработки информации 71. Таким образом, в блоке обработки информации 71 накапливается информация о параметрах зондирующего лазерного излучения, получаемая от трех оптических датчиков, и, соответственно, информация о параметрах паросодержания теплоносителя в местах расположения этих датчиков.
Наличие в предлагаемой лазерной измерительной системе трех оптических датчиков двух различных типов позволяет реализовать различные алгоритмы измерения параметров зондирующего лазерного излучения, прошедшего через теплоноситель ядерного реактора, что обеспечивает более высокую точность измерения паросодержания и повышение надежности и достоверности получаемой информации. Один из таких алгоритмов измерения осуществляется с помощью третьего оптического датчика поз.22, 23, и состоит в использовании непрерывного лазерного излучения, генерируемого вторым лазерным генератором 2. При этом первый лазерный генератор находится в выключенном состоянии. При работе третьего оптического датчика в открытом состоянии находится третий оптический затвор 32. Четвертый оптический переключатель 30 открыт в направлении прямой передачи лазерного излучения с выхода оптического затвора 32 на вход адаптера волокна 27. Использование непрерывного лазерного излучения позволяет не только получить оценку паросодержания в фиксированный момент времени, но и получить информацию о динамике изменения уровня содержания пара во времени. Для измерения спектральных временных характеристик изменения паросодержания предлагаемая лазерная система содержит блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 67 фиг. 1. На вход последнего непрерывно поступает в цифровой форме сигнал с выхода третьего фотоприемного блока 35. Блок 67 представляет собой специализированный процессор, осуществляющий алгоритм быстрого преобразования Фурье поступающего оцифрованного сигнала с выхода третьего фотоприемного блока 35 в реальном масштабе времени. Сформированный одномерный Фурье-спектр в цифровой форме поступает с выхода блока БПФ 67 в блок обработки информации 71. В последнем накапливается информация о величине уровня лазерного излучения, прошедшего через теплоноситель в месте расположения третьего оптического датчика 22, 23, а также о динамике изменения лазерного излучения и его спектральных временных характеристиках. Это позволяет получить дополнительную важную информацию о характере флуктуаций во времени плотности теплоносителя и режиме парообразования в теплоносителе ядерного реактора. Так, например, при высоком уровне паросодержания уровень флуктуаций прошедшего через теплоноситель лазерного излучения увеличивается, а спектр флуктуаций сдвигается в высокочастотную область и содержит более высокие частоты. Таким образом, триада оптических датчиков осуществляет измерение содержания пара в теплоносителе в трех рядом расположенных точках теплоносителя, а третий оптический датчик дополнительно дает информацию о временных флуктуациях и спектральных временных характеристиках прошедшего через теплоноситель лазерного излучения. Оптические датчики могут работать одновременно или последовательно во времени. Управление работой оптических датчиков осуществляется посредством блока управления 70 путем включения или выключения первого или второго лазерных генераторов и открыванием и закрыванием соответствующих оптических затворов поз. 19, 31 и 32. Одновременно могут работать на одной длине волны первый и второй оптические датчики. При этом третий оптический датчик является выключенным путем закрытия оптического затвора 32. Одновременная с указанными двумя работа третьего оптического датчика возможна при использовании другой рабочей длины волны во втором лазерном генераторе 2. Осуществление работы третьего оптического датчика на другой длине волны обеспечивается с помощью управляемого оптического фильтра 36, который за счет узкой оптической спектральной полосы пропускания исключает влияние импульсных лазерных излучений от первых двух датчиков на работу третьего оптического датчика. Для этого возможно использование второго лазерного генератора с перестройкой длины волны лазерного излучения. Суммирование излучений двух лазерных генераторов поз. 1 и 2 на одном направлении с помощью полупрозрачного зеркала 7 осуществлено для реализации возможности использования в каждом датчике различных видов излучений и различных длин волн, генерируемых каждым лазерным генератором. Это особенно важно при расположении оптических датчиков в различных точках контура теплоносителя ядерного реактора. При совместном расположении оптических датчиков возможен режим работы, при котором оптические датчики регистрируют не только уменьшение уровня прошедшего лазерного излучения (ЛИ), но и уровень рассеянного лазерного излучения, что позволяет 'повысить точность измерения паросодержания в теплоносителе. Такой режим работы оптических датчиков осуществляется следующим образом. При работе с лазерным зондирующим излучением только первого оптического датчика 14, 15 в открытом состоянии устанавливается только первый оптический затвор 19, а остальные оптические затворы 31 и 32 находятся в закрытом состоянии. При прохождении зондирующего лазерного излучения (импульса) через теплоноситель от расширителя пучка 14 происходит рассеяние лазерного излучения как вперед по направлению распространения ЛИ, так и рассеивание назад в боковом направлении. При этом ЛИ, рассеянное назад, попадает на вход расширителя пучка 20 второго оптического датчика (поз. 20, 21) и далее по волоконно-оптической линии 24 и через третий оптический переключатель 29, открытый на прямое прохождение, ЛИ посредством полупрозрачного зеркала 64 поступает на оптический вход второго управляемого оптического фильтра 33. С выхода последнего ЛИ поступает на оптический вход второго фотоприемного блока 34 и далее, в цифровой форме, информация о параметрах рассеянного ЛИ поступает в блок обработки информации 71. Рассеянное по направлению распространения исходного зондирующего импульса ЛИ (рассеяние вперед) поступает на оптический вход четвертого расширителя пучка 23 в третьем оптическом датчике. Далее данное ЛИ аналогичным образом по волоконно-оптической линии 28 и через второй оптический переключатель 18 поступает на вход управляемого оптического фильтра 36 и на вход третьего фотоприемного блока 35, и далее в цифровой форме в блок обработки информации 71. Аналогично при отражении зондирующего импульса ЛИ от оптического отражателя 15 и его распространении в обратном направлении по оптической оси расширители пучка 20 и 23 регистрируют рассеянное в боковом направлении лазерное излучение, обусловленное наличием пузырьков пара в теплоносителе в зоне распространения зондирующего ЛИ в прямом и обратном направлении вдоль оптической оси 73 (фиг. 6) первого оптического датчика. Таким образом, в блоке обработки информации 71 образуется информация о величине уменьшения уровня прошедшего через теплоноситель зондирующего лазерного излучения, а также информация о величине рассеянного лазерного излучения, обусловленного этим импульсом зондирующего ЛИ. Уровни этих двух видов лазерных излучений обусловлены одним и тем же фактором - наличием пузырьков пара в теплоносителе. Поэтому получение указанной информации позволяет более точно определить уровень паросодержания в теплоносителе ядерного реактора. Аналогично при работе с зондирующим лазерным излучением только одного второго оптического датчика 20, 21 возможна регистрация уровней рассеянного лазерного излучения в соседних первом и третьем оптических датчиках. Таким образом, осуществление измерения параметров зондирующего лазерного излучения с помощью трех рядом расположенных оптических датчиков (триады), содержащих датчики двух различных типов, позволяет повысить объем получаемой информации (информативность) и обеспечить более высокую точность определения паросодержания в теплоносителе ядерного реактора. Наличие трех оптических датчиков позволяет реализовать различные алгоритмы измерения паросодержания и повысить точность измерений и достоверность получаемых оценок паросодержания в теплоносителе ядерного реактора.
