Дослідження і розробка методів та технічних засобів радіаційних випробувань обладнання АЕС на електрофізичних установках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут ядерних досліджень

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дослідження і розробка МЕТОДІВ та технічних засобів радіаційних випробувань обладнання АЕС на електрофізичних установках

05.14.14. - «Теплові та ядерні енергоустановки»

САХНО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на науково-технічній базі сектору радіаційних технологій відділу структури ядра ІЯД НАН України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, Сахно Віктор Іванович,

Інститут ядерних досліджень НАН України, завідувач сектору радіаційних технологій відділу структури ядра

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України, Ключников Олександр Олександрович, Інститут проблем безпеки АЕС НАН України, директор;

кандидат технічних наук, професор, Широков Сергій Васильович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри атомних електричних станцій та інженерної теплофізики.

Захист відбудеться 03.07. 2008 р. о 14-15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.167.01 при Інституті ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680, м. Київ, пр. -т Науки, 47.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту ядерних досліджень НАН України, 03680, м. Київ, пр. -т Науки, 47.

Автореферат розісланий 03.06. 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Томчай С.П.

Анотації

Сахно О.В. Дослідження і розробка методів та технічних засобів радіаційних випробувань обладнання АЕС на електрофізичних установках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. 05.14.14 - теплові та ядерні енергоустановки. Інститут ядерних досліджень Національної академії наук України. Київ, 2008.

Дисертація присвячена дослідженню і комплексному вирішенню проблем створення сучасної технічної бази для випробувань обладнання ядерних енергетичних об'єктів, регламентованих Національною програмою подовження строків експлуатації українських АЕС. Відображено результати розробки структур електрофізичної радіаційної техніки для функціональних випробувань (кваліфікації), а також методик і технічних систем метрології таких випробувань. Досліджено, розроблено і реалізовано оригінальний метод вимірювання та формування радіаційних полів великих об'ємів шляхом трансформування вузьких пучків електронів у широкі рівномірні потоки випромінювання та вирівнювання їх спектру до параметрів, характерних для АЕС. Обґрунтовано методику підвищення надійності електрофізичних радіаційних установок шляхом контролю за станом їх компонентів. Запропоновано і реалізовано відповідні технічні засоби. Розроблено технологічні регламенти кваліфікації кабелів, які надають можливість визначити їх реальний ресурс. Отримано результати експериментальних комплексних випробувань нової кабельної продукції, призначеної до використання у сигнальних мережах АЕС. Створено установку, на якій реалізовано всі вимоги, необхідні для кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС як в робочих, так і в аварійних режимах їх експлуатації.

Ключові слова: кваліфікація обладнання АЕС, електрофізичні джерела випромінювання, технологічна дозиметрія, радіаційні поля великих об'ємів, радіаційні випробування, електротехнічне обладнання.

Сахно А.В. Исследование и разработка методов и технических средств радиационных испытаний оборудования АЭС на электрофизических установках - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук. 05.14.14. - Тепловые и ядерные энергоустановки. Институт ядерных исследований Национальной академии наук Украины. Киев, 2008.

Диссертация посвящена исследованию и комплексному решению проблем создания современной технической базы для испытаний оборудования ядерных энергетических объектов, регламентированных Национальной программой продления сроков эксплуатации украинских АЭС. Отражены результаты разработки структур электрофизической радиационной техники для функциональных испытаний (квалификации), а также методик и технических систем метрологии таких испытаний. Исследован, разработан и реализован оригинальный метод измерения и формирования радиационных полей больших объемов путем трансформирования узких электронных пучков в широкие равномерные потоки излучения и выравнивания их спектра до значений, характерных для АЭС. Обосновано методику повышения надежности электрофизических радиационных установок путем контроля за состоянием их компонентов. Предложены и реализованы соответствующие технические средства. Разработаны технологические регламенты квалификации кабелей, которые позволяют определить их реальный ресурс. Получены результаты экспериментальных комплексных исследований новой кабельной продукции, предназначенной для использования в сигнальных сетях АЭС. Создана установка, на которой реализованы все требования, необходимые для квалификационных испытаний оборудования АЭС как в рабочих, так и в аварийных режимах их эксплуатации.

Ключевые слова: квалификация оборудования АЭС, электрофизические источники, технологическая дозиметрия, радиационные поля больших объемов, радиационные испытания, электротехническое оборудование.

Sakhno O.V.

Research and development of methods and technical means for radiation tests of the NPPs' equipment on electrophysical installations - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate in technical sciences. 05.14.14. - Heat and nuclear facilities. National Academy of Sciences of Ukraine Institute for Nuclear Research. Kyiv, 2008.

The thesis is dedicated to research and complex decision of problems concerning the creation of modern technical base for tests of nuclear power objects equipment regulated by the National program of prolongation the terms of Ukrainian nuclear power plants (NPP) maintenance. It outlines the results of the development of structures of electrophysical radiation technics for functional tests (qualification) as well as techniques and technical metrology systems for such tests. The original method of measurement and formation of radiation fields of great volumes by means of transforming narrow electronic beams in wide uniform streams of radiation and alignment of their spectrum up to values, common for nuclear power plants is researched, developed and realized. The methodics of increasing the reliability of electrophysical radiation installations by controlling the condition of their components is proved. The corresponding means are offered and realized. The production schedules of cable qualification, which allow to determine their real resource are developed. The results of experimental complex researches of the new cable production for the usage in signal networks of nuclear power plants are received. The installation on which all the necessary requirements for qualifying tests of NPPs' equipment are realized (in working and emergency conditions of their operation), is created.

