Система измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора

Система измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области измерительной техники и ядерной энергетике и предназначено для использования в составе ядерного энергетического реактора атомной электростанции для непрерывного контроля и оперативного измерения концентрации борной кислоты в теплоносителе ядерного реактора типа ВВЭР. Борная кислота, содержащаяся в виде водного раствора в составе теплоносителя, содержит химический элемент Бор-10, атомное ядро которого является эффективным поглотителем нейтронов, образующихся при работе ядерного реактора. Количество атомов Бора-10 в составе теплоносителя является фактором, определяющим режим работы ядерного реактора. Изменяя количество атомов бора в составе теплоносителя, можно изменять режим работы ядерного реактора. В состав одной молекулы борной кислоты (Н₃ВО₃) входит один атом Бора-10. Концентрация атомов Бора-10 пропорциональна концентрации борной кислоты в ее водном растворе в составе теплоносителя ядерного реактора. Поэтому измерение концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя тождественно определению концентрации атомов Бора-10 в указанном теплоносителе, что является важным фактором управления работой и обеспечения безопасности работы ядерного энергетического реактора.

Известны различные методы определения концентрации атомов бора и борной кислоты в составе контура теплоносителя ядерного реактора. Одним из наиболее известных и практически применяемых методов является метод непосредственного отбора пробы из контура теплоносителя ядерного реактора и последующего химического измерения концентрации борной кислоты в составе полученной пробы - так называемый хемолюминесцентный метод определения концентрации борной кислоты [1, 13]. Согласно данному методу материал отобранной из контура теплоносителя пробы подвергается обработке люцигенином, щелочью и перекисью водорода. Концентрация борной кислоты определяется по уровню люминесцентного свечения обработанной пробы, которое пропорционально концентрации борной кислоты. К недостаткам такого метода измерений следует отнести низкую точность измерений, вследствие большого числа факторов, возникающих при обработке пробы набором специальных веществ и влияющих на уровень люминесцентного свечения, помимо собственно концентрации борной кислоты. Реализация данного метода связана с рядом больших технических сложностей, обусловленных радиоактивностью, присутствующей в контуре теплоносителя и окружающих помещениях ядерного реактора, что приводит к необходимости применения специальных и дорогостоящих средств, для предотвращения облучения технического персонала реактора, обеспечивающего взятие пробы из контура теплоносителя. Аппаратура для взятия пробы непосредственно из контура теплоносителя является весьма сложной и громоздкой вследствие высокой температуры и давления рабочего вещества - дистиллированной воды - в контуре теплоносителя и вносит дополнительные погрешности в процесс измерения. Кроме того, процесс отбора пробы и последующего химического определения концентрации борной кислоты занимает много времени, и не позволяет быстро и оперативно получать информацию о концентрации атомов бора в теплоносителе, что необходимо для эффективного управления работой ядерного реактора. Известны радиационные методы определения концентрации Бора-10 в теплоносителе ядерного реактора [2], основанные на регистрации нейтронного потока на выходе ядерного реактора. К таким методам относится способ контроля содержания Бора-10 в первом контуре теплоносителя ядерного реактора по патенту РФ №2025800 [3]. Способ основан на измерении нейтронного потока через теплоноситель на выходе ядерного реактора. При этом регистрируются раздельно нейтроны с энергией до 0,6 эВ в и нейтроны с энергией свыше 0,6 эВ, и по отношению этих потоков нейтронов судят об увеличении концентрации Бора-10 в составе теплоносителя ядерного реактора. К недостаткам данного метода следует отнести низкую точность измерений, позволяющую осуществлять измерение концентрации бора порядка единиц грамм на литр теплоносителя. Кроме того, для реализации данного метода необходимо расположение измерительной аппаратуры непосредственно в рабочей зоне ядерного реактора, что представляет большие сложности в контроле функционирования и технического обслуживания работы аппаратуры.