Для обеспечения высокой достоверности и точности измерения параметров теплоносителя в предлагаемую лазерную систему измерений введена модель-аналог ядерного реактора 40. Данная модель-аналог обеспечивает создание эталонной измерительной базы для осуществления более точных измерений параметров зондирующих лазерных излучений и интерпретации полученных результатов измерений. Модель-аналог ядерного реактора 40 осуществляет натурное аналоговое моделирование оптических параметров теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Модель-аналог представляет собой контейнер поз. 152 (фиг. 1) (резервуар), заполненный водой, в который помещены три оптических датчика поз. 41-46, аналогичные первым трем оптическим датчикам, работа которых рассмотрена выше. Внутри контейнера 152 размещены также элементы, обеспечивающие создание в водной среде, заполняющей контейнер, физических условий парообразования, аналогичных условиям в теплоносителе измеряемого ядерного реактора в отношении оптических свойств теплоносителя. Создание такой модели-аналога в отношении оптических свойств теплоносителя возможно без использования полного совпадения всех физических параметров теплоносителя в ядерном реакторе и в модели-аналоге в отношении давления и температуры теплоносителя. Это обусловлено явлением несжимаемости жидкости (воды) и зависимостью температуры кипения воды от давления. Поэтому один и тот же уровень интенсивности парообразования можно обеспечить при различных уровнях температуры и давления воды. В используемой модели-аналоге уровень давления соответствует обычному атмосферному давлению, а величина парообразования обеспечивается необходимой интенсивностью подогрева воды в контейнере 152, что осуществляется нагревательным элементом 47. Уровень интенсивности подогрева последнего задается блоком управления 70, к которому подключен данный нагревательный элемент. В результате постоянного нагрева в контейнере 152 устанавливается режим кипения воды с определенной величиной парообразования. Образующиеся паровые пузырьки поднимаются вверх и попадают в зону действия оптических датчиков поз. 41, 42, 43, 44 и 45, 46. Внутри контейнера в зоне действия нагревательного элемента 47 расположены два ультразвуковых возбудителя 48 и 49. Последние осуществляют возбуждение в водной среде ультразвуковых волн достаточно большой интенсивности. Это обеспечивает в определенных пределах управление процессом парообразования. При этом ультразвуковые (УЗ) волны разбивают наиболее крупные пузыри пара, способствуют увеличению парообразования при падении УЗ волны на поверхность нагревательного элемента и отражения от него за счет быстрого удаления уже образовавшегося пара. Используется импульсно-периодическое возбуждение УЗ волн определенной амплитуды и частоты повторения импульсов. Ультразвуковые возбудители 48, 49 выполнены на основе пъезоэлементов, подключенных к управляющему генератору 50 специальных электрических колебаний, режим работы которого определяется блоком управления 70. Для более полного перемешивания содержимого контейнера, 152 и создания более равномерной пароводяной смеси предусмотрено наличие вентилятора 55, режим работы которого управляется блоком управления 70. Для контроля температуры внутри контейнера используется датчик температуры 56 с цифровым представлением результатов измерения, подключенный к блоку обработки информации 71. При определенном высоком уровне возбуждения УЗ волн возможно образование так называемых кавитационных пузырьков пара, которые в зависимости от частоты возбуждения и интенсивности УЗ волн могут иметь различные размеры и плотность (количество пузырьков) на единицу объема воды. Таким образом, в модели-аналоге используется два способа (вида) создания паровых пузырьков: с помощью интенсивного нагрева жидкости и с помощью УЗ возбуждения кавитационных пузырьков. Для измерения уровня паросодержания в контейнере 152 модели-аналога 40 используется телевизионная камера 52 и оптический осветитель 51 - источник подсвечивающего оптического излучения. Осветитель 51 и телевизионная камера 52 установлены на одной оптической оси, параллельной оптическим осям оптических датчиков поз. 41-46. Пучок света, сформированный осветителем 51, проходит через водную среду в контейнере 152. Для прохождения светового пучка в контейнере 152 предусмотрены оптические иллюминаторы 53, 54. Телевизионная камера 52 снабжена объективом, который строит на фоточувствительной площадке приемной матрицы телекамеры изображение всей трассы прохождения светового пучка вдоль оптической оси. При этом телекамера регистрирует изображения всех паровых пузырьков, находящихся в этот момент времени в пределах светового пучка. Изображение этой сцены в цифровой форме поступает в блок обработки информации 71. В последнем по специальной программе осуществляется обработка по отдельности каждого кадра изображения, поступающего от телевизионной камеры 52. При этом осуществляется оконтуривание изображений отдельных паровых пузырьков и подсчет их количества в одном текущем телевизионном кадре. Далее рассчитывается средняя величина N1 количества паровых пузырьков путем усреднения количества пузырьков в нескольких кадрах за некоторый фиксированный промежуток времени. Полученная величина принимается за оценку уровня паросодержания в модели-аналоге ядерного реактора 40. Далее в режиме тестирования лазерной измерительной системы осуществляется измерение уровня паросодержания в модели-аналоге 40 посредством четвертого, пятого и шестого оптических датчиков (поз. 41-46), размещенных внутри контейнера 152 фиг. 1. Для осуществления этого процесса измерения оптические переключатели 11, 29, 30, а также оптический переключатель 18 переключаются в направление передачи оптических (лазерных) излучений на оптические входы адаптеров волокна 37, 38, 39, а также в направлении адаптера волокна 60 в оптическом переключателе 18. Измерение осуществляется с помощью тех же фотоприемных блоков 16, 34, 35 аналогичным образом, как это изложено выше для процесса измерения с помощью первых трех оптических датчиков. В блоке обработки информации 71 образуется информация о параметрах уровней лазерного излучения, зафиксированных оптическими датчиками 41-46 в модели-аналоге 40 и соответствующая этим параметрам оценка величины паросодержания N1, измеренная с помощью телевизионной камеры 52 в модели-аналоге 40. Далее в блоке обработки информации 71 осуществляют сравнение параметров ЛИ, измеренного оптическими датчиками в модели-аналоге 40, и параметров лазерного излучения, измеренного первыми тремя оптическими датчиками в теплоносителе ядерного реактора. На основании этого сравнения выносят суждение об уровне паросодержания в теплоносителе ядерного реактора в месте расположения указанных первых трех оптических датчиков. При небольшом различии параметров ЛИ, зарегистрированных датчиками в теплоносителе и датчиками в модели-аналоге 40 (менее 15%), принимается решение о принятии для уровня оценки паросодержания в теплоносителе величины, равной величине N1 измеренного уровня паросодержания в модели-аналоге 40. При большем различии измеренных параметров лазерного излучения осуществляют изменение уровня парообразования в модели-аналоге 40, путем изменения уровня нагрева нагревательным элементом 47 и изменением уровня возбуждения ультразвуковых волн с помощью УЗ возбудителей 48,49 и осуществляют повторное измерения паросодержания в модели-аналоге 40. На этом цикл измерения паросодержания в теплоносителе ядерного реактора и в модели-аналоге ядерного реактора 40 завершается. В дальнейшем циклы измерения паросодержания в теплоносителе и в модели-аналоге периодически и непрерывно повторяются в процессе работы ядерного реактора. Следует отметить, что процесс моделирования оптических свойств теплоносителя в модели-аналоге 40 осуществляется при нормальном атмосферном давлении в контейнере 152. При этом волоконно-оптические линии (поз. 57, 58, 59 и 62), подключенные к расширителям пучка (поз. 41-46), размещенным внутри контейнера 152, проходят через верхние открытые люки контейнера. В этом случае нет необходимости в использовании проходных втулок (поз. 76 на фиг. 5) для вывода волоконно-оптических линий из контейнера 152.
Важным вопросом, возникающим при использовании предлагаемой лазерной измерительной системы, является вопрос установки оптических датчиков в различных точках ядерного реактора и контура теплоносителя ядерного реактора. Лазерная измерительная система предназначена для использования в водных ядерных энергетических реакторах двух типов: РБМК и ВВЭР. РБМК является реактором с кипящим теплоносителем и здесь применение предлагаемой лазерной системы измерения паросодержания является наиболее важным. Основной вариант использования лазерной системы измерения паросодержания в реакторе РБМК связан с измерением параметров теплоносителя на выходе технологических (топливных) каналов. Здесь целесообразно установление триады оптических датчиков (фиг. 5) - совместное расположение оптических датчиков на малом расстоянии друг от друга. В отдельных точках активной зоны реактора и контура теплоносителя реактора целесообразно устанавливать по одному оптическому датчику, показания которых совместно отражают параметры рабочего режима ядерного реактора в целом.
На фиг. 9 представлена схема энергоблока атомной электростанции с ядерным реактором типа РБМК. Представленные на фиг. 9 и последующих фигурах схемы разработаны с использованием материалов монографий [15], [16], [17], [21]. (терминология и названия отдельных элементов соответствуют указанным монографиям).
На фиг. 9 специальными позициями отмечены элементы и точки схемы РБМК, в которых могут быть установлены оптические датчики предлагаемой лазерной измерительной системы (поз. 95-99). Оптические датчики могут устанавливаться в технологических каналах поз. 96 и в каналах СУЗ 97, а также в главном суммарном трубопроводе 95 на выходе технологических каналов ядерного реактора. Оптический датчик поз.98 установлен на выходном трубопроводе 86 паросепаратора 85 для контроля качества пара, поступающего с выхода паросепаратора на паровые турбины. Оптический датчик целесообразно установить в главном трубопроводе 90 подачи воды на входы технологических каналов поз. 99.