Keywords: qualification of NPPs' equipment, electrophysical sources, technological dosimetry, radiation fields of great volumes, radiation tests, electrotechnical equipment.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В рамках національної програми з підвищення експлуатаційної надійності та подовження термінів експлуатації АЕС України постановою Уряду України № 1553 від 12.10.2000 р., рекомендаціями МАГАТЕ, КЯР України та інструктивними документами НАЕК «Енергоатом» України регламентовано проведення додаткових випробувань обладнання на предмет їх придатності для АЕС (кваліфікації). Випробування повинні включати дослідження процесів деградації функцій обладнання в умовах, характерних для АЕС. Результатом будуть дані про ресурсні показники обладнання в умовах сукупної дії технологічних і зовнішніх факторів, специфічних для ядерних об'єктів. Врахування цих даних надасть можливість переводу вітчизняних АЕС з планово-попереджувального режиму експлуатації на режим експлуатації за ресурсними показниками обладнання, загальноприйнятий у розвинених країнах світу. Це забезпечить підвищення рівня надійності об'єктів ядерної енергетики України до світових стандартів і дасть значний економічний ефект.

Проблемою є відсутність в системі атомної енергетики України радіаційної техніки, яка б надавала можливості здійснювати такі випробування. Тому необхідною умовою виконання визначених в нормативній документації заходів є створення відповідної технічної бази - нового покоління радіаційних установок, які забезпечуватимуть реалізацію нових методів радіаційних випробувань (кваліфікації обладнання АЕС).

У світовій практиці актуальною є тенденція переобладнання радіаційних технологій на штучні джерела радіації - електрофізичну радіаційну техніку. Вона дозволяє вирішити головні проблеми радіаційних технологій - екологічну безпеку робіт та економічні проблеми. З огляду на успішний досвід створення та експлуатації потужних електрофізичних установок, це є привабливим фактором залучення електрофізики для вище означених радіаційних випробувань. Зараз в Україні налічується 6 електрофізичних установок, які можуть стати основою створення техніки для кваліфікації обладнання АЕС.

Для успішного вирішення даного питання здійснено комплексні теоретичні і експериментальні дослідження, які дозволили визначити напрямки і обсяги модернізації існуючої радіаційної техніки для радіаційних (кваліфікаційних) випробувань. Їх результати використовуються для розробки шляхів і відповідних технічних засобів для адаптації типової радіаційної техніки під задачі кваліфікації обладнання.

В даній дисертації наведено матеріали комплексного вирішення проблеми модернізації електрофізичних радіаційних установок для проведення випробувань обладнання ядерних енергетичних об'єктів. Вони відображають результати розробки удосконалених структур електрофізичної радіаційної техніки, розробку технічних засобів, що їх необхідно включати до складу установок для здійснення кваліфікації обладнання АЕС. Значна увага приділяється питанням надійності створюваної техніки та розробці методів практичного забезпечення нормативних вимог до параметрів випробувальних установок.

В роботі представлено також результати розробки і практичної реалізації методів кваліфікаційних випробувань електротехнічного обладнання АЕС (кабельної продукції).

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з планами науково-дослідницьких робіт Інституту ядерних досліджень НАН України за наступними тематиками:

1. НДР «Дослідження змін властивостей матеріалів при радіаційних технологіях», державна реєстрація № 0101U000424, 1997 р.

2. НДР «Дослідження збуджених атомних ядер і механізмів ядерних реакцій в області низьких енергій», державна реєстрація № 0105U001049, 2000 р.

3. Інноваційний проект «Впровадження технологій радіаційної пастеризації продуктів харчування», державна реєстрація № 0104U009421, 2004 р.

4. Цільова програма наукових досліджень «Державна програма фундаментальних досліджень по проблемам використання ядерних матеріалів та ядерних і радіаційних технологій в сфері розвитку галузей економіки на 2004 ч 2010 роки». НДР «Розробка нових методів та технічних засобів радіаційних випробувань обладнання АЕС», державна реєстрація № 01070004926, 2007 р.

5. НДР «Дослідження процесів деградації основного обладнання АЕС та розробка методів функціональних випробувань», державна реєстрація № 01074005727, 2007 р.

В дисертаційній роботі використано також матеріали ряду тематичних замовлень від українських проектантів і виробників нової техніки для об'єктів атомної енергетики.

Мета і задачі дослідження. Дана робота відображає результати пошуку шляхів модернізації електрофізичної радіаційної техніки для кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС. Метою дисертаційної роботи є:

1. Дослідження та розробка шляхів адаптації сучасних електрофізичних радіаційних установок для організації випробувань працездатності обладнання АЕС (кваліфікації).

2. Розробка методик і технічних систем метрології процесів кваліфікації.

Попередні дослідження проблеми та оцінка можливих шляхів її вирішення показали доцільність виконання цих заходів за декілька послідовних етапів. На даний час найбільш актуальними є проблеми зниження аварійності електротехнічного обладнання та кабельної продукції. Тому перший етап впровадження нових методів випробувань було орієнтовано на кваліфікацію електротехнічного обладнання АЕС.

Для реалізації поставленої мети роботи було визначено наступні задачі:

1. Дослідити нормативні вимоги до кваліфікаційних випробувань обладнання ядерних енергетичних установок. На цій підставі встановити перелік науково-технічних вимог до методів і техніки цих випробувань.