Наиболее эффективным и точным методом измерения концентрации бора и борной кислоты в ее водном растворе, т.е. в теплоносителе ядерного реактора, является оптический фотометрический метод измерения. Применение данного метода основано на прямом фотометрировании и измерении светового потока соответствующей длины волны, прошедшего через вещество теплоносителя в контуре ядерного реактора непосредственно в его рабочем режиме, без какого либо отбора пробы и без использования каких-либо дополнительных воздействий на вещество теплоносителя химическими веществами, как в хемолюминесцентном методе измерений, а также без измерений радиационных потоков излучения. Для осуществления данного метода измерений необходима врезка в первый контур теплоносителя ядерного реактора измерительной проточной кюветы с оптически прозрачными окнами-иллюминаторами с помощью байпаса - специального ответвляющего трубопровода. Фотометрические методы измерения концентрации веществ в газовой или водной среде известны и с успехом применяются в различных технических отраслях. Однако применение данного метода в ядерной энергетике предъявляет определенные технические требования к аппаратуре и требует решения ряда сложных проблем и задач. Здесь следует отметить невозможность расположения аппаратуры вблизи рабочей зоны реактора и необходимость выноса измерительной аппаратуры из зоны радиационного воздействия и расположения ее на значительном расстоянии от измерительной кюветы, требование высокой точности измерения весьма малых концентраций борной кислоты (порядка 0,5 мг/л вещества теплоносителя) в конце рабочей сессии работы ядерного реактора, обеспечение высокой достоверности и доверительности полученных результатов измерений, а также требование высокой оперативности в проведении измерений. Представляемое изобретение направлено на решение указанных задач.

Известные устройства, реализующие фотометрический метод измерения концентрации веществ, содержат источник излучения, фотоприемник, измерительную кювету, с помощью которой образованы измерительный и опорный каналы измерения, схему обработки измерений. Недостатком данных устройств является сравнительно низкая точность измерений, особенно проявляющаяся при низкой концентрации измеряемых веществ из-за низкой поглощательной способности самого измеряемого вещества. Для преодоления этого недостатка обычно осуществляют увеличение длины измерительной кюветы, или используют многопроходную кювету. Однако эти методы повышения точности неприменимы при проведении измерений в условиях ядерного реактора. Известен двухлучевой фотометр с многоходовой кюветой [4] по патенту Англии №1157086. Устройство содержит источник излучения, измерительный и сравнительный каналы (кюветы), зеркальный модулятор, фотоприемник, блок преобразования сигналов. К недостаткам устройства следует отнести низкую точность измерений.

Известно устройство [5] по патенту РФ №2022239, предназначенное для оптико-абсорбционного анализа газовой смеси. Устройство содержит инфракрасный источник излучения, широкополосный фильтр, измерительную кювету, интерференционный фильтр, фотоприемник, заполненный закисью азота. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерения, что обусловлено нестабильностью параметров источника ИК излучения и приемника излучения и отсутствием возможности компенсации данной нестабильности. В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по технической сущности устройство по патенту РФ №750287 [6]. Устройство представляет собой двухлучевой фотометр и предназначено для оптико-абсорбционного анализа и определения концентраций веществ в жидкой фазе. Данное устройство содержит источник излучения с конденсором, многоходовую (двухходовую) кювету с исследуемым веществом, измерительный и сравнительный каналы, интерференционный фильтр, два фотоприемника, зеркальный механический модулятор, разностный каскад, блок обработки сигналов и управления. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерений, особенно проявляющуюся при измерении малых концентраций веществ. Это обусловлено невозможностью увеличения длины измерительной кюветы при измерении малых концентраций вещества, а также влиянием разброса в чувствительности двух используемых фотоприемников и отсутствия компенсации этого разброса. Следует также отметить принципиальную невозможность использования измерительного оптического устройства, созданного по данной схеме, для проведения измерений в условиях действующего ядерного реактора. Это обусловлено рядом специфических требований, предъявляемых к аппаратуре для измерения параметров теплоносителя в первом контуре ядерного реактора. К таким требованиям и действующим факторам относится невозможность расположения измерительной аппаратуры вблизи ядерного реактора и необходимость выноса аппаратуры в отдельное, защищенное от радиации помещение на значительном расстоянии от реактора - порядка 25 метров, а также невозможность увеличения длины измерительной кюветы свыше одного метра и невозможность использования многоходовой кюветы, имеющей увеличенные габариты (в диаметре) и требующей периодического обслуживания техническим персоналом.