На фиг. 10 представлена схема размещения триады оптических датчиков в трубопроводе байпаса главного суммарного трубопровода, в котором объединены выходы всех технологических каналов контура теплоносителя реактора РБМК. Здесь цифрами обозначены следующие элементы. Выходные трубопроводы технологических каналов поз. 100 объединены в главный суммарный трубопровод поз. 101. Байпас главного суммарного трубопровода обозначен поз. 102. Место расположения триады оптических датчиков обозначено поз. 103. Далее выход главного суммарного трубопровода 101 подсоединен к паровому сепаратору 104, в котором осуществляется отделение пара от воды. Паровая составляющая направляется по трубопроводу 105 в паровую турбину. Водная составляющая по трубопроводу 106 направляется в циркуляционные насосы и вновь поступает в рабочую зону ядерного реактора на входы технологических каналов. Схема расположения триады оптических датчиков в трубопроводе теплоносителя приведена на фиг. 5. Расположение оптических датчиков в главном суммарном трубопроводе позволяет оперативно измерять среднее паросодержание в теплоносителе на выходе ядерного реактора. В соответствии с регламентом работы ядерного реактора эта величина должна составлять 14,5%. Важным параметром является также величина паросодержания в теплоносителе на выходе одного технологического канала. Данная величина составляет согласно регламенту работы ядерного реактора 19,7% [17]. Измерение паросодержания в теплоносителе на выходе технологического канала можно осуществить с помощью оптического датчика, установленного в выходном трубопроводе одного технологического канала поз. 100 на фиг. 10, или в байпасе этого трубопровода. Возможно также установление оптических датчиков непосредственно на тепловыделяющей сборке (ТВС) ядерного реактора.
Как известно, технологический канал РБМК представляет собой вертикальную металлическую трубу из специального сплава, в которой размещена одна тепловыделяющая сборка. Поэтому размещение оптических датчиков на ТВС собственно и является установлением датчиков в технологическом канале ядерного реактора РБМК. Варианты расположения оптических датчиков на тепловыделяющей сборке реактора РБМК представлены на фиг. 11-15. На фиг. 11 представлена схема верхней части ТВС с расположенным в этой части оптическим датчиком проходного типа (поз. 107, 108), а также показаны волоконно-оптические линии 116, 120. На фиг. 12 представлен вид сечения верхней части ТВС, соответствующий фиг. 11. Представлен вид от плоскости сечения А-А вниз. Здесь на фоне сечения верхней части ТВС показано расположение оптического датчика проходного типа. Данный оптический датчик содержит первый расширитель пучка 107, два оптических отражательных зеркала 108, 109 и второй расширитель пучка 110. Первый расширитель пучка 107 является входным расширителем, излучающим пучок зондирующего лазерного излучения. Второй расширитель пучка 110 является выходным расширителем, принимающим пучок лазерного излучения, прошедшего через теплоноситель и направляющим его в волоконно-оптическую линию 116. Элементы оптического датчика укреплены на элементах конструкции 112 ТВС и расположены по окружности. При этом элементы, обеспечивающие закрепление оптического датчика на конструктивных элементах ТВС, не показаны. На фиг. 12 не показаны тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) с целью упрощения чертежа. В результате представленного варианта расположения оптического датчика зондирующий лазерный пучок 115 проходит через три выходных потока распространения теплоносителя (поз. 114) на выходе его прохождения через ТВС в верхней части последнего. При этом обеспечивается измерение паросодержания в теплоносителе непосредственно на выходе ТВС. На фиг. 13 представлена схема сечения верхней части ТВС с размещенными в этой части тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ), обозначенными поз. 118, аналогично обозначению на фиг. 11. Здесь схематично показаны различные конструктивные элементы ТВС, обеспечивающие крепление ТВЭЛов, как например, центральная труба 113 и промежуточная решетка 117. В результате такого расположения и крепления ТВЭЛов в ТВС образуются сквозные каналы поз. 150 для прохождения теплоносителя через всю конструкцию ТВС. По этим каналам осуществляется основной теплоотвод тепловой энергии от ТВЭЛов 118.
Как известно, в реакторе РБМК ТВС состоит из двух частей-секций, закрепленных на едином несущем центральном стержне 119. Между этими секциями имеется пространственный промежуток, в котором целесообразно установить оптический датчик. Такое расположение оптического датчика в междусекционном пространстве ТВС показано на фиг. 14, где представлена схема средней части ТВС с оптическим датчиком проходного типа. На следующей фиг. 15 представлено сечение средней части ТВС и вид вниз от плоскости сечения А-А. Здесь одновременно показаны и тепловыделяющие элементы поз.118, размещенные в нижней части ТВС. Нумерация одинаковых элементов является единой на фиг. 11 - фиг. 15. Полное обозначение всех элементов на фиг. 11 - фиг. 15 представлено выше вместе с перечнем иллюстраций фиг. 1 - фиг. 18. Расположение оптических датчиков в средней части ТВС, как это показано на фиг. 14-15, позволяет осуществить измерение паросодержания в самом центре ТВС, что обеспечивает ценной информацией о параметрах теплоносителя и паросодержания в центре активной зоны ядерного реактора. Элементы крепления оптических датчиков к элементам конструкции ТВС не показаны. Следует отметить, что в указанных точках ТВС на фиг. 11-15 могут быть также расположены оптические датчики отражательного типа, рассмотренные выше. В этом случае вместо отражательных зеркал поз. 108, 109 на фиг 11-15 устанавливаются оптические отражатели, аналогичные отражателям поз. 15 и 21 на фиг. 1, выполненные на основе матриц уголковых отражателей. Расширители пучка поз. 107, 110 в этом случае обеспечивают излучение зондирующих лазерных импульсов и прием лазерных импульсов, отраженных от соответствующих оптических отражателей.
В реакторе типа РБМК целесообразно установить оптический датчик для контроля состояниям воды, заполняющей каналы в системе управления и защиты (СУЗ). Расположение оптического датчика в канале СУЗ показано на фиг. 16. Здесь изображены корпус канала СУЗ поз. 124, снабженный сливным клапаном 123. В верхней части канала СУЗ расположен стержень СУЗ 126, показанный в первом рабочем состоянии в полностью выдвинутом положении. Стержень СУЗ состоит из двух частей: вытеснителя 127, содержащего графит, и поглотителя нейтронов на основе соединений бора 128. Для обеспечения охлаждения канал СУЗ заполняется водой. Во втором рабочем состоянии стержень СУЗ вдвигается в активную зону реактора на длину вытеснителя 126. В режиме останова реактора стержень СУЗ вдвигается до нижней отметки - до упора 134. При этом нижнем положении стержня СУЗ в активной зоне реактора размещается поглощающая часть 128. Расширитель пучка 132 оптического датчика расположен в нижней части канала СУЗ ниже отметки 134, до которой опускается стержень СУЗ. В нижней части стержня СУЗ расположен оптический отражатель 131 оптического датчика. Это позволяет осуществлять контроль состояния всего столба воды (теплоносителя), заполняющего канал СУЗ в первом рабочем состоянии, и своевременно получать информацию о наступлении тепловой перегрузки данного канала реактора при наличии излишне высокого паросодержания. Как известно на чернобыльской АЭС отсутствовали датчики паросодержания теплоносителя. Вследствие этого при тепловой перегрузке реактора уровень паросодержания в теплоносителе достиг недопустимо высокой величины, при которой в канале СУЗ возникли трудности с опусканием стержня СУЗ для заглушения реактора из-за высокого давления пара.
Таким образом, как показано выше оптические датчики лазерной измерительной системы могут быть установлены в различных технологических зонах ядерного энергетического реактора РБМК и обеспечивать непрерывный оперативный мониторинг режима работы данного реактора в реальном масштабе времени. Оптические датчики могут быть установлены в любом месте нахождения и движения теплоносителя, включая активную зону реактора, при наличии небольшого места для их расположения. Так, например, оптические датчики могут быть установлены в сквозных каналах ТВС поз. 150 фиг. 15. Следует отметить целесообразность установления оптического датчика поз. 98 на выходе паросепаратора 95 для контроля качества пара, поступающего на паровые турбины фиг. 9.
