Лазерная система для мониторинга атмосферы в районе расположения атомной электростанции

Изобретение относится к области ядерной энергетики и лазерной измерительной техники и предназначено для использования на атомных электростанциях (далее - АЭС) для мониторинга атмосферы в районе расположения атомной электростанции. Лазерная система содержит лазерные генераторы, фотоприемные блоки, управляемые спектральные фильтры, волоконно-оптические линии, открытый оптический резонатор, матрицы уголковых отражателей, телескоп и беспилотный летательный аппарат с размещенной на его борту матрицей уголковых отражателей. Отличительной особенностью изобретения является использование БПЛА для доставки эффективного отражательного элемента - матрицы уголковых отражателей - в любую точку контролируемого пространства над районом расположения АЭС. Применение лазерной системы позволяет обеспечить непрерывный и оперативный мониторинг состояния атмосферы на больших пространствах в районе расположения АЭС и обнаружение аварийной ситуации на ранних стадиях ее развития. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности и точности измерения уровня концентрации молекулярного йода и других продуктов деления урана в атмосфере в районе расположения АЭС. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и лазерной измерительной техники и предназначено для использования на атомных электростанциях (далее - АЭС) для мониторинга атмосферы в районе расположения атомной электростанции.

Обеспечение безопасной работы атомных электростанций является важной проблемой в современной ядерной энергетике и требует своевременного и надежного обнаружения аварийной ситуации. Одной из наиболее опасных аварийных ситуаций является возникновение разгерметизации твэлов, при которой в помещения АЭС или в окружающую среду поступают газообразные продукты деления урана (радионуклиды). Возникновение данной аварийной ситуации характеризуется опасностью радиационного поражения персонала АЭС, а также распространения опасных радионуклидов с потоками атмосферы на значительную территорию в районе расположения АЭС.

В процессе производства и эксплуатации твэлов по техническим условиям порядка 0,1% твэлов имеют дефекты в герметизации швов и допускают проникновение в окружающую среду небольших фиксированных количеств газообразных продуктов деления урана. При делении урана образуются радиоактивные изотопы ксенона, криптона и йода. Наиболее опасным являются изотопы йода, которые имеют период полураспада от нескольких часов до суток и при попадании в организм человека вместе с вдыхаемым воздухом могут привести к тяжелым радиационным поражениям. Таким образом, с самого начала эксплуатации вновь загруженных твэлов в ядерный реактор в атмосферу в районе расположения АЭС, возможно попадание небольших количеств газообразных продуктов деления ядерного топлива. По мере работы твэлов в ядерном реакторе возможно ухудшение качества герметизации твэлов, например, за счет образования микротрещин. При этом возможно увеличение количества газообразных продуктов деления урана, попадающих в окружающую атмосферу.

Своевременное и наиболее раннее обнаружение радиоактивного загрязнения в атмосфере в районе АЭС является важной проблемой в обеспечении безопасной работы АЭС.

Индикатором радиоактивного загрязнения может служить содержание в атмосфере в районе расположения АЭС тяжелого изотопа йода-131 (см. [1]). Поэтому оценка концентрации данного изотопа йода является актуальной проблемой при мониторинге атмосферы в районе расположения АЭС и других радиохимических предприятий.

Известны различные способы обнаружения и определения йода, в том числе, в газовой фазе. Наиболее распространенным способом является использование реакции йода с окрашивающими растворителями, например, растворами хлороформа, бензола или крахмала. Далее посредством колориметрического фотометрического метода определяют концентрацию йода по уровню поглощения светового излучения на соответствующей длине волны света. Данный способ имеет низкую чувствительность, большую длительность осуществления измерений и непригоден для контроля загрязнения на больших открытых пространствах.

Известен способ выделения радионуклидов йода из газовой среды (см. [2]). Способ используется для удаления йода в газообразной форме из атмосферы помещения АЭС, а также для целей дозиметрического контроля наличия йода в атмосфере технического помещения. Способ основан на адсорбции йода с помощью реагента (сорбента), содержащего серебро или соли серебра в пористом неорганическом носителе, имеющем поры в диаметре порядка 50 нм. Реагент засыпают в фильтровальные патроны, через которые пропускают газовый поток из атмосферы контролируемого помещения. Данный способ характеризуется низкой точностью и ограниченной чувствительностью вследствие зависимости уровня адсорбции от давления и скорости прокачки газовой смеси через фильтрующие патроны, а также чистоты состава реагентов. Кроме этого, способ практически непригоден для использования для контроля загрязнения атмосферы на больших пространственных территориях и не оперативен.

Известен способ определения концентрации изотопов молекулярного йода в газовой фазе (см. [3]). При реализации способа осуществляют прокачку анализируемой смеси газов через исследуемую и реперные ячейки, возбуждают в ячейках флуоресценцию посредством излучения полупроводникового лазера с соответствующей линией генерации, выделяют флуоресцентное излучение из смеси с рассеянным возбуждающим лазерным излучением, на основании измеренного выделенного флуоресцентного излучения определяют расчетным путем концентрации диоксида азота и молекулярного йода. Данный способ обладает низкой чувствительностью, вследствие необходимости регистрации короткого импульса флуоресцентного излучения на фоне рассеянного возбуждающего лазерного излучения полупроводникового лазера. Кроме этого, практическое применение способа в условиях открытого пространства в районе расположения АЭС представляет значительные трудности вследствие необходимости обеспечивать работу аппаратуры по прокачке атмосферы через различные измерительные ячейки, осуществлять контроль за работой измерительной аппаратуры при возможном наличии радиационного фона, что существенно снижает точность и достоверность получаемых измерений.