Целью предлагаемого изобретения является преодоление указанных недостатков и создание измерительной системы для оптико-абсорбционного анализа и непрерывного дистанционного измерения концентрации борной кислоты в составе первого контура теплоносителя ядерного реактора типа ВВЭР с высокой точностью, обеспечивающей измерение малых концентраций борной кислоты. Измерение параметров первого контура теплоносителя ядерного реактора осуществляется дистанционно в автоматическом режиме и с высокой оперативностью, без участия обслуживающего персонала, который не подвергается при этом какой-либо радиационной опасности. Предлагаемая измерительная система обеспечивает возможность измерения с высокой точностью больших концентраций борной кислоты в составе теплоносителя порядка десятков грамм на литр вещества теплоносителя - в начале рабочей сессии ядерного реактора, а также измерение малых концентраций борной кислоты в составе вещества теплоносителя порядка 0,5-0,1 мг/л в конце рабочей сессии ядерного реактора. Это реализуется благодаря использованию специальных средств, обеспечивающих многократное прохождение измерительного лазерного излучения через измерительную кювету с ограниченными габаритами, допускающими использование в условиях ядерного реактора.

Достигаемым техническим результатом является увеличение точности измерения концентрации борной кислоты в составе первого контура теплоносителя ядерного реактора, реализация измерений малых концентраций борной кислоты в составе теплоносителя, обеспечение высокой оперативности проведения измерений дистанционно на значительном расстоянии от действующего ядерного реактора без участия обслуживающего персонала.

Указанный технический результат достигается следующим образом и продемонстрирован в виде двух вариантов построения системы измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора.

Первый вариант построения системы измерения

1. В системе измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора, содержащей первый лазерный генератор, измерительную и эталонную кюветы, электрически связанные фотоприемный блок, блок обработки сигналов и блок управления, при этом фотоприемный блок снабжен объективом, а управляющий вход первого лазерного генератора подключен к блоку управления, введены второй лазерный генератор, первый и второй модуляторы лазерного излучения, первый, второй и третий оптические переключатели, четыре волоконно-оптические линии, три управляемых оптических ослабителя, управляемый спектральный фильтр, блок измерения параметров лазерного излучения, пять отражательных зеркал и пять полупрозрачных зеркал, при этом оптические выходы первого и второго лазерных генераторов связаны с оптическими входами, соответственно, первого и второго модуляторов лазерного излучения, оптический выход первого модулятора лазерного излучения связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством последовательно установленных на оптической оси первого, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический выход первого модулятора лазерного излучения дополнительно связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя посредством первого и второго полупрозрачных зеркал, оптический выход второго модулятора лазерного излучения связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством четвертого отражательного зеркала, первого, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический выход второго модулятора лазерного излучения дополнительно оптически связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя посредством четвертого отражательного зеркала, первого и второго полупрозрачных зеркал, первый оптический выход первого оптического переключателя оптически связан с входом первой волоконно-оптической линии через первый оптический ослабитель, оптический выход первой волоконно-оптической линии связан с оптическим входом измерительной кюветы, второй оптический выход первого оптического переключателя оптически связан с входом третьей волоконно-оптической линии через второй управляемый ослабитель, оптический выход третьей волоконно-оптической линии связан с оптическим входом эталонной кюветы, оптический выход измерительной кюветы связан с входом второй волоконно-оптической линии, оптический выход которой связан с первым оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический выход эталонной кюветы связан с оптическим входом четвертой волоконно-оптической линии, выход которой связан со вторым оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический выход третьего оптического переключателя оптически связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством последовательно установленных и оптически связанных третьего отражательного зеркала, пятого полупрозрачного зеркала, второго отражательного зеркала и третьего полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего оптического переключателя дополнительно связан с первым оптическим входом второго оптического переключателя посредством третьего отражательного зеркала и пятого полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего управляемого ослабителя связан со вторым оптическим входом второго оптического переключателя посредством четвертого полупрозрачного зеркала, первого и пятого отражательных зеркал, оптический выход третьего управляемого ослабителя дополнительно связан с оптическим входом блока измерения параметров лазерного излучения посредством четвертого полупрозрачного зеркала, оптический выход второго оптического переключателя связан с оптическим входом управляемого спектрального фильтра, оптический выход которого связан с оптическим входом объектива фотоприемного блока, управляющий вход второго лазерного генератора и управляющие входы первого и второго модуляторов лазерного излучения подключены к блоку управления, управляющие входы трех оптических переключателей и трех управляемых ослабителей подсоединены к блоку управления, управляющий вход управляемого спектрального фильтра подключен к блоку управления.