2. Дослідити науково-технічні задачі адаптації ЕФУ до випробування обладнання АЕС.

3. Експериментально дослідити та реалізувати на установці ІЯД метод формування рівномірних радіаційних полів великих об'ємів.

4. Дослідити методологічні проблеми організації кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС. Забезпечити вимірювання його регламентованих характеристик під дією радіації та інших експлуатаційних факторів.

5. Створити випробувальну установку, яка б забезпечила нормативні умови проведення кваліфікації електротехнічного обладнання АЕС.

6. Створити на установці систему технологічної дозиметрії радіаційних полів великих габаритів. Забезпечити необхідну точність вимірювань та провести метрологічну атестацію системи.

7. Дослідити проблеми підвищення надійності електрофізичної радіаційної техніки та забезпечення стабільності її робочих параметрів протягом усього часу, необхідного для проведення випробувань обладнання АЕС.

8. Забезпечити температурний контроль високовольтного обладнання випробувальної установки, та створити відповідний апаратний комплекс засобів температурної стабілізації ЕФУ.

9. Розробити та створити систему охолодження та стабілізації температури силових вузлів установки з метою зменшення дрейфу параметрів установки до регламентованих у нормативній документації значень.

10. Розробити практичні методи кваліфікації кабельної продукції.

11. Створити на установці ІЯД спеціальну систему вимірювань, у відповідності до діючих стандартів. Передати установку на дослідну експлуатацію для кваліфікації кабельної продукції, призначеної до використання у системах АЕС.

Об'єкт дослідження. Радіаційна техніка для кваліфікації обладнання АЕС.

Предмет дослідження. Методи організації та структура технічних засобів для кваліфікаційних випробувань на електрофізичних радіаційних установках.

Методи дослідження. Базові теоретичні положення роботи, отримані аналітичними методами, були перевірені, уточнені і адаптовані до практичного використання шляхом експериментальних досліджень і розробок.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше в електрофізичній техніці для прикладних промислових установок розроблено методику формування радіаційних полів великих об'ємів системою розсіюючих і відбиваючих екранів.

2. Створено і обґрунтовано оригінальну методику підвищення надійності електрофізичних радіаційних установок шляхом контролю за теплотехнічними показниками їх експлуатації.

3. Розроблено методи дослідження функціональної придатності обладнання для використання на АЕС шляхом одночасного вимірювання усіх технічних, технологічних та зовнішніх факторів .

4. Розроблено методи кваліфікації сигнальних кабелів нового покоління для систем внутрішнього реакторного контролю АЕС.

Практичне значення роботи. Встановлено перелік технічних вимог до електрофізичної радіаційної техніки для можливості здійснення кваліфікації обладнання.

Розроблено комплекс технічних засобів, необхідних для адаптації існуючої поширеної електрофізичної техніки під потреби кваліфікаційних випробувань обладнання і матеріалів АЕС. Створено комплекс додаткових технічних засобів контролю за теплотехнічними показниками електрофізичних радіаційних установок, які випробувано і передано в експлуатацію.

Вперше створена електрофізична радіаційна установка для кваліфікаційних випробувань та сертифікації обладнання українських АЕС. Розпочато випробування нової кабельної продукції, створеної українськими виробниками в обсязі програми подовження термінів експлуатації АЕС України.

На захист виносяться:

1. Метод формування і контролю на електрофізичних установках радіаційних полів великих об'ємів.

2. Методика кваліфікації кабелів на придатність їх до експлуатації на АЕС.

3. Метод підвищення надійності і стабільності характеристик електрофізичних джерел радіації при тривалих процесах кваліфікації обладнання АЕС.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації приймав безпосередню участь в усіх етапах виконання дослідницьких робіт: розробці методів розв'язання поставлених задач, налагоджуванні експериментальних методик та проведенні експериментів, обробці експериментальної інформації, аналізі отриманих даних, підготовці рукописів статей до друку. Автором особисто:

- Проаналізовано національну і міжнародну нормативну базу, визначено методичні аспекти організації радіаційних (кваліфікаційних) випробувань обладнання АЕС та розроблено вимоги до випробувальної техніки.

- Розроблено технічні рішення забезпечення метрологічної точності оперативного контролю вихідних параметрів прискорювача, створено і введено в експлуатацію відповідні засоби.

- Розроблено методику контролю температурних режимів обладнання, що працює під високим потенціалом. Створені відповідні оригінальні датчики і апаратура.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та отримали схвальний відгук на 15 конференціях та семінарах:

- наукових конференціях Інституту ядерних досліджень НАН України (Київ, 1999 р., 2003 р., 2005 ч 2007 р.);

- міжнародних науково-практичних конференціях НАЕК «Енергоатом» та Українського ядерного товариства (Енергодар, 2000 р., Севастополь, 2003 р.);

- міжнародній конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики (Львів, 2002 р.);

- XVIII конференції по прискорювачам заряджених частинок RUPAC-2002 (г. Обнинск, 2002 г.);

- міжнародних конференціях з фізики радіаційних явищ та радіаційному матеріалознавству (Алушта, 2004р., 2006 р.);

- міжнародній школі молодих вчених з ядерної фізики та енергетики (Алушта, 2005 р.); міжнародній конференції «Актуальні проблеми ядерної фізики та атомної енергетики» (Київ, 2006 р.);

- ХХ міжнародному семінарі по прискорювачам заряджених частинок (Алушта, 2007 р.);

- міжнародній конференції «Продление срока эксплуатации энергоблоков АЭС. Оценка технического состояния и управление старением оборудования и кабельных изделий» (Київ, 2007 г.).