Известен лидар дифференциального поглощения и рассеяния (см. [4]), содержащий два лазерных генератора, сферическое зеркало, линзу, четыре фотоприемника, дихроичное зеркало, интерференционные светофильтры и полупрозрачные зеркала. Данный лидар осуществляет зондирование атмосферы открытого пространства с помощью импульсов лазерного излучения на длине волны поглощения молекулярного йода. При этом прием излучения осуществляется от слоя атмосферы за счет возбуждения излучения обратного рассеяния. Однако уровень излучения обратного рассеяния является очень малым по интенсивности и существенно зависимым от состояния атмосферы, температуры и влажности, наличия пылевых частиц. Это определяет низкую чувствительность и низкую точность получаемых результатов измерений по методу регистрации обратного рассеяния. Кроме того, данный лидар обратного рассеяния обладает низкой дальностью действия, так как излучение обратного рассеяния возбуждается и излучает по всем направлениям в пределах всей сферы (360 градусов). При этом на вход приемной системы лидара - сферического зеркала - поступает и возвращается весьма малая доля возбужденного излучения обратного рассеяния, что и обуславливает низкую чувствительность лидара, ограниченную дальность действия и низкую точность и достоверность получаемых результатов. Ограниченная дальность действия данного лидара не позволяет осуществлять мониторинг атмосферы на больших пространствах в районе расположения АЭС.

В качестве ближайшего аналога выбрана лазерная система для мониторинга атмосферы в технических помещениях атомных электростанций (см. [5]). Данная система содержит два лазерных генератора, измеритель лазерного излучения, два открытых оптических резонатора, оптический коммутатор, два фотоприемных блока, два управляемых спектральных фильтра, блок эталонной газовой смеси, оптическую линию задержки, две волоконно-оптические линии с адаптерами волокна и блок управления. Данная система обладает высокой чувствительностью при мониторинге атмосферы внутри АЭС и может быть также использована для мониторинга атмосферы на открытом пространстве в районе расположения АЭС. Недостатком данной лазерной системы является отсутствие возможности мониторинга атмосферы на больших пространствах вокруг АЭС вследствие ограниченных возможных размеров открытого резонатора, который имеет размеры, не превышающие 10 метров.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании лазерной системы для непрерывного мониторинга атмосферы, как в районе расположения АЭС и прилегающей к ней территории, так и на больших пространствах вокруг АЭС, обеспечивающей надежное обнаружение газообразных продуктов деления урана в атмосфере и измерение концентрации веществ радионуклидов в газовой фазе, что, в свою очередь, обеспечивает своевременное обнаружение аварийных ситуаций на ранних стадиях их возникновения.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении чувствительности и точности измерения уровня концентрации молекулярного йода и других продуктов деления урана в атмосфере в районе расположения АЭС.

Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается в заявленном изобретении путем высокоточного определения концентрации молекулярного йода (или других продуктов деления урана) как вблизи расположения АЭС, так и на больших пространствах вокруг АЭС, на основе метода лазерного зондирования атмосферы и измерения концентрации радионуклидов на трассе распространения зондирующего лазерного излучения (далее - ЛИ). Для обеспечения эффективного отражения зондирующего ЛИ от крайней точки его распространения используется беспилотный летательный аппарат (далее - БПЛА), на борту которого установлена матрица уголковых отражателей, обеспечивающая эффективное отражение зондирующего ЛИ в обратном направлении и распространение ЛИ точно в обратном направлении на телескоп лазерной системы. Этим обеспечивается получение эффективного отраженного сигнала ЛИ и исключается необходимость приема малоэффективного сигнала обратного рассеяния. При этом обеспечивается реализация трассы распространения зондирующего ЛИ практически любой дальности по расстоянию от телескопа лазерной системы до БПЛА, которые в настоящее время обеспечивают полеты на дальность порядка десятков километров и по высоте полета до нескольких километров.

Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается в результате создания лазерной системы для мониторинга атмосферы в районе расположения атомной электростанции, содержащей первый и второй лазерные генераторы, измеритель лазерного излучения, по меньшей мере, один открытый оптический резонатор, включающий первую и вторую матрицы уголковых отражателей и первое полупрозрачное зеркало, телескоп с блоком наведения, третью матрицу уголковых отражателей, оптически связанную с оптическим выходом телескопа посредством выдвижного первого полупрозрачного зеркала, беспилотный летательный аппарат (БПЛА), четвертую матрицу уголковых отражателей, установленную на борту БПЛА и снабженную блоком наведения, оптический коммутатор, первый и второй фотоприемные блоки, первый и второй управляемые спектральные фильтры, первую и вторую волоконно-оптические линии с адаптерами волокна, блок управления, радиопередатчик, а также два отражательных зеркала и второе - пятое полупрозрачные зеркала. Оптические выходы первого и второго лазерных генераторов оптически связаны с оптическим входом оптического коммутатора и оптическим входом измерителя лазерного излучения посредством первого отражательного, второго и третьего полупрозрачных зеркал. Оптический вход оптического коммутатора посредством четвертого, пятого полупрозрачных и второго отражательного зеркал оптически связан с оптическими входами первого и второго управляемых спектральных фильтров, оптические выходы которых оптически связаны с оптическими входами первого и второго фотоприемных блоков. Первый оптический выход оптического коммутатора оптически связан с оптическим выходом телескопа посредством первой волоконно-оптической линии и адаптеров волокна, второй оптический выход оптического коммутатора оптически связан посредством второй волоконно-оптической линии, адаптеров волокна и первого полупрозрачного зеркала с первой матрицей уголковых отражателей открытого оптического резонатора. Управляющие входы лазерных генераторов, измерителя лазерного излучения, оптического коммутатора, блока наведения телескопа, блока перемещения выдвижного полупрозрачного зеркала и первого и второго управляемых спектральных фильтров подключены к блоку управления, выходы первого и второго фотоприемных блоков подключены к блоку управления, радиопередатчик подключен к блоку управления.