2. В системе измерения по пункту 1 в качестве первого лазерного генератора использован лазерный генератор ультрафиолетового диапазона длин волн.

3. В системе измерения по пункту 1 первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

4. В системе измерений по пункту 1 оптические переключатели содержат отражательное зеркало и шаговый электродвигатель.

5. В системе измерения по пункту 1 управляемый спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, работающей в диапазоне ультрафиолетовых длин волн и в коротковолновой части видимого диапазона длин волн.

6. В системе измерения по пункту 1 управляемый спектральный фильтр содержит две акустооптические ячейки и два оптических переключателя, включающих акустооптические ячейки поочередно в оптическую схему системы измерений.

7. В системе измерения по пункту 1 эталонная кювета снабжена блоком наполнения рабочим веществом, снабженным впускным и выпускным кранами.

Второй вариант построения системы измерения

Технический новый результат достигается следующим:

8. В системе измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора, содержащей первый лазерный генератор, измерительную и эталонную кюветы, электрически связанные фотоприемный блок, блок обработки сигналов и блок управления, при этом фотоприемный блок снабжен объективом, а управляющий вход первого лазерного генератора подключен к блоку управления, введены второй лазерный генератор, первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения, первый, второй и третий оптические переключатели, четыре волоконно-оптические линии, три управляемых оптических ослабителя, управляемый спектральный фильтр, блок измерения параметров лазерного излучения, пять отражательных зеркал и семь полупрозрачных зеркал, при этом оптический выход первого лазерного генератора связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством последовательно установленных на оптической оси первого, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический выход первого лазерного генератора дополнительно связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя посредством первого и второго полупрозрачных зеркал, оптический выход второго лазерного генератора связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством четвертого отражательного зеркала, первого, второго и третьего полупрозрачных зеркал, оптический выход второго лазерного генератора дополнительно оптически связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя посредством четвертого отражательного зеркала, первого и второго полупрозрачных зеркал, первый оптический выход первого оптического переключателя оптически связан со входом первой волоконно-оптической линии через первый оптический ослабитель, оптический выход первой волоконно-оптической линии связан с оптическим входом измерительной кюветы, второй оптический выход первого оптического переключателя оптически связан со входом третьей волоконно-оптической линии через второй управляемый ослабитель, оптический выход третьей волоконно-оптической линии связан с оптическим входом эталонной кюветы, оптический выход измерительной кюветы связан со входом второй волоконно-оптической линии, оптический выход которой связан с первым оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический выход эталонной кюветы связан с оптическим входом четвертой волоконно-оптической линии, выход которой связан со вторым оптическим входом третьего оптического переключателя, оптический выход третьего оптического переключателя оптически связан с оптическим входом второго блока сдвига частоты лазерного излучения посредством третьего отражательного зеркала, пятого полупрозрачного зеркала и второго отражательного зеркала, оптический выход второго блока сдвига частоты лазерного излучения оптически связан с оптическим входом первого оптического переключателя посредством третьего полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего оптического переключателя дополнительно связан с первым оптическим входом второго оптического переключателя посредством третьего отражательного зеркала и пятого полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего управляемого ослабителя связан со вторым оптическим входом второго оптического переключателя посредством четвертого полупрозрачного зеркала, первого отражательного зеркала и шестого полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего управляемого ослабителя дополнительно связан с оптическим входом блока измерения параметров лазерного излучения посредством четвертого полупрозрачного зеркала, оптический выход третьего управляемого ослабителя оптически связан с оптическим входом первого блока сдвига частоты лазерного излучения посредством четвертого полупрозрачного зеркала, первого отражательного зеркала и шестого полупрозрачного зеркала, оптический выход первого блока сдвига частоты лазерного излучения оптически связан с оптическим входом объектива фотоприемного блока посредством шестого отражательного зеркала и седьмого полупрозрачного зеркала, оптический выход второго оптического переключателя связан с оптическим входом управляемого спектрального фильтра, оптический выход которого связан с оптическим входом объектива фотоприемного блока через седьмое полупрозрачное зеркало, управляющие входы второго лазерного генератора, первого и второго блоков сдвига частоты лазерного излучения подключены к блоку управления, управляющие входы трех оптических переключателей и трех управляемых ослабителей подсоединены к блоку управления, управляющий вход управляемого спектрального фильтра подключен к блоку управления.