Наукові публікації. Основні матеріали дисертації опубліковано в 10 роботах, з них 8 публікацій в реферованих виданнях, 2 - в матеріалах міжнародних конференцій. Сім публікацій виконано у співавторстві, внесок здобувача вказано вище.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Матеріали дисертації викладено на 120 сторінках, з них 110 сторінок тексту, 52 ілюстрації та 7 таблиць. Список використаних літературних джерел складається з 103 найменувань.

ядерний енергетичний установка технічний

Основний зміст роботи

У вступі показана актуальність теми, визначено мету і задачі роботи, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, зв'язок роботи з науковими програмами і темами, відмічено особистий внесок здобувача.

У першому розділі наводяться результати дослідження проблеми кваліфікації обладнання АЕС. Показано, що для проведення обов'язкових кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС необхідно створити та атестувати відповідну експериментальну базу. Запропоновано класифікувати обладнання АЕС, конкретизувати технічні вимоги до випробувальних установок в залежності від призначення, та поетапно реалізувати необхідні методики і техніку випробувань. З аналізу рівня експлуатаційної безпеки об'єктів атомної енергетики України запропоновано етапність впровадження процедури кваліфікації.

Обґрунтована доцільність на першому етапі створити випробувальну базу для кваліфікації електротехнічного обладнання та кабельних виробів для АЕС. Встановлено, що на даний момент вони є найбільш аварійно-небезпечною частиною АЕС (до 60,8 % від кількості порушень у роботі АЕС України, які впливають на експлуатаційну безпеку).

Визначено необхідні характеристики (в першу чергу - геометричні) простору, що опромінюється, методичні особливості нових випробувань та шляхи подальшого розвитку нової техніки. Досліджено національну НТД та міжнародні рекомендації до проведення кваліфікаційних випробувань обладнання ядерних енергетичних установок. Встановлено перелік науково-технічних вимог до методів і техніки цих випробувань. Показано, що головними умовами організації кваліфікаційних випробувань обладнання є:

- наявність до 10 м³ додаткового об'єму реакційної камери установки;

- забезпечення дози опромінення до 10⁶ Гр при інтенсивності до 10³ Гр/год.;

- стабільність параметрів опромінення протягом 100 ч 1000 годин;

- можливість регулювання співвідношення чинників радіації;

- можливість формування радіаційних полів в об'ємі до 2 м³ з нерівномірністю до ± 15 %;

- здійснення дозиметрії процесів та контролю за умовами опромінення.

Досліджено можливості сучасної радіаційної техніки щодо реалізації поставлених вимог. Запропоновано використати для кваліфікації обладнання АЕС електрофізичні джерела іонізуючих випромінювань (ЕФД). Це відповідає дійсним нормативним вимогам. На установках з ЕФД можна формувати окремі складові радіаційних полів (в-, г- та нейтронне випромінювання) і їх суперпозиції у співвідношеннях, необхідних для випробування конкретного обладнання. Можливість регулювання потужності ЕФД у широкому діапазоні дозових навантажень створює умови для ресурсних випробувань обладнання.

Запропоновано для організації досліджень та розробки методів кваліфікації обладнання АЕС технічно і структурно доопрацювати нову потужну радіаційну установку ІЯД НАН України. Фізичні характеристики установки дозволяють виконувати широкий діапазон наукових і технологічних досліджень, створювати і випробовувати в реальних умовах всі стадії радіаційних процесів.

Досліджено науково-технічні задачі адаптації електрофізичних установок (ЕФУ) до випробувань обладнання АЕС. Встановлено, що головними проблемами реалізації на ЕФУ нормативних вимог кваліфікації обладнання є формування радіаційних полів великих розмірів з відповідним радіометричним супроводом та забезпечення стабільності характеристик радіаційного поля протягом тривалого часу.

Для адаптації існуючої експериментальної техніки під потреби кваліфікації обладнання АЕС розроблено комплекс методів та спеціальних технічних засобів:

1. Модернізація структури ЕФУ:

- створення системи формування рівномірного поля опромінювання великого перерізу;

- розробка методів контролю радіаційних полів великого перерізу.

2. Технічне забезпечення процесів кваліфікації обладнання АЕС на ЕФУ:

- виконання нормативних вимог щодо тривалості опромінення;

- забезпечення стабільності характеристик радіаційного поля.

Доведена можливість за допомогою цих заходів забезпечити більш високі експлуатаційні показники радіаційної техніки та привести параметри типової радіаційної установки у відповідність до сучасних вимог кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС.

У другому розділі викладено результати розробки шляхів адаптації ЕФУ до умов випробувань обладнання АЕС. Показано, що для кваліфікації обладнання необхідно забезпечити рівномірне опромінення об'єктів складної форми (електротехнічне та електромеханічне обладнання, кабельні вироби, тощо) об'ємом до 2 м³ з нерівномірністю розподілу радіаційного поля не більше 10 %. Здійснено аналіз типових методів формування радіаційних полів. Різноманітні за товщиною і формою об'єкти, що опромінюються, необхідність врахування зміщення енергій, нестаціонарність радіаційного поля, невідповідність часових параметрів пучка та ряд інших зауважень, роблять неприйнятним використання зазначених методів для кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС.