В частном варианте выполнения системы управляемые спектральные фильтры выполнены на основе акустооптической ячейки, выполненной с возможностью возбуждения акустических волн, взаимодействующих с проходящим через ячейку лазерным излучением.

В другом частном варианте выполнения системы первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

В еще одном частном варианте выполнения системы она содержит два и более открытых оптических резонатора, выполненных с возможностью размещения на открытом пространстве на зданиях АЭС.

В еще одном частном варианте выполнения системы функциональная связь блока управления с БПЛА осуществлена посредством радиопередатчика.

На фиг. 1 представлена блок-схема лазерной системы для мониторинга атмосферы в районе расположения АЭС. Цифрами на блок-схеме обозначены следующие элементы.

1. Первый лазерный генератор.

2. Второй лазерный генератор.

3. Измеритель лазерного излучения.

4. Открытый оптический резонатор.

5, 7. Первая и вторая матрицы уголковых отражателей.

6. Первое полупрозрачное зеркало.

8, 9. Держатели матрицы уголковых отражателей.

10. Несущая штанга.

11. Телескоп.

12. Блок наведения телескопа.

13. Третья матрица уголковых отражателей.

14. БПЛА.

15. Четвертая матрица уголковых отражателей, установленная на борту БПЛА 14 и снабженная блоком наведения с элементами 16 и 17.

16. Элемент блока наведения по углу места.

17. Элемент блока наведения по азимуту.

18. Выдвижное первое полупрозрачное зеркало.

19. Блок перемещения выдвижного первого полупрозрачного зеркала.

20. Положение выдвижного первого полупрозрачного зеркала во введенном состоянии.

21. Оптический коммутатор.

22. Оптический вход оптического коммутатора.

23. 24. Первый и второй оптические выходы оптического коммутатора.

25. Первая волоконно-оптическая линия.

26, 27. Адаптеры волокна первой волоконно-оптической линии.

28. Вторая волоконно-оптическая линия.

29, 30. Адаптеры волокна второй волоконно-оптической линии.

31 Первый управляемый спектральный фильтр.

32. Второй управляемый спектральный фильтр.

33, 34. Первый и второй фотоприемные блоки.

35. Блок управления.

36. Радиопередатчик.

37, 38. Первое и второе отражательные зеркала.

39-42. Второе - пятое полупрозрачные зеркала.

43. Контейнер для размещения открытого оптического резонатора.

44. Контррефлектор телескопа.

Принцип действия лазерной системы для мониторинга атмосферы в районе расположения АЭС (далее - лазерная система) заключается в следующем (рассматривается на примере измерения концентрации молекулярного йода в окружающей атмосфере АЭС).

Лазерная измерительная система осуществляет непрерывное автоматическое измерение концентрации радионуклидов в атмосфере в окружающем пространстве АЭС путем лазерного зондирования атмосферы открытого пространства. При этом зондирование атмосферы в окружающем пространстве осуществляется по двум трассам распространения ЛИ, представленным на фиг. 1. Первая трасса распространения зондирующего ЛИ организована телескопом 11 и четвертой матрицей уголковых отражателей 15, установленной на борту БПЛА 14. Данная первая трасса распространения зондирующего ЛИ представлена на фиг. 1 оптической осью O₁-O₂. Вторая трасса распространения зондирующего ЛИ представлена оптической осью O₃-O₄ и проходит внутри открытого оптического резонатора 4, который образован первой и второй матрицами уголковых отражателей 5 и 7. Открытый оптический резонатор 4 установлен непосредственно на здании АЭС на открытом пространстве и осуществляет измерение концентрации радионуклидов вблизи здания АЭС. Данный оптический резонатор помещен в негерметичный защитный контейнер 43, в который свободно проникает воздух в окружении АЭС. Таким образом, в лазерной системе осуществляется измерение концентрации радионуклидов как вблизи здания АЭС, так и на удалении от АЭС на любом расстоянии, определяемом расположением в момент измерения четвертой матрицы уголковых отражателей 15, установленной на борту БПЛА 14.