Лазерная система измерения паросодержания в теплоносителе предлагается для использования в составе водного реактора типа ВВЭР. Реакторы типа ВВЭР являются водными корпусными реакторами, в которых тепловыделяющие сборки расположены в едином высокопрочном корпусе и охлаждаются общим потоком водного теплоносителя.
В реакторе ВВЭР тепловыделяющие сборки (ТВС) расположены в активной зоне вместе с несколькими штатными измерительными каналами. При этом в промежутках между ТВС имеется возможность установки дополнительных измерительных каналов, включающих оптические датчики. На фиг. 17 показан такой дополнительный измерительный канал в активной зоне ВВЭР, расположенный вблизи от тепловыделяющей сборки, обозначенной поз. 135. Данный измерительный канал включает оптический датчик отражательного типа на основе расширителя пучка 136 и оптического отражателя 137, укрепленных на несущей штанге поз. 138. Оптический отражатель 137 снабжен обтекателем поз. 139. Несущая штанга 138 установлена таким образом, что зондирующий лазерный пучок проходит в прямом и обратном направлениях непосредственно вблизи поверхности ТВС 135. Оптический датчик на фиг. 17 контролирует всю зону теплоносителя вдоль поверхности ТВС 135. Волоконно-оптическая линия 140 выводится из активной зоны реактора в верхней его части через главный разъем реактора. Несущая штанга, как и ТВС, установлены и закреплены в нижней части активной зоны реактора. Стрелками показано направление движения теплоносителя в активной зоне ВВЭР. Преимуществом такого расположения оптического датчика вблизи поверхности ТВС является возможность контролирования парообразования вблизи поверхности ТВС, что особенно важно для предотвращения разрушения поверхности ТВС, вызываемого наличием поверхностной паровой пленки. Оптический датчик поз. 136, 137 эквивалентен оптическому датчику поз. 20, 21 на фиг. 1. На фиг. 18 показан вариант оптического датчика, обеспечивающего измерение параметров теплоносителя при перпендикулярных направлениях движения теплоносителя и зондирующего лазерного пучка. На несущей штанге поз. 141 здесь закреплены расширитель пучка 142, оптический отражатель 143 и дополнительное отражательное зеркало 144, обеспечивающее поворот оптической оси на 90 градусов. При этом проходящий в прямом и обратном направлениях зондирующий лазерный пучок проходит через более широкую часть распространяющегося снизу потока теплоносителя. Оптический датчик снабжен обтекателями поз. 145 и 146. Волоконно-оптическая линия 147 выводится из активной зоны реактора через его верхнюю часть. Данный оптический датчик устанавливается в активной зоне реактора на некотором фиксированном расстоянии от ТВС поз. 148 и на любой высоте от основания реактора. Таким образом, оптические датчики могут быть установлены в различных точках активной зоны ВВЭР в том числе непосредственно вблизи рабочей поверхности ТВС и обеспечивают непрерывный мониторинг в реальном времени состояния паросодержания теплоносителя. Оптические датчики могут быть установлены также в любой точке первого контура теплоносителя ВВЭР для контроля как паросодержания, так и определения концентрации борной кислоты, входящей в состав теплоносителя в водных реакторах типа ВВЭР. Следует отметить, что расположение оптических датчиков непосредственно в потоке теплоносителя является более простым техническим вариантом осуществления лазерной измерительной системы, нежели использование специальной измерительной кюветы с оптическими окнами-иллюминаторами, аналогично используемым в прототипе [11]. Тем не менее, в некоторых случаях возникает необходимость установления оптических датчиков вне трубопровода теплоносителя, например, в различных вспомогательных трубопроводных линиях. Такой вариант установки оптического датчика вне трубопровода теплоносителя представлен на фиг. 19. В этом варианте для осуществления контроля параметров теплоносителя с помощью оптического датчика трубопровод теплоносителя 66 снабжен оптическими иллюминаторами поз. 153 и 154. В этом варианте могут быть использованы датчики, как отражательного типа, так и проходного типа, а также возможно совместное расположение нескольких оптических датчиков, аналогичное представленному на фиг. 1 и фиг. 5.
Далее приведен анализ метода определения паросодержания на основе просвечивания теплоносителя зондирующим лазерным излучением. При просвечивании пароводяной смеси импульсом зондирующего лазерного излучения фотоприемник (фотоприемный блок) регистрирует уменьшение интенсивности импульса ЛИ вследствие рассеяния на пузырьках пара, присутствующих в теплоносителе.
Оценим толщину слоя пароводяной смеси, которую можно просветить пучком лазерного излучения. Для данной оценки достаточно рассмотреть пароводяную смесь с пузырьками пара одинакового размера, так называемую монодисперсную смесь. Для этого представим величину, называемую сухостью пара [16] и обозначаемую как х в виде
где ρs - плотность сухого пара на линии насыщения (кг/м3), ρw - плотность воды на линии насыщения (кг/м3), Vb - объем пузырька пара (м3), Сb - концентрация пузырьков (м-3).
Из представленного выражения для сухости пара можно выразить произведение VbCb:
где β(х) - объемное паросодержание [17, С. 69], или как его еще называют расходное паросодержание [18, С. 89].
Как известно в случае монодисперсной среды оптическая толща среды τ определяется как [19, С. 25, 26]
где Db - диаметр пузырьков пара, Q - фактор эффективности ослабления зондирующего лазерного излучения, [19, С. 21], 
- толщина слоя пароводяной смеси. Данная величина равна удвоенному расстоянию между элементами поз. 14 и 15 в первом оптическом датчике на фиг. 1 и соответствует расстоянию между элементами поз. 22 и 23 в третьем оптическом датчике на фиг. 1.
Фактор эффективности ослабления зависит от параметра дифракции α=πDb/λ, где λ - длина волны зондирующего лазерного излучения. При α>30 фактор эффективности ослабления практически постоянен: Q=const=2 [19, С. 24]. При длине волны лазерного излучения λ=0,5×10-6 м фактор эффективности выходит на свое асимптотическое значение, равное 2, при размере рассеивающих частиц ~5 мкм. В пароводяном потоке в зависимости от паросодержания перемещаются пузырьки пара разного размера диаметром от нескольких микрометров до нескольких миллиметров [18, С. 83]. Следовательно, при рассеянии на пузырьках пара следует положить Q=2. Подставляя это значение в формулу (3), получаем
Если на слой пароводяной смеси падает лазерный импульс с энергией Е0, то на выходе из слоя, энергия импульса станет равной
Эта энергия регистрируется фотоприемником. Фотоприемник входит в состав фотоприемных блоков поз. 16, 34 и 35 на фиг. 1.
Из соотношения (5) следует соотношение для числа фотонов на входе и выходе пароводяного слоя
где 
- число фотонов на входе, а 
- число фотонов на выходе пароводяного слоя, 
- энергия кванта лазерного излучения. Из (6) следует, что
Из (7) видно, что чем чувствительнее фотоприемное устройство, тем более толстый слой пароводяной смеси может быть просвечен. Современные фотоприемные устройства способны регистрировать отдельные фотоны. Полагая отношение сигнал/шум равным 25, а энергию лазерных импульсов Е0=100 мДж, получим при длине волны лазерного излучения λ=0,5×10-6 м
На фиг. 20 показана зависимость β(х), рассчитанная для пароводяной смеси реактора РБМК. Для ее расчета использовались значения плотности воды и пара на линии насыщения, приведенные в таблицах [20, С. 102], и взятые при среднем по длине технологического канала (ТК) значении давления. Как известно [21, С. 12] на входе ТК и на выходе ТК температура воды составляет 270 и 284,5°С, соответственно давление 79,6 и 75,3 кг/см2. Т.к. в таблицах [20, С. 102] давление выражено в барах, а 1 кг/см2=0,980665 бар, то пересчитав давление в бары, получим на входе ТК и на выходе ТК 78,06 и 73,84 бар. Среднее значение давления равно 75,95 бар. При этом давлении плотность воды на линии насыщения ρw=729,7 кг/м3, а плотность сухого пара ρs=40,09 кг/м3.
Из рисунка на фиг. 20 видим, что при всех значениях х β≤1. Поэтому толщина пароводяного слоя, как следует из формулы (8), не меньше, чем 12Db. В экспериментах, моделирующих процесс парообразования в технологическом канале с помощью воздушноводяной смеси, диаметр пузырьков воздуха составлял от 2 до 15 мм [18, С. 87]. В пароводяном потоке, как отмечалось выше, в зависимости от паросодержания имеются пузырьки пара разного размера диаметром от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.