9. В системе измерения по пункту 8 в качестве первого лазерного генератора использован лазерный генератор ультрафиолетового диапазона длин волн.

10. В системе измерения по пункту 8 первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

11. В системе измерения по пункту 8 оптические переключатели содержат отражательное зеркало и шаговый электродвигатель.

12. В системе измерения по пункту 8 управляемый спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, работающей в диапазоне ультрафиолетовых длин волн и в коротковолновой части видимого диапазона длин волн.

13. В системе измерения по пункту 8 управляемый спектральный фильтр содержит две акустооптические ячейки и два оптических переключателя, включающих акустооптические ячейки поочередно в оптическую схему системы измерений.

14. В системе измерения по пункту 8 первый блок сдвига частоты лазерного излучения содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, акустооптическую ячейку с блоком управления, первую линзу, точечную диафрагму, вторую линзу и выходную диафрагму, при этом управляющий электрод акустооптической ячейки подключен к блоку управления акустооптической ячейкой.

15. В системе измерения по пункту 8 второй блок сдвига частоты лазерного излучения содержит две акустооптические ячейки и два оптических переключателя, включающих акустооптические ячейки поочередно в оптическую схему системы измерений.

16. В системе измерения по пункту 8 эталонная кювета снабжена блоком наполнения рабочим веществом, снабженным впускным и выпускным кранами.

17. Система измерения по пункту 8 содержит три измерительные кюветы, оптически связанные посредством волоконно-оптических линий с оптическими входами шести дополнительных оптических переключателей, поочередно включающих измерительные кюветы в оптическую схему системы измерения, причем измерительные кюветы подключены к первому контуру теплоносителя ядерного энергетического реактора в его различных точках.

На фиг. 1 приведена блок-схема первого варианта построения предлагаемой системы измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора. Цифрами на фиг. 1 обозначены следующие элементы:

1 - первый лазерный генератор;

2 - измерительная кювета, снабженная окнами, прозрачными для лазерного излучения;

3 - эталонная кювета;

4 - фотоприемный блок;

5 - блок обработки сигналов;

6 - блок управления;

7 - объектив фотоприемного блока;

Далее представлены следующие вновь введенные элементы:

8 - второй лазерный генератор;

9 - первое полупрозрачное зеркало;

10 - второе полупрозрачное зеркало;

11 - третье полупрозрачное зеркало;

12 - первый оптический переключатель;