Измерение концентрации радионуклидов на первой протяженной трассе O₁-О₂ осуществляется следующим образом. Формирование (генерация) импульса зондирующего ЛИ осуществляется на длине волны поглощения молекулярного йода (532 нм) с помощью первого лазерного генератора 1. Второй лазерный генератор 2 осуществляет одновременно с ЛГ 1 генерацию импульса зондирующего ЛИ на длине волны вне полосы поглощения молекулярного йода, но в непосредственной близости от этой полосы поглощения (595 нм). Далее обеспечивается одновременное прохождение этих импульсов ЛИ по первой протяженной трассе O₁-O₂ от телескопа 11 до четвертой матрицы уголковых отражателей 15, установленной на борту БПЛА 14, и обратно до телескопа 11. Последний осуществляет прием импульсов зондирующих ЛИ на двух близких длинах волн и передачу этих импульсов ЛИ на вход адаптера волокна 26 первой волоконно-оптической линии 25. При этом выдвижное первое полупрозрачное зеркало 18 находится в выдвинутом состоянии вне оптической оси O₁-O₂, как это показано на фиг. 1. Для обеспечения прохождения импульсов зондирующего ЛИ по первой трассе O₁-O₂ осуществляются следующие действия. БПЛА 14 выводится в заданную точку пространства в районе расположения АЭС по командам с Земли от блока управления 35. Для передачи команд управления от блока управления 35 на борт БПЛА 14 используется радиопередатчик 36. По командам от блока управления 35 на борту БПЛА 14 осуществляют наведение четвертой матрицы уголковых отражателей 15 на телескоп 11, находящийся на Земле вблизи здания АЭС. Наведение осуществляют с помощью элементов 16 и 17 блока наведения. При этом элемент 16 блока наведения осуществляет наведение матрицы 15 по углу места, а элемент 17 блока наведения осуществляет наведение матрицы по азимуту путем вращения вокруг вертикальной оси. В результате осуществления данных действий нормаль к матрице уголковых отражателей 15 устанавливается направленной в точку О₁ в плоскости телескопа 11. Одновременно по командам от блока управления 35 блок наведения 12 осуществляет наведение телескопа 11 в заданную точку нахождения БПЛА 14. В результате этих действий образуется первая трасса распространения зондирующего ЛИ O₁-O₂, которая обеспечивает связь по оси O₁-O₂ точки стояния на Земле телескопа 11 O₁ и заданной точки расположения O₂ БПЛА 14, в которую данный аппарат, несущий матрицу уголковых отражателей 15, был выведен по командам с Земли от блока управления 35.

Излучение и прием импульсов зондирующего ЛИ осуществляется следующим образом. Первый и второй лазерные генераторы 1 и 2, как было отмечено, одновременно генерируют импульсы зондирующих ЛИ, которые поступают на вход измерителя лазерного излучения 3 посредством полупрозрачного зеркала 40, а также поступают на оптический вход 22 оптического коммутатора 21 посредством отражательного зеркала 37 и полупрозрачного зеркала 39. Оптический коммутатор 21 находится в состоянии переключения оптического входа 22 на первый оптический выход 23. Далее импульсы ЛИ с первого оптического выхода 23 поступают через первую волоконно-оптическую линию 25 и посредством адаптеров волокна 27, 26 на оптический вход телескопа 17. В обратном ходе принятый телескопом 11 отраженный сигнал в виде отраженных импульсов ЛИ поступает на адаптер волокна 26 и по волоконно-оптической линии 25 поступает на первый оптический выход 23 оптического коммутатора 21 и далее через оптический вход 22 (являющийся в данном случае выходом) поступает на оптические входы управляемых спектральных фильтров 31 и 32 посредством полупрозрачного зеркала 41, полупрозрачного зеркала 42 и отражательного зеркала 38. Управляемые спектральные фильтры (далее - УСФ) 31 и 32 осуществляют узкополосную фильтрацию принятых импульсов лазерного излучения - УСФ 31 на длине волны ЛИ, генерируемого первым лазерным генератором 1, а УСФ 32 на длине волны ЛИ, генерируемого вторым лазерным генератором 2. УСФ 31 и 32 выполняют также функцию защиты фотоприемных блоков 33 и 34 от помехи обратного рассеяния при распространении зондирующего импульса ЛИ в первые моменты его излучения и распространения от телескопа 11. В эти моменты времени УСФ 31 и 32 находятся в закрытом состоянии. Открывание УСФ 31 и 32 осуществляется, когда импульс зондирующего ЛИ отойдет от телескопа 11, например, на половину расстояния до БПЛА 14 по оси O₁-O₂. Далее отфильтрованные импульсы ЛИ с выходов УСФ 31 и 32 поступают на фотоприемные блоки 33 и 34, которые регистрируют импульсы ЛИ и в цифровой форме передают в блок управления 35. По полученным данным в блоке управления 35 осуществляется оценка концентрации молекул изотопа йода-131 вдоль трассы распространения ЛИ O₁-O₂ по известному отношению концентрации молекул изотопа йода-131 и суммарной концентрации всех изотопов. Определение суммарной концентрации всех изотопов йода может осуществляться при однократном прохождении зондирующего ЛИ по трассе O₁-O₂ в прямом и обратном направлении. При этом осуществляется определение суммарного ослабления зондирующего ЛИ по всей трассе, что позволяет рассчитать среднюю концентрацию изотопа йода-131 вдоль трассы O₁-O₂ распространения ЛИ. Это позволяет утверждать, что концентрация йода-131 в отдельных и дальних участках трассы O₁-O₂, по крайней мере, не меньше, чем полученная оценка средней концентрации йода вдоль трассы O₁-O₂. Для получения детального распределения концентрации йода вдоль трассы осуществляется передвижение БПЛА вдоль трассы O₁-O₂ по направлению к точке O₁ от точки O₂, в которую был первоначально выведен БПЛА 14, и непрерывное измерение концентрации йода в отдельных точках трассы O₁-O₂. Это позволяет получить точный профиль распределения йода вдоль трассы O₁-O₂. Чувствительность определения концентрации йода при однократном распространении ЛИ по трассе определяется длиной этой трассы l=O₁-O₂. Для повышения чувствительности лазерной системы возможен режим многократного прохождения ЛИ по трассе O₁-O₂. Для перехода в этот режим измерения выдвижное первое полупрозрачное зеркало 18 с помощью блока перемещения 19 устанавливается на оптической оси O₁-O₂ в положение 20. Этим обеспечивается многократное прохождение зондирующего импульса ЛИ по трассе O₁-O₂ до момента полного затухания. Импульс зондирующего ЛИ при каждом распространении от точки O₂ к телескопу 11 на входе телескопа 11 отражается от выдвижного первого полупрозрачного зеркала 18 в положении 20 на третью матрицу уголковых отражателей 13, а от матрицы 15 в обратном ходе через телескоп 11 снова поступает на трассу распространения O₁-O₂. Таким образом, реализуется многократное прохождение зондирующего импульса ЛИ по трассе O₁-O₂. На каждом обороте по трассе импульс ЛИ поступает на вход адаптера волокна 26 и далее по волоконно-оптической линии 25 на первый оптический выход 23 оптического коммутатора 21. Далее импульс ЛИ, многократно прошедший по трассе распространения O₁-O₂, поступает на управляемые спектральные фильтры 31 и 32 и фотоприемные блоки 33 и 34, регистрируется и поступает в блок управления 35.