Следует отметить, что из-за движения воды истинное объемное паросодержание, обозначаемое как правило буквой ϕ, отличается от β из-за уноса пузырьков восходящим потоком воды [18, С. 83]. Для определения ϕ существует много теоретических зависимостей для определения истинного паросодержания ϕ при восходящем пароводяном адиабатном потоке [18, С. 89; 7; 8]. Для расчета истинного паросодержания в ТК реактора РБМК используется формула [18, С. 91; 17, С. 69]
где K - коэффициент проскальзывания фаз:
dг=4S/П и S - гидравлический диаметр сечения и его площадь для прохода теплоносителя, П - смоченный периметр сечения, g=9,81 м/с2 - ускорение свободного падения, w0=G/(ρwS) - скорость циркулирующего теплоносителя, G - массовый расход теплоносителя, Р - давление пароводяной смеси, Ркр=225 кг/см2=220,65 бар.
Как известно [18, С. 15] параметры технологического канала (ТК) следующие: внутренний диаметр ТК dТК=80 мм; диаметр ТВЭЛ dТВЭЛ=13,6 мм; диаметр центральной трубы dЦТ=14,5 мм; максимальный массовый расход теплоносителя G=7,764 кг/с [17, С. 50]. Используя приведенные параметры, находим:
П=π(dТК+18dТВЭЛ+dЦТ)=1,06×103 мм;
dг=8,44 мм; w0=4,74 м/с.
Рассчитанное при этих параметрах истинное паросодержание ϕ показано на фиг. 20: кривая 2 в технологическом канале максимальной мощности, кривая 3 в канале 50% мощности от максимальной.
Из фиг. 20 видно, что истинное паросодержание может существенно отличаться от расходного. Формулу (8) при этом следует записать в виде
Т.к. ϕ≤1, то полагая Db ~5 мм, получим, что 
не менее 60 мм, что вполне достаточно для просвечивания ТК.
Далее на основе изложенного можно решить задачу измерения сухости пара, а, следовательно, и его влажности, обозначаемой как у=1-х, по ослаблению интенсивности или энергии импульсов зондирующего лазерного излучения, проходящего через пароводяную смесь (теплоноситель). Используя формулы (5) и (4), в которой вместо β теперь будет фигурировать ϕ, получаем
откуда можем найти сухость пара, построив функцию обратную к (12):
На фиг. 21 в качестве примера показана эта функция для случая мощности, равной 50% от канала максимальной мощности (кривая 1). Кроме того для этого же случая показана зависимость влажности пара у=1-х от истинного паросодержания 
.
Функцию, описывающую сухость (влажность) пара пароводяной смеси ядерного реактора в зависимости от измеренного истинного значения паросодержания можно получить аналитически, что важно для обработки результатов измерения с помощью ЭВМ. Для этого заметим, что формула (9) может быть представлена в виде [18, С. 89]
Вводя в формуле (10) для упрощения выкладок обозначение
представим K в виде
и подставим в (14). В результате получим относительно β алгебраическое уравнение третьей степени вида
Как известно [24, С. 43], алгебраические уравнения третьей степени разрешимы в радикалах. Используя теперь формулу (2), сухость пара можно выразить через β в виде
и подставив сюда решение для β получим аналитическую зависимость сухости либо влажности у=1-х пара от измеренного значения ϕ.
В случае полидисперсной среды (12) будет иметь вид
где 
- средний объемно-поверхностный диаметр пузырька (диаметр Соттера) [19, С. 16], ƒ(Db) - дифференциальная функция счетного распределения пузырьков пара по размерам, которая определена таким образом, что
где 
- вероятность того, что диаметр пузырьков лежит в интервале 
, 
[19, С. 13].
Таким образом, влажность пароводяной смеси в любом месте реактора, где расположены оптические датчики, можно определить на основании представленных формул и графиков по измеренному ослаблению энергии лазерного излучения Е, регистрируемого фотоприемным блоком.
Для обработки полученных результатов измерения с помощью ЭВМ решение алгебраического уравнения третьей степени, составленного для соответствующей мощности технологического канала и измеренного ослабления энергии лазерного излучения,
записывается в виде радикалов и подставляется в выражение
в результате чего ЭВМ выдает значение влажности у пароводяной смеси.
Таким образом, в блоке обработки информации поз. 71 на фиг. 1 реализуется следующий алгоритм обработки информации, поступающей от фотоприемных блоков 16, 34 и 35. Для каждого из оптических датчиков обработка информации осуществляется индивидуально. От соответствующего фотоприемного блока в блок 71 поступает информация о величине энергии Е импульса ЛИ, прошедшего через слой теплоносителя. Одновременно от соответствующего измерителя лазерного излучения (поз. 3 или 4) поступает информация об исходном уровне энергии импульса зондирующего лазерного излучения E0. Далее на основании этой информации по приведенным выше формулам и параметрам режима работы ядерного реактора (давление, температура и т.п.) определяются следующие параметры паросодержания теплоносителя:
β - объемное паросодержание
ϕ - истинное объемное паросодержание.
х - сухость пара.
у=1-х - влажность пара.
Следует отметить, что основным измеряемым параметром теплоносителя ядерного реактора здесь является последний параметр у - так называемая влажность пара, представляющая собой массовую долю водяных капель в единице массы теплоносителя. Величина у является основным контролируемым параметром паросодержания и составляет (согласно регламенту) на выходе активной зоны ядерного реактора ~ 14%. Указанные измеренные параметры паросодержания от блока обработки информации 71 поступают на центральный пульт управления ядерным реактором. Аналогичным образом в блоке обработки информации осуществляется измерение паросодержания в контейнере модели-аналога ядерного реактора 40 фиг. 1. При этом учитываются параметры температуры, давления и скорости перемещения пароводяной смеси, задаваемое вентилятором и ультразвуковым возбудителем. Величина давления может соответствовать атмосферному давлению при открытых верхних люках контейнера 152. Возможно использование специального контейнера модели-аналога, в котором реализуется специальный заданный уровень давления, соответствующий реальному давлению в ядерном реакторе. При этом осуществляется контроль паросодержания оптическим методом с помощью телевизионной камеры и оптического осветителя. Этим реализуется дополнительный контроль паросодержания в модели-аналоге ядерного реактора. В блоке обработки информации 71 осуществляется непрерывное сравнение параметров паросодержания, измеренных одинаковыми оптическими датчиками в теплоносителе ядерного реактора и в модели-аналоге ядерного реактора. Это позволяет повысить точность и достоверность получаемых результатов измерения параметров теплоносителя ядерного реактора. Дополнительным фактором повышения точности измерения паросодержания и надежности получаемых результатов является одновременное использование рядом расположенных трех оптических датчиков и одновременное измерение этими датчиками бокового рассеянного излучения наряду с измерением ослабления прямого проходящего зондирующего лазерного излучения.