Для адаптації можливостей ЕФУ під нові задачі запропоновано оригінальну методику формування радіаційних полів великих розмірів. Вона базується на ефектах багатократного розсіяння електронів при їх проходженні крізь речовину. В результаті цих процесів відбувається перерозподіл спектру енергії пучка та змінюється кутовий розподіл електронів. Попередня оцінка цих ефектів здійснена шляхом комп'ютерного моделювання. Результати показали можливість суттєвого розширення спектру пучка та значного результуючого відхилення траєкторії електронів. Було доведено можливість практичного використання ефектів розсіяння прискорених електронів для отримання широких пучків електронів. Показано, що використання багатопланових механізмів взаємодії електронів з матеріалом мішені є привабливим шляхом формування пучків електронів великого перерізу (понад 1 м²).

Досліджено проблеми метрології потужних радіаційних полів для оптимізації параметрів установки (ефективність, економічність, ресурс), оперативного супроводу випробувань та отримання достовірних результатів радіаційних робіт. Встановлено, що суттєвим обмежуючим фактором вирішення цього завдання є задані в технічних умовах геометричні параметри радіаційних полів - до 2 м³. З огляду наявних матеріалів слідує, що в Україні на промислових установках відсутні прототипи систем дозиметрії, а великі інтенсивності випромінювання виключають можливість використання методів ядерної фізики високих енергій (наприклад, напівпровідникових детекторів).

При розробці шляхів модернізації електрофізичних установок для радіаційних випробувань обладнання АЕС запропоновано залучити електронні методи діагностики пучків. Досліджено та розроблено методику дозиметричного супроводу кваліфікаційний випробувань обладнання АЕС з метою попереднього формування радіаційних полів заданої конфігурації (відповідно до умов конкретної роботи) і оперативного контролю стабільності отриманих полів в процесі опромінення. В запропонованій системі вимірюється інтенсивність пучка та характер його розподілу на мішені. Контроль конфігурації радіаційного поля здійснюється шляхом послідовного переміщення (сканування) датчиками простору, що опромінюється. При реалізації цієї методики вирішено низку технічних проблем забезпечення стабільності і точності сканування простору, де сформовані сильні радіаційні поля.

Створена система технологічної дозиметрії складається з засобів оперативного вимірювання радіаційних полів, засобів їх калібрування та апаратури накопичення і обробки інформації. Вона побудована на спеціально розроблених технічних засобах вимірювання електронних потоків. Датчики для вимірювання продуктів конверсії пучка вибрані з стандартизованих систем дозиметрії г-випромінювань. Технічні засоби системи забезпечують метрологічну точність вимірювання інтенсивності випромінювання до 5 % у будь-якій точці контрольованого простору. Для транспортування датчиків в задані точки контрольованого простору було створено спеціальний електромеханічний пристрій, що базується на вимірювальному планшеті з прецизійним скануючим механізмом. Він дозволяє контролювати розподіл поля в об'ємі 900 х 900 х 1500 мм. Координати точки вимірювання визначаться з похибкою не більше 1ч2 %.

Базовим засобом контролю інтенсивності пучка електронів є датчик щільності пучка (циліндр Фарадея), при конструюванні якого враховано всі необхідні міри підвищення метрологічної точності. Розрахунок основних розмірів датчика для даної установки проводився на основі теорії взаємодії прискорених частинок з речовинами і експериментальних досліджень. Розрахункова похибка вимірювання - 0,5 %. Апертура датчика - 1 см². Циліндр Фарадея використовується також при калібруванні і градуюванні вимірювачів струму іншого типу або при налагодженні технологічного процесу.

Для безперервних оперативних вимірювань запропоновано датчик струму пучка магнітно-індукційного типу. Оригінальністю датчика є специфічна конструкція, що дозволяє встановлювати його зовні випускного вікна прискорювача для контролю виведеного пучка. Для отримання необхідних метрологічних показників, незалежних від можливих флуктуацій параметрів пучка, в конструкції датчика прийнято заходи, що забезпечують аперіодичний режим перетворення сигналу. В їх числі - малий опір навантаження, широка полоса частот (сигнал відповідає по формі імпульсу струму пучка в діапазоні 1 ч 10 мкс) та інше.

Динамічний діапазон системи вимірювань розрахований на регулювання загальної інтенсивності первинного пучка електронів від 10 мА до 1500 мА в імпульсі. Отримані параметри системи вимірювань дозволяють сформувати радіаційне поле в області опромінювання матеріалів об'ємом до 2 м³ з нерівномірністю менше 10 %. Це відповідає самим жорстким технічним вимогам до проведення робіт на таких установках. Система забезпечена відповідною метрологічною атестацією і дозволяє виконувати усі необхідні вимірювання для встановлення дози опромінення.

При реалізації системи формування радіаційних полів великих габаритів було виконано комплекс експериментальних робіт щодо виявлення ефективності запропонованої методики і можливого впливу на розробку технологічних регламентів кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС. Встановлено залежності кутових і енергетичних показників в пучку від структури і конструкції елементів розсіювання, уширення спектру енергії пучка.

Досліджено залежності розподілу інтенсивності випромінювання з використанням ефектів розсіювання пучка. Проведено цикл експериментальних робіт для визначення ефектів від кількості розсіювачів, їх характеристик, товщини, матеріалу, положення, тощо. Експериментально показано, що доцільним є використання системи з декількох розсіювачів, об'єднаних за принципами оптичних систем. Змінюючи параметри такої системи, можна сформувати радіаційне поле необхідної конфігурації. Було визначено вимоги до конструкційних матеріалів. За сумою показників перевагу мають розсіювачі з алюмінію і його сплавів. За результатами проведених досліджень оптимізовано структуру системи.