Измерение концентрации йода с помощью открытого оптического резонатора 4, расположенного вблизи здания АЭС, осуществляется следующим аналогичным способом. Оптический коммутатор 21 переводится в состояние соединения его оптического входа 22 со вторым оптическим выходом 24. Это обеспечивает передачу зондирующего импульса ЛИ от лазерных генераторов 1 и 2 на вход адаптера волокна 30 второй волоконно-оптической линии 28. С выхода адаптера волокна 29 зондирующий импульс ЛИ поступает в открытый оптический резонатор 4 посредством первого полупрозрачного зеркала 6. Далее осуществляется многократное прохождение импульса ЛИ по трассе распространения O₃-O₄ между матрицами уголковых отражателей 5 и 7 до полного затухания ЛИ. На каждом обороте импульс ЛИ, многократно прошедший по трассе О₃-О₄, ответвляется на вход адаптера волокна 29 и, далее, поступает через оптический коммутатор 21, четвертое и пятое полупрозрачные зеркала 41 и 42 и второе отражательное зеркало 38 на оптические входы УСФ 31 и 32. Как и в первом случае, осуществляется регистрация импульсов ЛИ и передача информации в блок управления 35. В результате многократного прохождения импульсов ЛИ по трассе O₃-O₄ чувствительность лазерной системы существенно увеличивается. На этом завершается цикл работы лазерной системы по определению концентрации йода-131 по первой и второй трассам распространения ЛИ вблизи здания АЭС и на большом расстоянии от АЭС.

Определение уровня концентрации йода в блоке управления осуществляется следующим образом. В блок управления 35 от фотоприемных блоков 33 и 34 поступает информация об амплитудах импульсов зондирующего ЛИ Е₁ и Е₂, прошедших по трассе распространения ЛИ O₁-O₂ в прямом и обратном направлениях. Импульс зондирующего ЛИ Е₁ отражает ослабление ЛИ лазерного генератора 1 на его длине волны генерации, составляющей 532 нм для обнаружения молекулярного йода. Амплитуда этого импульса ЛИ имеет следующий вид:

где Е₁₀ - амплитуда импульса от лазерного генератора 1 на его выходе; β - коэффициент ослабления импульса ЛИ, обусловленный потерями в оптической системе, потерями при распространении в воздушной атмосфере, на расстоянии O₁-O₂, потерями при рассеянии ЛИ при его распространении в атмосфере; γ(n) - коэффициент ослабления (пропускания) ЛИ при наличии в атмосфере по трассе распространения молекул йода и определяемый их концентрацией n. При отсутствии молекул йода данный коэффициент равен единице.

Амплитуда импульса ЛИ от второго лазерного генератора 2 имеет следующий вид:

Таким образом, второй импульс ЛИ содержит только информацию об ослаблении лазерного излучения β аналогичному в импульсе Е₁₀, и не подвержен ослаблению под действием молекулярного йода, так как находится вне полосы поглощения молекул йода. Отношение этих импульсов дает информацию об ослаблении зондирующего ЛИ за счет наличия молекулярного йода, в котором содержится информация о концентрации йода n:

Отношение Е₁₀/Е₂₀ определяется на основе измерения импульсов ЛИ от лазерных генераторов 1 и 2 в блоке измерения лазерного излучения 3 и при установлении одинаковой интенсивности ЛИ от лазерных генераторов 1 и 2 равно единице. Величина η фактически определяется изменением амплитуды импульса зондирующего ЛИ на длине волны поглощения молекулярного йода в результате прохождения по трассе O₁-O₂ в прямом и обратном направлениях.