Лазерная измерительная система разработана на основе средств современной лазерной техники и оптоэлектроники и имеет в своем составе элементы и изделия, освоенные и выпускаемые промышленностью. В измерительной системе использованы лазерные генераторы видимого диапазона длин волн и ультрафиолетового диапазона длин волн, генерирующие импульсное лазерное излучение, непрерывное лазерное излучение, а также обеспечивающие перестройку генерируемого лазерного излучения в пределах всего видимого диапазона длин волн (лазерный генератор поз. 2) в различных вариантах выполнения и построения лазерной измерительной системы. Изменение параметров генерируемого лазерного излучения, а также включение и выключение лазерных генераторов осуществляется по командам от блока управления. В качестве фотоприемных блоков использованы высокочувствительные фотоприемные устройства видимого диапазона на основе, например, фотоэлектронных умножителей, или полупроводниковых диодов. Фотоприемные блоки содержат фотоприемники, усилители и блоки оцифровки принимаемых сигналов. Управляемые оптические фильтры выполнены на основе акустооптических кристаллов, в которых с помощью пьезоэлементов возбуждаются ультразвуковые акустические волны. Возбуждение акустических волн осуществляется с помощью электрического генератора высокой частоты, входящего в состав управляемого оптического фильтра. Взаимодействие проходящего через акустооптический кристалл лазерного излучения с возбужденной ультразвуковой волной обеспечивает фильтрацию лазерного излучения на фиксированной длине волны, определяемой длиной волны ультразвука. Этим обеспечивается пропускание принимаемого лазерного излучения с длиной волны, генерируемой лазерным генератором, и фильтрация помеховых оптических излучений, возникающих при работе ядерного реактора. Управляемые оптические фильтры, имеющие также название спектральных перестраиваемых фильтров, выпускаются промышленностью [13], [14]. Оптические затворы и оптические переключатели выполняются на основе оптических диафрагм и выносных зеркал, перекрывающих световой поток или вносимых в световой поток с помощью управляемых шаговых электродвигателей. Возможно также использование акустооптических ячеек на основе акустооптических кристаллов, работающих в режиме перекрывания или переключения проходящего светового потока. Важными элементами предлагаемой лазерной системы измерений являются волоконно-оптические линии, сопряженные с адаптерами волокна и расширителями пучка. В настоящее время промышленностью выпускается широкий ассортимент волоконно-оптических линий и сопутствующих элементов - адаптеров волокна, обеспечивающих сопряжение волокна с распространяющимся лазерным пучком. Расширитель пучка является адаптером волокна, обеспечивающим формирование более широкого по сечению пучка лазерного излучения. Адаптеры волокна и расширители пучка имеют одинаковый состав. Схема расширителя пучка, помещенного в специальный водонепроницаемый бокс, приведена на фиг. 8. Собственно расширитель пучка представляет собой линзу поз. 77, в фокусе которой размещен выходной торец волоконно-оптической линии 78. Корпус 79 водонепроницаемого бокса заканчивается плоским выходным защитным стеклом 80, вплотную с которым размещена линза 77 расширителя пучка. Возможно выполнение расширителя пучка без защитного стекла, функции которого выполняет сама линза. Внутренний объем бокса заполняется инертным газом. Промышленностью выпускаются волоконно-оптические линии, работающие в условиях высокого уровня радиации, а также высоких температур и давлений окружающей среды. Промышленностью также освоены оптические элементы - линзы и объективы, работающие в условиях радиации и повышенных давлений и температуры. Таким образом, в настоящее время не представляет проблем создание оптических датчиков, пригодных для работы в условиях активной зоны ядерного реактора. Не представляет также проблем создание элементов вывода волоконно-оптической линии из трубопровода теплоносителя, или из корпуса ядерного реактора (выводная втулка поз. 76 на фиг. 5). Модель-аналог 40 ядерного реактора выполнена на основе заполненного водой контейнера (поз. 152 на фиг. 1), расположенного вне зоны действия радиации и работающего в условиях обычного атмосферного давления. Вследствие работы модели-аналога в обычном атмосферном давлении волоконно-оптические линии, связывающие оптические датчики с оптическими измерительными блоками, выводятся из контейнера 152 через его верхние открытые люки без использования проходных втулок. Необходимый уровень парообразования в контейнере достигается за счет электрического нагревателя. Возможно использование специального контейнера, адаптированного для работы в условиях высокого давления и температуры и полностью воспроизводящего параметры теплоносителя в ядерном реакторе, кроме наличия радиации. Ультразвуковые возбудители 48, 49 выполнены на основе пъезоэлементов, спроектированных и предназначенных для работы в водной среде с повышенной рабочей температурой. Оптический осветитель 51 содержит источник света и конденсор, формирующий параллельный световой поток. Возможно использование в качестве осветителя лазерного генератора, снабженного расширителем пучка.Телевизионная камера 52 содержит объектив, многоэлементную фотоприемную матрицу и блок оцифровки сигналов с выхода матрицы. В качестве блока обработки информации использован высокопроизводительный компьютер, снабженный специальной программой обработки телевизионных изображений, выделения контуров изображений и подсчета обработанных элементов - изображений отдельных локализованных пузырьков пара. Такие методы и программы обработки изображений известны и применяются, например, в лазерной локации [12]. В качестве блока управления использован стандартный компьютер, снабженный блоками сопряжения для связи с набором управляемых элементов и устройств лазерной системы измерений. В качестве блока быстрого преобразования Фурье (БПФ) 67 использован специализированный высокопроизводительный процессор, снабженный специальной программой выполнения цифрового быстрого Фурье-преобразования временных сигналов с выхода фотоприемного блока. Блок обработки информации снабжен дисплеем, на котором отображаются результаты обработки поступающей информации и параметры паросодержания теплоносителя в различных точках реактора, в которых установлены оптические датчики лазерной системы измерений. Результаты измерений от блока обработки информации передаются также на центральный пульт управления ядерного реактора.
Предлагаемая лазерная система измерения паросодержания предназначена для использования в водных ядерных реакторах двух типов: РБМК и ВВЭР. В обоих ядерных реакторах в качестве теплоносителя используется вода. Конструкция и режимы работы реакторов имеют существенные различия. Это обусловливает особенности в установке оптических датчиков лазерной измерительной системы в рабочих зонах ядерных реакторов. РБМК является одноконтурным реактором с кипящим теплоносителем, в котором пар образуется непосредственно в активной зоне реактора. РБМК состоит из множества технологических (топливных) каналов, в каждом из которых установлена одна тепловыделяющая сборка (ТВС), через которую проходит вода теплоносителя под воздействием мощных циркуляционных насосов. Выходы всех технологических каналов объединяются в главном суммарном трубопроводе и поступают на паровой сепаратор, отделяющий образованный в технологических каналах пар от воды. Далее пар из паросепаратора поступает в паровые турбины, вращающие электрогенераторы, а вода с выхода паросепаратора поступает в циркуляционные насосы, из которых вода поступает вновь на входы технологических каналов. Таким образом, начало парообразования в данных типах реакторов осуществляется в технологических каналах реактора. Такая схема работы РБМК (фиг. 9) определяет особую важность измерения уровня паросодержания во всех точках циркуляции теплоносителя в активной зоне ядерного реактора - в местах образования пара в технологических каналах РБМК. В предлагаемой лазерной системе оптические датчики могут быть установлены во всех указанных ответственных местах активной зоны ядерного реактора и его контура теплоносителя. При этом оптические датчики могут быть установлены в нескольких выбранных технологических каналах ядерного реактора, например, в ряде центральных каналов, и в ряде периферийных каналов в активной зоне ядерного реактора. Это позволит получать достаточно достоверную картину о режиме работы и парообразования в целом в технологических каналах ядерного реактора. Возможна установка оптических датчиков лазерной системы в каждом из имеющихся технологических каналов ядерного реактора. Это позволит получать наиболее полную картину парообразования и режимов работы каждого из имеющихся технологических каналов и оперативно реагировать на какие-либо отклонения от стандартного режима работы каждого отдельного технологического канала. Установка оптических датчиков в главном суммарном выходном трубопроводе технологических каналов (или байпасе главного суммарного трубопровода) позволяет получать важную информацию о режиме работы всего ядерного реактора. Следует отметить возможность установки оптических датчиков на выходе паросепаратора для оценки параметров пара, поступающего на паровые турбины, а также на втором водном выходе паросепаратора для оценки параметров паросодержания в обратном потоке теплоносителя на входах в технологические каналы. Данная оценка может служить опорным уровнем для измерения паросодержания в технологических каналах. Для обеспечения работы дополнительно нескольких оптических датчиков в лазерную систему следует дополнительно включить соответствующее количество оптических переключателей и оптических затворов, соответствующим образом соединенных с вновь дополнительно введенными оптическими датчиками. При этом лазерные генераторы и фотоприемные блоки остаются в прежнем количестве.
Таким образом, использование предлагаемой лазерной системы измерения паросодержания в системе РБМК в различных точках контура теплоносителя реактора, а также в активной зоне реактора при установке оптических датчиков в технологических каналах и в каналах СУЗ позволяет существенно повысить объем информации о режиме работы и параметрах состояния теплоносителя и активной зоны РБМК и, на основании этого, повысить безопасность работы ядерного реактора данного типа.