Практична реалізація запропонованої методики формування широких радіаційних полів, дозволила створити на електрофізичній установці ІЯД радіаційні умови, які повністю відповідають вимогам кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС.

У третьому розділі досліджуються технічні проблеми забезпечення радіаційних випробувань на ЕФУ. Встановлено, що для проведення кваліфікаційних випробовувань обладнання АЕС необхідно забезпечити високу якість і стабільність радіаційних характеристик установки протягом тривалого часу безперервної роботи. Проаналізовано досвід практичної експлуатації електрофізичних установок та досліджено особливості дрейфів їх характеристик під дією різних факторів. Встановлено, що нестабільність параметрів радіаційного поля в значній мірі спричинена температурною нестабільністю силових елементів ЕФУ, а температурний режим є визначальним експлуатаційним параметром сучасної потужної радіаційної техніки.

З метою обґрунтованого вибору структури та технічних рішень для модернізації типової радіаційної установки ІЯД, було досліджено реальні теплові характеристики її силового обладнання. Встановлено, що найбільш важливою є проблема регулювання температурного режиму діафрагмованого хвилепроводу, першого перетворювача енергії (тиратронного імпульсного генератора) та резонансного вузла (магнетронний генератор), теплові втрати якого складають 45 % потужності. Було досліджено характер впливу температури резонатора на ефективність використання прискорювача і параметри пучка.

Досліджено різні шляхи забезпечення стабільної роботи електрофізичних установок. Запропоновано здійснювати це шляхом контролю за тепловим режимом силових вузлів та високовольтного обладнання джерела випромінювання, а також його автоматичним регулюванням. Встановлено, що при реалізації систем терморегулювання та термоконтролю на електрофізичних установках існує ряд специфічних проблем, пов'язаних з особливостями імпульсних джерел радіації. Це:

? відсутність прототипів систем температурного контролю на прискорювачах;

? високі потенціали на окремих елементах обладнання;

? різке обмеження асортименту чутливих елементів через високий рівень електромагнітних перешкод і радіації;

? відсутність відповідної спеціалізованої апаратури;

? необхідність модернізації великої кількості штатного обладнання.

Для контурів температурного контролю розроблено спеціальні технічні пристрої. Для їх реалізації було запропоновано оригінальний термоанемометричний метод вимірювань ефективності (стабільності) повітряного охолодження окремих вузлів прискорювача, які находяться під високим потенціалом. Його було використано також і для контролю протоку повітря в інших вузлах системи приточно - витяжної вентиляції. Створено відповідний апаратний комплекс засобів температурної стабілізації ЕФУ, що включає систему первинних перетворювачів сигналів, схеми порівняння, показуючий прилад, автоматичні восьмиканальні аналогові комутаторами, схему ручного перемикання каналів.

З метою зменшення дрейфу параметрів установки до регламентованих у нормативній документації значень було принципово перероблено систему охолодження силових вузлів установки. Для модернізації малоефективної штатної схеми охолодження прискорювача було проведено комплекс заходів:

змінено послідовну схему охолодження на систему паралельних контурів і стабілізації температури силових вузлів;

посилено інтенсивність теплообміну між контурами теплоносіїв;

організовано додаткове повітряне охолодження обладнання з перевищенням рекомендованих температурних показників (вихідний каскад модулятора магнетронного генератора, соленоїд магнетронного генератора, інжектор).

Виконання вказаних заходів дозволило нормалізувати температурні показники обладнання та покращити умови його експлуатації. Подальша тривала експериментальна перевірка показала, що завдяки цьому установка реалізує всі технологічні умови, пов'язані з дотриманням стабільності та тривалістю опромінення.

У четвертому розділі наведено результати практичної реалізації радіаційних випробувань обладнання АЕС на електрофізичній установці іяд. За результатами проведених в рамках дисертаційної роботи досліджень було створено комплекс технічних засобів, що дозволило розширити можливості цієї установки. В модернізованому варіанті установки передбачено можливість тривалого опромінення великогабаритних об'єктів. Структура та параметри установки повністю відповідають вимогам кваліфікаційних випробовувань. Установка доукомплектована:

1. Спеціальною системою термостабілізації і контролю теплових режимів джерела випромінювання (прискорювача) та допоміжних систем.

2. Комплексом систем стабілізації, авторегулювання та синхронізації робочих параметрів прискорювача.

3. Системою формування інтенсивних радіаційних полів великих габаритів.

4. Сертифікованою системою технологічної дозиметрії та іншими необхідними для випробовувань засобами.

Все це в цілому дозволило отримати показники радіаційної установки ІЯД, необхідні для кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС (табл. 1).

Для створеної установки були розроблені методи проведення випробувань функціональної працездатності обладнання. Запропоновано методику кваліфікаційних випробувань, що передбачає системний підхід, характерний для теорії надійності і систем управління. При цьому обладнання, яке випробовується, розглядається як об'єкт управління, виходи якого є функцією суперпозиції перемінних вхідних параметрів. Вихідними параметрами такої системи є технічні характеристики обладнання. Наприклад, для кабелю параметрами виходу є напруга пробою, опір ізоляції, тангенс кута діелектричних втрат, частотні характеристики, та ін., а вхідними - електричний режим експлуатації (напруга, струм, характер сигналу) та зовнішні експлуатаційні фактори (температура, тиск, радіація, тощо). Метою кваліфікації є перевірка відповідності вихідних параметрів обладнання їх значенням, задекларованим у технічних умовах (ТУ), в усьому діапазоні експлуатаційних режимів та зовнішніх умов на АЕС (включно з аварійним).