Описанные выше способы определения концентрации газовых составляющих атмосферы представляет собой абсорбционно-спектральный метод, изложенный авторами в работах [6, 7] и в описании ближайшего аналога (см. [5]). Он основан на определении величины поглощения оптического излучения определенной длины волны при его прохождении через исследуемое вещество - воздушную атмосферу трассы распространения. При использовании данного метода, называемого также фотометрическим методом, осуществляется определение концентрации n газовой составляющей (в данном случае молекулярного йода) на основе измерения ослабления η. Так как γ(n)=ехр(-σnL), то

где σ - сечение поглощения газообразного молекулярного йода (параметр, характеризующий способность молекулы йода поглощать оптическое излучение определенной длины волны); η₀=Е₁₀/Е₂₀. Параметр L=2l является удвоенной длиной трассы распространения O₁-О₂, или O₃-O₄. Величина протяженности трассы O₁-O₂=l определяется с высокой точностью стандартным локационным методом по измерению времени задержки принятого импульса ЛИ относительно излученного импульса ЛИ.

Формула (4) является основной для определения концентрации вещества n в абсорбционно-спектральном методе при однократном прохождении импульса ЛИ по трассе распространения O₁-O₂ или O₃-O₄. При многократном прохождении ЛИ по трассе распространения определение концентрации n осуществляется на основе измерения амплитуды импульсов ЛИ с номером N от лазерных генераторов 1 и 2, и формула (4) приобретает следующий вид:

Здесь в качестве л следует подставлять отношение E₁/E₂ амплитуд импульсов ЛИ с номером N, сделавших N оборотов по трассе распространения ЛИ O₁-O₂ или O₃-O₄.

Как видно из формулы (5), чувствительность лазерной системы измерений возросла в N раз, что обусловлено увеличением длины пути прохождения импульса зондирующего ЛИ через исследуемый слой атмосферы в N раз. Это позволяет обеспечить более высокую чувствительность метода.

Для повышения точности измерений и эффективности обнаружения аварийной ситуации в предлагаемой лазерной измерительной системе осуществляется измерение концентрации молекулярного йода на нескольких длинах волн ЛИ. Для осуществления этого используется лазерный генератор 1 с перестройкой длины волны генерируемого ЛИ. После осуществления измерения концентраций молекулярного йода на второй длине волны, лежащей также в видимом диапазоне, в блоке управления 35 осуществляется сравнение полученных оценок величин концентрации, измеренных на двух длинах волн, и вычисляется средняя величина оценки уровня концентрации молекулярного йода.

В предлагаемой лазерной измерительной системе возможно измерение концентрации различных составляющих атмосферы. Для реализации измерений концентрации конкретной газовой составляющей осуществляется перестройка первого лазерного генератора 1 на длину волны, соответствующую наибольшему поглощению оптического излучения данной составляющей атмосферы, например, молекулярного йода, молекулярного радиоактивного ксенона и других составляющих. Одновременно на эту длину волны настраивается и первый управляемый спектральный фильтр 31. Далее на этой длине волны и осуществляется измерение поглощения лазерного излучения в атмосфере на трассе распространения O₁-O₂.

Открытый оптический резонатор размещается в специальном защитном контейнере 43, диаметр которого составляет примерно 5 см, а длина 1-2 метра. В контейнере имеются отверстия для прохождения атмосферного воздуха в расположении здания АЭС.

Предлагаемая лазерная измерительная система может содержать несколько (два и более) открытых оптических резонаторов 4, размещенных в различных точках на различных зданиях на территории АЭС. При этом оптический коммутатор 21 выполняется с возможностью коммутации соответствующего количества оптических каналов и имеет необходимое количество оптических выходов. Предлагаемая лазерная система может содержать несколько БПЛА 14, каждый с четвертой матрицей уголковых отражателей 15 на борту, выводимых в различные точки контролируемого пространства над АЭС как по дальности, так и по высоте. При этом телескоп 11 последовательно направляется в эти точки контролируемого пространства и последовательно осуществляется измерение концентрации радионуклидов при распространении импульсов зондирующего ЛИ по вновь организованным трассам распространения ЛИ. Этим обеспечивается ускорение процесса мониторинга атмосферы на большом пространстве в районе расположения АЭС.

Проведенный в соответствии с работами [6, 7] расчет предельной чувствительности лазерной измерительной системы при определении минимальной концентрации молекулярного йода в атмосфере на трассе распространения O₁-O₂ показал, что при длине трассы распространения O₁-O₂, составляющей l=1 км, коэффициенте отражения уголковых отражателей 0,995, энергии импульсов лазерного излучения 5 Дж с длительностью 5 нс, сечении поглощения σ=4,6×10^-18 см², шуме фотоприемника 0,1 нВт регистрируемая концентрация молекулярного йода составляет примерно 4×10⁶ см^-3, что существенно превышает чувствительность лидара [4]. При этом, в соответствии с [8], в первый час после аварии концентрация молекул изотопа йода-131 примерно в тысячу раз меньше и чувствительность данной лазерной системы по отношению к этому изотопу составляет около 4×10³ см^-3, что отвечает объемной активности, равной предельному значению 4 Бк/литр.