Использование предлагаемой лазерной системы измерений в реакторах типа ВВЭР также позволяет повысить эффективность работы и безопасность эксплуатации данных реакторов. Как известно, ВВЭР являются корпусными двухконтурными реакторами, в которых парообразование осуществляется парогенераторами, связанными со вторым контуром теплоносителя. В первом контуре теплоносителя образование пара недопустимо, так как это приводит к снижению эффективности работы реактора, ухудшению теплосъема с ТВС, разрушению поверхностного слоя ТВС и снижению сроков службы ТВС. Поэтому установка оптических датчиков в активной зоне ВВЭР непосредственно вблизи поверхности ТВС позволяет получить важную информацию о режиме работы реактора в его активной зоне и своевременно предупредить о появлении даже небольших количеств пара в поверхностном слое ТВС. Оптические датчики целесообразно установить во втором контуре ВВЭР, а также на выходе парогенератора для получения информации о параметрах и качестве пара, поступающего далее на паровые турбины. В настоящее время осуществляется проектирование корпусных реакторов ВВЭР с кипящим теплоносителем в активной зоне реактора. Такие реакторы совмещают преимущества реакторов РБМК и ВВЭР двухконтурного типа, в частности для работы АЭС с такими реакторами не требуется использование парогенераторов. Однако для обеспечения эффективности и безопасности работы реакторов данного типа весьма важное значение имеет получение точной и достоверной информации о параметрах паросодержания в различных точках активной зоны реактора и теплоносителя. Для решения этой задачи целесообразно использовать предлагаемую лазерную систему измерений, которая обеспечивает получение данной информации путем размещения оптических датчиков в различных точках активной зоны ядерных реакторов данного типа.
Следует отметить возможность и перспективность использования предлагаемой лазерной системы измерений для контроля качества пара, поступающего с выхода паросепаратора на паровые турбины. Для реализации измерения качества пара оптические датчики лазерной системы измерений могут быть установлены в паропроводе на входе в паровые турбины, а также в точках технологического контроля внутри паровой турбины.
По материалам данной заявки проведены теоретический анализ и математическое моделирование процесса прохождения зондирующего лазерного излучения через пароводяную смесь теплоносителя и измерения на этой основе паросодержания в теплоносителе с параметрами, соответствующими действующему ядерному реактору. Проведены натурные экспериментальные исследования модели-аналога ядерного реактора. Проведенные исследования подтвердили обеспечение высокой точности измерения паросодержания в теплоносителе на основе метода зондирования теплоносителя лазерным излучением, реализованного в предлагаемой лазерной измерительной системе.
В представленной заявке на изобретение следует отметить следующие два фактора новизны изобретения. Во-первых, в качестве новизны следует отметить реализацию оперативного измерения паросодержания теплоносителя методом просвечивания теплоносителя зондирующим лазерным излучением в любой точке контура теплоносителя в том числе в активной зоне реактора типа РБМК, а также типа ВВЭР. При этом важным фактором является вынос измерительной аппаратуры из технической зоны ядерного реактора посредством волоконно-оптических линий. Во-вторых, в качестве новизны следует отметить существенное увеличение информативности при измерении характеристик теплоносителя ядерного энергетического реактора. В предлагаемой лазерной измерительной системе реализована возможность использования нескольких оптических датчиков, размещаемых в различных точках теплоносителя и активной зоны ядерного реактора. Указанные оптические датчики осуществляют непрерывный и постоянный мониторинг оптических параметров теплоносителя в различных режимах работы ядерного реактора на протяжении всего времени его работы от начала загрузки ТВС до завершения выгорания ядерных материалов. При этом накапливается большое количество информации об оптических параметрах теплоносителя ядерного реактора на протяжении всего времени его функционирования. Образуется информационный портрет состояния оптических параметров теплоносителя в различных стадиях и циклах работы ядерного энергетического реактора. Данная информация представляет значительный интерес и позволяет повысить эффективность управления ядерным реактором, увеличить безопасность его работы.
Предлагаемая лазерная система измерений обеспечивает высокую точность и достоверность получаемой информации о паросодержании в теплоносителе ядерного реактора. Это обеспечивается использованием оптического метода измерений параметров зондирующего лазерного излучения, прошедшего через теплоноситель в различных точках активной зоны ядерного реактора и контура теплоносителя. Высокая точность обеспечивается применением современных мощных лазерных генераторов видимого диапазона длин волн и высокочувствительных фотоприемных блоков. Это обеспечивает возможность регистрации одного единичного парового пузырька в теплоносителе в зоне прохождения зондирующего лазерного излучения. Дополнительная информативность обеспечивается использованием лазерных генераторов с перестройкой длины волны генерируемого излучения и измерения спектрального пропускания теплоносителя в широком диапазоне длин волн. Предлагаемая лазерная измерительная система обладает высокой помехоустойчивостью и защищенностью от всех видов помех и электромагнитных воздействий, имеющих высокий уровень в условиях ядерного реактора. Это обусловлено использованием волоконно-оптических линий и собственно лазерного излучения, характеризующегося отсутствием взаимодействия фотонов с окружающим электромагнитным полем и радиационно-нейтронным излучением. Обеспечению высокой помехозащищенности способствует вынос собственно измерительной аппаратуры из зоны действия ядерного реактора. Важным фактором повышения точности и достоверности измерения паросодержания является использование модели-аналога ядерного реактора, с помощью которой осуществляется моделирование и создание водной среды (эталонной субстанции), оптические параметры которой соответствуют оптическим параметрам реального теплоносителя в ядерном реакторе. Важной информацией о режимах работы ядерного реактора является информация о характере временного спектра пропускания теплоносителя, получаемая с помощью блока быстрого Фурье-преобразования (БПФ). Важным преимуществом предлагаемой лазерной системы измерений является использование волоконно-оптических линий, позволяющих вынести измерительную аппаратуру за пределы технической зоны реактора на расстояние порядка 1000 метров и более. В активной зоне реактора устанавливаются только простые оптические датчики, соединенные волоконно-оптическими линиями с измерительной аппаратурой. Указанные оптические датчики и волоконно-оптические линии адаптированы для работы в условиях радиации, высоких давлений и температур. Таким образом, предлагаемая лазерная система измерений обеспечивает непрерывно получаемой информацией о важных параметрах работы активной зоны и теплоносителя ядерного реактора, а также своевременным получением информации о недопустимых или аварийных параметрах теплоносителя в технологических каналах активной зоны ядерного реактора. Можно утверждать, что наличие такой системы измерения паросодержания в Чернобыльском реакторе РБМК позволило бы своевременно получить информацию о начале аварийного увеличения паросодержания и предотвратить тепловой взрыв реактора.
Предлагаемая лазерная система измерений является наиболее адекватным средством решения актуальной проблемы измерения параметров теплоносителя в современных реакторах РБМК и ВВЭР.
Источники информации
1. Патент РФ №2065604 от 20.08.1996 г. Способ и устройство для определения закипания жидкости.
2. Патент РФ №2238547 от 20.10.2004 г. Способ определения пузырькового кипения.
3. Патент РФ №2167457 от 20.05.2001. Способ безынерционного контроля паросодержания в теплоносителе ядерного реактора.
4. Патент РФ №2437176. Опубл. 20.12.2011. Бюл. №35. Способ и канал обнаружения кипения теплоносителя в активной зоне реактора ВВЭР.
5. Патент РФ №2136062 от 27.08.1999 г. Способ определения парового коэффициента реактивности на АЭС с реакторными установками типа РБМК.
6. US 12 / 945 680. 12.11.2010.
7. Патент РФ №2580380, опубл. 10.04.2016, Бюл. №10. Способ и система для контроля качества пара.
8. 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, С. 265-269.
9. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Абсорбционно-спектральный метод контроля характеристик теплоносителя в ядерном энергетическом реакторе. Препринт ФИАН №12. М. 2015 г. 34 с.
10. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Система измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора. Патент РФ №2594364 с приоритетом от 14.05.2015 г. Опубл.: заявка 10.10.2015 г. Патент опубл. 20.08.2016 г. Бюл. №23.
11. Манкевич С.К., Орлов Е.П., Филичкина Л.Л. Система измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя энергетического ядерного реактора. Патент РФ №2606369. Опубл. 10.01.2017. Бюл. №1. (прототип).
12. Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. и др. Способ лазерной локации и локационное устройство для его осуществления. Патент РФ №2249234. Опубл. Бюл. №9. 27.03.2005 г.
13. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акусто-оптики. М.: Радио и связь. 1985. С. 134-234.
14. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника. 1985, Т. 12, №4.
15. Емельянов И.Я. и др. Управление и безопасность ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1985.