Тому, на відміну від структур типових засобів радіаційних випробувань, модернізована установка забезпечена додатковою розгалуженою системою контролю різноманітних характеристик обладнання, у тому числі і не пов'язаних з радіацією. Це забезпечує:

1. Одночасне натурне відтворення радіаційних та інших експлуатаційних умов.

2. Контроль технічних характеристик обладнання в регламентованих робочих режимах під впливом експлуатаційних умов.

Таблиця 1. Порівняння технічних параметрів створеної установки ІЯД з потребами кваліфікаційних випробувань

Умови випробувань	Нормативні вимоги	Параметри створеної установки
об'єм реакційної камери	близько 10 м3	понад 20 м3
інтенсивність радіаційного навантаження	до 1•103 Гр/год.	від 0,1 Гр/год. до 14,4•106 Гр/год.
параметри радіаційних полів	змішані (наявні в-, г-, та нейтронна компоненти)	відповідають вимогам стандарту ІЕЕЕ 323-2003
величина фронтального перерізу радіаційних полів	до 1 м2	до 80 Ч 80Ч120 см3
контроль процесів опромінювання	до 8 %	безперервний багатопараметровий
дозиметрія опромінення	до 8 %	електронна система радіаційних вимірювань: точність 5%
час опромінення	від 100 до 1000 годин	до 1000 годин безперервної роботи
нестабільність опромінювання	до 8 %	дрейф параметрів: до 5 %

На першому етапі в структуру установки внесено комплекс допоміжних засобів для відтворення умов експлуатації сигнальних кабелів. Вони забезпечують стандартизовані методи випробовувань відповідних робочих характеристик кабелів цього типу.

Перед введенням в експлуатацію проведено тестові випробування окремих компонентів та установки в цілому. Перевірено працездатність всіх систем установки та відповідність її параметрів умовам кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС.

В експериментах було практично показано, що радіаційні функціональні випробування дають нову інформацію, яку можна використати для покращання показників надійності. Було показано, що такі випробування ефективні вже на етапі проектування обладнання. Наприклад, у наданих розробниками зразках кабелю було виявлено, що один з його головних параметрів (опір ізоляції R_із) суттєво залежить від рівня радіації і виходить за межі, установлені в ТУ на ці вироби. На підставі цих випробувань розробниками повторно вносились необхідні зміни в конструкцію кабелю. Подальші випробування показали, що модифіковані кабелі мають надзвичайно високі технічні характеристики і на даний час аналогів не мають.

В цих роботах було практично доведено високу ефективність випробувань функціональної працездатності кабелів і доцільність використання створеної установки на всіх етапах впровадження та експлуатації обладнання АЕС. Доведено, що нові методи випробувань обладнання АЕС є ефективною мірою виконання програми вдосконалення об'єктів ядерної енергетики.

ВИСНОВКИ

В дисертації викладено результати досліджень проблем реалізації нових методів радіаційних випробувань обладнання АЕС, регламентованих новими вимогами нормативної бази України (НП 306.2.99-2004. «Загальні вимоги до продовження експлуатації енергоблоків АЕС у понадпроектний строк за результатами здійснення періодичної переоцінки безпеки»). Були проведені комплексні розробки методів випробувань і технічних засобів для модернізації електрофізичної радіаційної техніки під ці задачі, а саме:

1. Досліджено умови проведення кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС. Встановлено перелік науково-технічних вимог до методів і техніки цих випробувань.

2. Досліджено науково-технічні проблеми адаптації ЕФУ під новий тип випробувань. Показано, що головними проблемами є формування стаціонарних радіаційних полів великих розмірів, їх стабілізація протягом нормативного часу опромінення (до 1000 год.) та метрологія процесів.

3. Проведено дослідження проблем випробувань і визначено перелік вимог до параметрів полів опромінювання при проведенні кваліфікаційних випробувань. Показана необхідність створення радіаційних полів великих об'ємів, достатніх для розміщення комплектного обладнання АЕС і з характеристиками, що відповідають реальним показникам на діючих об'єктах. Встановлено як мінімальні значення 1 ч 2 м³ опромінюваного простору з інтенсивністю радіаційного навантаження на рівні 1?10³ Гр·см² / год. Досліджено досвід формування на ЕФУ потоків випромінювання великого перерізу.

Розроблено і реалізовано на установці ІЯД оригінальний метод формування радіаційних полів великих об'ємів за допомогою системи розсіюючих та відбиваючих екранів. Експериментально доведена ефективність такого методу трансформування вузьких пучків електронів у широкі рівномірні потоки випромінювання та вирівнювання їх спектру. Отримано емпіричні залежності параметрів радіаційного поля від структури і конструкції системи формування. Створені радіаційні умови відповідають вимогам відтворення робочих режимів обладнання АЕС.

4. Досліджено методологічні проблеми кваліфікації обладнання АЕС. Показано, що тільки для електротехнічного обладнання необхідно забезпечити вимірювання більше 17 його регламентованих характеристик та їх зміни під дією радіації та інших експлуатаційних факторів.