Следует отметить возможность реализации в предлагаемой лазерной измерительной системе различных алгоритмов обнаружения и измерения различных молекулярных составляющих атмосферы в расположении АЭС, для чего первый лазерный генератор 1 настраивается на генерацию длины волны наибольшего поглощения лазерного излучения соответствующей конкретной составляющей продуктов деления урана.

В предлагаемой лазерной системе использованы блоки и узлы, разработанные или выпускаемые промышленностью. Лазерные генераторы 1 и 2 и фотоприемники 33 и 34 выпускаются промышленностью и используются в промышленности, медицине и научных исследованиях. Оптические приборы и элементы, входящие в состав предлагаемой лазерной системы, разработаны и выпускаются промышленностью. К таким элементам относятся оптические отражательные 37 и 38 и полупрозрачные 39-42 зеркала, выдвижное полупрозрачное зеркало 18, волоконно-оптические линии 25 и 28 с входящими в их состав адаптерами волокна 26-30 на диапазон от 200 нм до ИК диапазона, управляемые спектральные фильтры 31 и 32, выполненные на основе акустооптических ячеек, работающие в широком диапазоне длин волн от видимого до ультрафиолетового диапазона [9]. Управляемые спектральные фильтры 31 и 32 обеспечивают спектральную узкополосную фильтрацию зондирующего ЛИ перед его поступлением на входы фотоприемных блоков. Длина волны спектральной фильтрации задается сигналом управления от блока 35 и соответствует длине волны ЛИ, генерируемого в этот момент времени соответствующим лазерным генератором (1 или 2). Управляемые спектральные фильтры выполняют также функцию необходимого ослабления поступающего лазерного излучения, а также обеспечивают защиту фотоприемных блоков 33 и 34 от высокого уровня интенсивности лазерного излучения в первый момент генерации импульса излучения лазерным генератором. Фотоприемные блоки 33 и 34 выполнены на основе высокочувствительного фотоэлектронного умножителя, работающего в диапазоне 200-800 нм. В состав фотоприемных блоков 33 и 34 входят электрические усилители импульсных сигналов, блоки оцифровки и сопряжения со входом ЭВМ. Матрицы уголковых отражателей 5, 7, 13, 15 содержат несколько уголковых отражателей: 2×2 - 5×5 уголковых отражательных элементов, обеспечивающих отражение падающего ЛИ назад строго по направлению прихода ЛИ. Блок обработки 35 выполнен на основе стандартной электронной вычислительной машины любого типа. Блок 35 выполняет функции обработки, поступающей с выходов фотоприемных блоков 33 и 34 информации, на основе которой осуществляется расчет и определение концентрации молекулярного йода или других составляющих атмосферы контролируемого пространства. Одновременно блок 35 осуществляет управление работой всех элементов и устройств лазерной системы по специальной программе. Блок 35 содержит средства сопряжения и соединен со всеми управляемыми элементами лазерной системы, а также соединен с БПЛА 14 посредством радиопередатчика 36. Волоконно-оптические линии 25 и 28 позволяют расположить основную измерительную аппаратуру лазерной измерительной системы на расстоянии порядка 1000 метров от телескопа 11 и открытого оптического резонатора 4, размещаемых на открытом пространстве вблизи здания АЭС. Оптический коммутатор 21 может быть выполнен на основе использования оптоэлектронных акустооптических мультипликаторов оптических сигналов [9]. Беспилотный летательный аппарат 14 выпускается промышленностью в различных модификациях. БПЛА 14 содержит на борту радиопередатчик, обеспечивающий совместно с радиопередатчиком 36 канал связи для управления БПЛА по сигналам от блока управления 35.

Телескоп 11 вместе с выдвижным первым полупрозрачным зеркалом 18 и третьей матрицей уголковых отражателей 13 размещается на специальной вышке на высоте 10-30 метров над поверхностью Земли вблизи зданий и сооружений АЭС. Волоконными линиями 25 и 28 телескоп 11 и открытый оптический резонатор 4 связаны с остальной аппаратурой лазерной измерительной системы, которая размещается в одном из зданий АЭС. Измеритель лазерного излучения 3 содержит первый и второй фотоприемники 33 и 34, соответственно, с первым и вторым спектральными фильтрами 31 и 32, которые обеспечивают измерение интенсивности импульсов ЛИ на длинах волн генерации первого и второго лазерных генераторов 1 и 2.

В представленной заявке на изобретение следует отметить в качестве основного фактора новизны использование БПЛА для доставки в любую заданную точку пространства в районе расположения АЭС эффективного отражательного средства - матрицы уголковых отражателей. Это позволяет обеспечить высокую чувствительность и точность определения концентрации радионуклидов в атмосфере на больших пространствах в районе, прилегающем к АЭС, на основе использования метода лазерного зондирования и многократного прохождения зондирующего ЛИ по контролируемой атмосферной трассе во всей верхней полусфере. Важным фактором является возможность доставки отражательного элемента-матрицы уголковых отражателей с помощью БПЛА в любую точку верхней полусферы. Дальность действия лазерной системы - радиус верхней полусферы зоны контроля атмосферы - определяется только дальностью и высотой полета БПЛА и составляет несколько километров. При этом в каждой заданной точке контроля атмосферы О₂ на трассе (O₁-O₂ БПЛА имеет возможность остановится (зависнуть) и обеспечить многократное измерение концентрации радионуклидов в соответствующей трассе O₁-O₂. Важным фактором является также возможность сравнения полученных результатов измерений концентрации радионуклидов по трассе O₁-O₂ с результатами измерений непосредственно вблизи здания АЭС с помощью открытого резонатора 4, или нескольких таких элементов, размещенных на нескольких контрольных точках зданий АЭС.