16. Турбины тепловых и атомных электростанций. Под ред. А.Г. Костюка и В.В. Фролова. М.: Издательство МЭИ 2001 г. С. 488.
17. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. М.: Атомиздат, 1980. - 208 с.
18. Фёдоров Л.Ф., Рассохин Н.Г. Процессы генерации пара на атомных электростанциях. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 288 с.
19. Архипов В.А. Лазерные методы диагностики гетерогенных потоков. // Под. ред. д.ф.-м.н. И.М. Васенина. Томск.: Издательство Томского университета, 1987. - 141 с.
20. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение, 1967. - 160 с.
21. Шелегов А.С., Лескин С.Т., Слободчук В.И. Физические особенности и конструкция реактора РБМК-1000: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011, - 64 с.
22. Миропольский З.Л., Шнеерова Р.И., Карамышева А.И. Паросодержания при напорном движении пароводяной смеси с подводом тепла и в адиабатических условиях. - Теплоэнергетика, 1971, №5, с. 60-64.
23. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский З.Л. Процессы генерации пара на электростанциях. М.: Энергия, 1969. - 312 с.
24. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Определения, теоремы, формулы. // Пер. со второго американского переработанного издания И.Г. Арамановича, A.M. Березмана, И.А. Вайнштейна, Л.З. Румшиского, Л.Я. Цлафа. Под общей ред. И.Г. Арамановича
1. Лазерная система измерения паросодержания в теплоносителе ядерного энергетического реактора, содержащая первый и второй лазерные генераторы, первый и второй измерители лазерного излучения, первый и второй оптические переключатели, первый адаптер волокна, соединенный с первой волоконно-оптической линией, первый оптический датчик, размещенный в трубопроводе теплоносителя ядерного энергетического реактора и состоящий из последовательно установленных на фиксированном расстоянии друг от друга первого расширителя пучка и первого оптического отражателя, а также содержащая пять полупрозрачных и одно отражательное зеркало, блок управления, подключенный к блоку обработки информации, первый фотоприемный блок, оптически связанный с первым управляемым оптическим фильтром, оптический вход которого посредством полупрозрачного зеркала связан с оптическим входом первого оптического переключателя, установленного на оптической оси первого лазерного генератора, оптические выходы первого и второго лазерных генераторов одновременно оптически связаны посредством первого отражательного и полупрозрачного зеркал с оптическим входом первого оптического переключателя, оптический выход первого оптического переключателя посредством первого адаптера волокна и первой волоконно-оптической линии связан с оптическим входом первого расширителя пучка в первом оптическом датчике, управляющие входы первого и второго оптических переключателей, первого и второго лазерных генераторов и первого управляемого оптического фильтра подключены к блоку управления, первый и второй измерители лазерного излучения подключены к блоку обработки информации, выход первого фотоприемного блока подключен к блоку обработки информации, выходы первого и второго лазерных генераторов посредством полупрозрачных зеркал связаны соответственно со входами первого и второго измерителей лазерного излучения, отличающаяся тем, что введены второй и третий оптические датчики, три оптических затвора, второй и третий фотоприемные блоки, второй и третий управляемые оптические фильтры, третий и четвертый оптические переключатели, блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), семь волоконно-оптических линий, семь адаптеров волокна, оптический осветитель, телевизионная камера, второе отражательное зеркало, два полупрозрачных зеркала и модель-аналог ядерного реактора, содержащая контейнер, заполненный водой, с размещенными в нем четвертым, пятым и шестым оптическими датчиками, нагревательным элементом, датчиком температуры, двумя ультразвуковыми возбудителями и вентилятором, при этом модель-аналог ядерного реактора снабжена входным и выходным оптическими иллюминаторами, второй, четвертый и пятый оптические датчики состоят из расширителя пучка и оптического отражателя, третий и шестой оптические датчики состоят из двух расположенных на одной оптической оси на фиксированном расстоянии друг от друга расширителей пучка, соединенных с волоконно-оптическими линиями, второй и третий оптические датчики расположены совместно с первым оптическим датчиком в трубопроводе теплоносителя ядерного реактора, оптический вход второго фотоприемного блока через второй управляемый оптический фильтр и вновь введенное полупрозрачное зеркало связан с оптическим входом третьего оптического переключателя, первый оптический затвор установлен на оптической оси первого лазерного генератора перед оптическим входом первого оптического переключателя и оптически связывает выходы одновременно первого и второго лазерных генераторов с оптическим входом первого оптического переключателя, оптический вход второго оптического затвора посредством трех полупрозрачных зеркал и первого отражательного зеркала связан одновременно с оптическими выходами первого и второго лазерных генераторов, оптический выход второго оптического затвора оптически связан с оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический вход третьего оптического затвора посредством второго отражательного зеркала, трех полупрозрачных зеркал и первого отражательного зеркала оптически связан одновременно с оптическими выходами первого и второго лазерных генераторов, оптический выход третьего оптического затвора оптически связан с оптическим входом четвертого оптического переключателя, оптический выход третьего оптического переключателя посредством второго адаптера волокна и волоконно-оптической линии связан с оптическим входом второго расширителя пучка второго оптического датчика, оптический выход четвертого оптического переключателя посредством третьего адаптера волокна и волоконно-оптической линии оптически связан с оптическим входом третьего расширителя пучка в третьем оптическом датчике, а второй оптический выход четвертого оптического переключателя посредством шестого адаптера волокна и волоконно-оптической линии оптически связан с седьмым расширителем пучка шестого оптического датчика, размещенного в контейнере модели-аналога ядерного реактора, второй оптический выход первого оптического переключателя оптически связан посредством четвертого адаптера волокна и волоконно-оптической линии с оптическим входом пятого расширителя пучка в четвертом оптическом датчике, размещенном в контейнере модели-аналога ядерного реактора, второй оптический выход третьего оптического переключателя посредством пятого адаптера волокна и волоконно-оптической линии оптически связан с оптическим входом шестого расширителя пучка в пятом оптическом датчике, размещенном в контейнере модели-аналога ядерного реактора, оптический выход четвертого расширителя пучка в третьем оптическом датчике посредством волоконно-оптической линии и восьмого адаптера волокна оптически связан с первым оптическим входом второго оптического переключателя, оптический выход восьмого расширителя пучка шестого оптического датчика оптически связан посредством волоконно-оптической линии и седьмого адаптера волокна со вторым оптическим входом второго оптического переключателя, оптический выход второго оптического переключателя связан с оптическим входом третьего управляемого оптического фильтра, выход которого оптически связан с оптическим входом третьего фотоприемного блока, выходы второго и третьего фотоприемных блоков подключены ко входам блока обработки информации, выход третьего фотоприемного блока дополнительно подключен ко входу блока быстрого преобразования Фурье, выход которого подключен к блоку обработки информации, управляющие входы третьего и четвертого оптических переключателей подключены к блоку управления, управляющие входы второго и третьего управляемых оптических фильтров подключены к блоку управления, управляющие входы трех оптических затворов подключены к блоку управления, телевизионная камера и оптический осветитель расположены на одной оптической оси, проходящей через объем контейнера модели-аналога ядерного реактора, причем оптический вход телевизионной камеры оптически связан с первым оптическим иллюминатором модели-аналога, а оптический выход оптического осветителя связан со вторым оптическим иллюминатором модели-аналога, выход телевизионной камеры подключен к блоку обработки информации, оптический осветитель подсоединен к блоку управления, первый и второй ультразвуковые возбудители подключены к управляющему генератору, вход которого подключен к блоку управления, датчик температуры подключен к блоку обработки информации, нагревательный элемент и вентилятор подключены к блоку управления.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней оптические отражатели выполнены на основе многоэлементной матрицы уголковых оптических отражателей.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней расширитель пучка помещен в водонепроницаемый бокс, снабженный оптическим иллюминатором.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней оптический датчик содержит последовательно оптически связанные расширитель пучка, поворотное отражательное зеркало и оптический отражатель, причем поворотное отражательное зеркало и оптический отражатель снабжены обтекателями.
5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней второй лазерный генератор выполнен с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения в пределах видимого диапазона длин волн.
6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней управляемый оптический фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, работающей в видимом диапазоне длин волн.
7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в ней оптический датчик содержит последовательно оптически связанные входной расширитель пучка, первое оптическое отражательное зеркало, второе оптическое отражательное зеркало и выходной расширитель пучка.