5. Створено установку для кваліфікації електротехнічного обладнання АЕС і розпочато її експлуатацію. Установка забезпечує випробування обладнання в стаціонарному радіаційному полі об'ємом більше 1 м³ з нерівномірністю 10 %.

6. Створено систему технологічної дозиметрії радіаційних полів великих габаритів з точністю вимірювання інтенсивності випромінювання не гірше 5 % у будь-якій точці. Система складається з оперативних засобів контролю пучка (датчик щільності пучка і магнітно-індукційний датчик струму) та датчиків вторинних радіаційних та фізичних ефектів (калориметричні датчики, оригінальні малогабаритні пропорційні іонізаційні камери, датчики продуктів радіолізу повітря, датчики зі сцинтиляторами).

7. Створено прецизійний електромеханічний пристрій переміщення датчиків в опромінюваному просторі 900х900х1500 мм. Координати точки вимірювання визначаються з похибкою менше 2 %. Він дозволяє дистанційно переміщувати датчики випромінювання з точністю до 0,3 см в перерізі реакційної камери і до 1 см - по її глибині.

8. Досліджено проблеми експлуатаційної надійності електрофізичної радіаційної техніки. Доведена доцільність контролю за станом електрофізичної техніки через контроль температурних режимів силових вузлів установок. Показано, що ці параметри є визначальним показником надійності їх експлуатації. Для такого температурного контролю створено оригінальні датчики та відповідний комплекс апаратних засобів. Створена багатоконтурна система охолодження та термостабілізації силових вузлів установки, яка забезпечила зменшення дрейфу параметрів установки до 5 % при тривалості роботи до 1000 год.

9. Вперше розроблено практичні технологічні регламенти кваліфікації кабелів, що базуються на одночасному вимірюванні 16 технічних параметрів. З цією метою створена спеціальна система вимірювань, що включає стандартизовану вимірювальну апаратуру, джерела живлення, засоби зв'язку з ЕОМ та відповідні з'єднувальні мережі. Такі дослідження дозволяють експериментально визначити реальний ресурс кабельних виробів (напруга пробою, ємність та тангенс кута діелектричних втрат, амплітудно-частотні характеристики, зміна характеру часткових розрядів, опір ізоляції).

10. Проведено комплекс випробувань нової української кабельної продукції, призначеної для використання у сигнальних мережах АЕС. Вони надали виробникам можливості створити кабель з високими технічними характеристиками. Була практично доведена доцільність використання створеної електрофізичної техніки на всіх етапах впровадження та експлуатації обладнання АЕС.

Дослідна експлуатація показала, що створена радіаційна установка дозволяє реалізувати фізичні і технічні умови, необхідні для кваліфікаційних випробувань. Наведений перелік заходів може бути використаний для адаптації інших існуючих електрофізичних установок під вирішення проблем кваліфікації обладнання в ядерній енергетиці України.

Список публікацій за темою дисертації

1. Проблеми експлуатації кабельних мереж на АЕС / Сахно О.В. - Київ, 2000 - 8 с. - (Препр. / НАН України. Ін-т ядерних досл.; КІЯД-00-2).

2. Сахно А.В. Исследование проблем повышения безопасности кабельных магистралей АЭС. // Сборник материалов 5-й конференции Украинского Ядерного Общества. - Энергодар, ЗАЭС, УкрЯО, 2001 - С. 102-106.

3. Вишневский И. Н., Сахно В. И., Сахно А. В. и др. Радиационная установка с ускорителем электронов Института ядерных исследований Национальной академии наук Украины // Атомная энергия. _ 2003. _ Т. 94, вып. 2. _ С. 163_166.

4. Сахно В. І., Томчай С. П., Сахно О. В. Дослідження радіаційно-стимульованих факторів деградації обладнання АЕС // Збірник наукових праць Інституту ядерних досліджень. _ 2000. _ № 2. _ С. 102_105.

5. Сахно А.В. Перспективы использования электрофизических установок для испытаний оборудования АЭС // Ядерні та радіаційні технології. - 2003. - Т.3, № 2. - С. 44-47.

6. Зелінський А.Г., Сахно О.В., Томчай С.П. та ін. Розробка та дослідження параметрів датчика струму пучка електронів радіаційної установки ІЯД. // Збірник наукових праць Інституту ядерних досліджень. - Київ, 2003. - №2(10). - С. 146-149.

7. Вишневський І.М., Зелінський А.Г., Сахно О.В. та ін. Система вимірювання розподілу полів випромінювання на радіаційній установці ІЯД // Збірник наукових праць Інституту ядерних досліджень. - 2004. - № 2(13). - С.159-162.

8. Сахно А.В., Сахно В.И., Томчай С.П. Устройство контроля параметров охлаждения оборудования ускорителя // Збірник наукових праць Інституту ядерних досліджень. - 2002. - № 7. - С.179-181.

9. Вишневський І.М., Сахно В.І., Сахно О.В. та ін. Спеціалізований стенд для функціональних випробувань кабельних виробів АЕС // Ядерна фізика та енергетика. - 2007. - № 1(19). - С.140-144.

10. Вишневський І.M., Сахно В.І., Сахно О.В. та ін. Проблеми радіаційних випробовувань кабелів АЕС на установці ІЯД // Вопросы атомной науки и техники. - 2007. - № 6. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91). - С. 128-130.

Размещено на Allbest.ru

...