Предлагаемая лазерная измерительная система позволяет с высокой точностью определять присутствие химического элемента - урана, попадающего в атмосферу и в помещение при возникновении разгерметизации и других технологических дефектах твэлов. Обнаружение урана может быть реализовано при использовании лазерных генераторов 1 и 2 соответствующей длины волны генерируемого ЛИ. Высокая чувствительность предлагаемой лазерной измерительной системы позволяет на основе измерения весьма малой концентрации урана в составе исследуемых сред осуществлять обнаружение протечек твэлов и реализовать обнаружение предаварийного состояния тепловыделяющих сборок.

Применение предлагаемой лазерной измерительной системы позволяет своевременно организовать работы по предотвращению аварийной ситуации высокого уровня. Предлагаемая лазерная измерительная система может быть использована для мониторинга атмосферы окружающей среды и оперативного определения концентрации следующих молекулярных составляющих газов: сероводорода, двуокиси серы, двуокиси азота, окиси углерода, метана и метилмеркаптана. При этом обеспечивается чувствительность при определении указанных газовых компонентов в 10-50 раз более высокая, чем при использовании известных газоанализирующих средств.

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

Источники информации

1. Привалов В.Е., Фотиади А.Э., Шеманин В.Г. Лазеры и экологический контроль атмосферы, Санкт-Петербург, «Лань», 2013.

2. Патент US №5750461 от 12.05.1998, «Способ выделения радионуклидов йода из газовой среды».

3. Патент РФ №2587642 от 05.05.2014 «Способ определения концентрации молекулярного йода в газовой фазе».

4. Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Лидарное зондирование молекул йода в атмосфере, «Фотоника», 2016, №6 (60), стр. 126-133.

5. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Лазерная система для мониторинга атмосферы в технических помещениях атомных электростанций, патент РФ №2746522, бюл. «Изобретения. Полезные модели», 2021, №11 (ближайший аналог).

6. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Лазерное устройство для снижения предела обнаружения урана в технологических средах ядерных реакторов, Атомная энергия, 2021, т. 131, вып. 2, стр. 109-111.

7. Манкевич С.К., Орлов Е.П. Лазерное устройство для мониторинга аварийной ситуации уровня 4 на АЭС, Атомная энергия, 2022, т. 132, вып. 3, стр. 181-185.

8. Гречушкина М.П. Таблицы состава продуктов мгновенного деления U²³⁵, U²³⁸ и Pu²³⁹, Москва, Атомиздат, 1964.

9. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики, Москва, Радио и связь, 1985.

1. Лазерная система для мониторинга атмосферы в районе расположения атомной электростанции, содержащая первый и второй лазерные генераторы, измеритель лазерного излучения, по меньшей мере, один открытый оптический резонатор, включающий первую и вторую матрицы уголковых отражателей и первое полупрозрачное зеркало, телескоп с блоком наведения, третью матрицу уголковых отражателей, оптически связанную с оптическим выходом телескопа посредством выдвижного первого полупрозрачного зеркала, беспилотный летательный аппарат (БПЛА), четвертую матрицу уголковых отражателей, установленную на борту БПЛА и снабженную блоком наведения, оптический коммутатор, первый и второй фотоприемные блоки, первый и второй управляемые спектральные фильтры, первую и вторую волоконно-оптические линии с адаптерами волокна, блок управления, радиопередатчик, а также два отражательных зеркала и второе - пятое полупрозрачные зеркала, при этом оптические выходы первого и второго лазерных генераторов оптически связаны с оптическим входом оптического коммутатора и оптическим входом измерителя лазерного излучения посредством первого отражательного, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический вход оптического коммутатора посредством четвертого, пятого полупрозрачных и второго отражательного зеркал оптически связан с оптическими входами первого и второго управляемых спектральных фильтров, оптические выходы которых оптически связаны с оптическими входами первого и второго фотоприемных блоков, первый оптический выход оптического коммутатора оптически связан с оптическим выходом телескопа посредством первой волоконно-оптической линии и адаптеров волокна, второй оптический выход оптического коммутатора оптически связан посредством второй волоконно-оптической линии, адаптеров волокна и первого полупрозрачного зеркала с первой матрицей уголковых отражателей открытого оптического резонатора, управляющие входы лазерных генераторов, измерителя лазерного излучения, оптического коммутатора, блока наведения телескопа, блока перемещения выдвижного полупрозрачного зеркала и первого и второго управляемых спектральных фильтров подключены к блоку управления, выходы первого и второго фотоприемных блоков подключены к блоку управления, радиопередатчик подключен к блоку управления.

2. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что в ней управляемые спектральные фильтры выполнены на основе акустооптической ячейки, выполненной с возможностью возбуждения акустических волн, взаимодействующих с проходящим через ячейку лазерным излучением.

3. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что в ней первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

4. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что она содержит два и более открытых оптических резонатора, выполненных с возможностью размещения на открытом пространстве на зданиях АЭС.

5. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что в ней функциональная связь блока управления с БПЛА осуществлена посредством радиопередатчика.