13 - отражательное зеркало первого оптического переключателя;

14 - первый управляемый ослабитель с блоком управления поз. 15;

15 - блок управления первым ослабителем;

16 - второй управляемый ослабитель с блоком управления поз. 17;

17 - блок управления вторым ослабителем;

18 - третий управляемый ослабитель с блоком управления поз. 19;

19 - блок управления третьим ослабителем;

20 - блок измерения параметров лазерного излучения;

21 - второй модулятор лазерного излучения;

22 - первый модулятор лазерного излучения;

23 - второй оптический переключатель;

24 - отражательное зеркало второго оптического переключателя;

25 - третий оптический переключатель;

26 - отражательное зеркало третьего оптического переключателя;

27 - управляемый спектральный фильтр;

28 - первая волоконно-оптическая линия;

29, 30 - адаптеры волокна первой волоконно-оптической линии, выполняющие функцию согласования оптических пучков и являющиеся оптическими входами и выходами волоконно-оптической линии;

31 - вторая волоконно-оптическая линия;

32, 33 - адаптеры волокна;

34 - третья волоконно-оптическая линия;

35, 36 - адаптеры волокна;

37 - четвертая волоконно-оптическая линия;

38, 39 - адаптеры волокна;

40 - четвертое полупрозрачное зеркало;

41, 42, 43 и 44 - первое, второе, третье и четвертое отражательные зеркала, соответственно;

45 - пятое полупрозрачное зеркало;

46 и 47 - входной и выходной патрубки измерительной кюветы для подсоединения ее к первому контуру теплоносителя ядерного реактора;

49 - блок наполнения эталонной кюветы рабочим веществом;

50 - пятое отражательное зеркало.

В состав первого и второго лазерных генераторов (поз. 1 и 8) входят формирователи лазерного излучения.

На фиг. 2 приведена блок-схема второго варианта построения системы измерения концентрации борной кислоты в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. На фиг. 2 элементы, сходные с первым вариантом построения системы измерений на фиг. 1, обозначены теми же цифрами. Во втором варианте системы на фиг. 2 имеются следующие отличия от первого варианта системы на фиг. 1.

Отсутствуют (исключены) модуляторы лазерного излучения позиции 21 и 22.

Пятое отражательное зеркало поз. 50 исключено и заменено на шестое полупрозрачное зеркало поз. 51, установленное на прежнем месте отражательного зеркала 50 в оптической схеме.

Добавлены (вновь введены) следующие элементы:

52 - первый блок сдвига частоты лазерного излучения;

53 - второй блок сдвига частоты лазерного излучения;

54 - шестое отражательное зеркало;

55 - седьмое полупрозрачное зеркало.

На фиг. 1 и фиг. 2 пересечение волоконно-оптических линий 34 и 38 с открытыми оптическими линиями происходит в разных плоскостях и не влияет на работу измерительной системы.

На фиг. 3 приведена блок-схема управляемого спектрального фильтра (27 на фиг. 1), содержащего следующие элементы, обозначенные цифрами:

56 и 57 - акустооптические ячейки;

58 и 59 - блоки управления, содержащие генераторы электрических сигналов;

60 и 61 - оптические переключатели;

62-65 - отражательные зеркала;

66 и 67 - пьезоэлементы;

68 и 69 - входная и выходная диафрагмы.

На фиг. 4 приведена блок-схема первого блока сдвига частоты лазерного излучения (поз. 52 на фиг. 2), где обозначены следующие элементы:

70 и 71 - акустооптические ячейки;

72 и 73 - блоки управления, содержащие электрические генераторы;

74 и 75 - оптические переключатели;

76-79 - отражательные зеркала.

80 и 81 - входная и выходная диафрагмы.

На фиг. 5 приведена блок-схема второго блока сдвига частоты лазерного излучения (поз. 53 на фиг. 2), где обозначены следующие элементы:

82 - акустооптическая ячейка, 82.1 - пьезоэлемент;

83 - блок управления, содержащий генератор электрических сигналов;

84 - линза;

85 - точечная диафрагма.

86 - линза;

87, 88 - входная и выходная диафрагмы.

На фиг. 6 приведен вариант выполнения системы измерений, основанный на использовании открытых линий оптической связи измерительной кюветы 2 с измерительной схемой вместо волоконно-оптических линий. Элементы, совпадающие с элементами на фиг. 1 и фиг. 2 обозначены прежними цифрами. Новыми цифрами обозначены следующие вновь введенные элементы:

89-94 - отражательные зеркала;

95 и 96 - защитные кожуха.

На фиг. 7 приведена схема первого оптического переключателя (поз. 12 на фиг. 1 и фиг. 2), который находится в состоянии подключения эталонной кюветы к измерительной схеме. Обозначения соответствуют аналогичным элементам на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 8 представлена блок-схема варианта построения измерительной системы, содержащая несколько измерительных кювет. В данном варианте система измерений содержит три измерительных кюветы. Прежние элементы обозначены соответствующими прежними цифрами. Новые элементы обозначены следующими цифрами:

97 и 98 - дополнительные измерительные кюветы;

99-104 - дополнительные оптические переключатели;

105-108 - дополнительные волоконные линии.

На фиг. 9, фиг. 10 и фиг. 11 представлены результаты моделирования измерительного процесса при осуществлении измерений в данной измерительной системе параметров теплоносителя с концентрацией борной кислоты, составляющей 0,5 мг/л (фиг. 9), 0,25 мг/л (фиг. 10) и 0,1 мг/л (фиг. 11).

Измерительная система (фиг. 1 и фиг. 2) работает следующим образом. Система осуществляет непрерывное измерение оптических параметров вещества теплоносителя непосредственно в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. Измерение оптических параметров осуществляется абсорбционно-спектральным методом, путем пропускания лазерного излучения, генерируемого первым лазерным генератором поз. 1 (см. фиг. 1) через измерительную кювету 2 и последующего измерения оптических параметров прошедшего через кювету 2 лазерного излучения с помощью фотоприемного блока 4. Измерительная кювета 2 с помощью специальных патрубков 46 и 47 соединена с первым контуром теплоносителя ядерного реактора посредством специального байпаса (обходного трубопровода). Этим обеспечивается заполнение объема измерительной кюветы 2 веществом теплоносителя, циркулирующего в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. Измерительная кювета 2 снабжена специальными оптическими окнами, прозрачными для лазерного излучения лазерных генераторов поз. 1 и 8. Измерительная кювета 2 размещена вблизи ядерного реактора в зоне действия радиации, и соединена с остальной измерительной аппаратурой, размещенной в зоне отсутствия радиации, волоконно-оптическими линиями 28 и 31. Таким образом, с помощью измерительной кюветы 2, размещенной отдельно от измерительной аппаратуры, осуществляется измерение оптических параметров теплоносителя непосредственно в первом контуре теплоносителя ядерного реактора. В системе измерений первый лазерный генератор поз. 1 является основным источником зондирующего лазерного излучения, на длине волны которого осуществляется измерение характеристик оптического пропускания зондирующего лазерного излучения исследуемым веществом теплоносителя - раствора борной кислоты. Второй лазерный генератор 8 является вспомогательным генератором и генерирует лазерное излучение в более длинноволновой области спектра. С помощью данного лазерного излучения осуществляется контроль и тестирование работы системы измерения, параллельная настройка оптических параметров пропускания излучения измерительной и эталонной кювет. Эталонная кювета 3 снабжена волоконно-оптическими линиями (поз. 34 и 37), аналогичными волоконно-оптическим линиям 28 и 31, подключающим измерительную кювету 2 к оптической схеме системы измерений. Это позволяет осуществить точную настройку и калибровку системы измерений с использованием точно известных параметров эталонного раствора борной кислоты, содержащегося в эталонной кювете 3.

Абсорбционно-спектральный метод основан на определении оптических характеристик пропускания и поглощения веществ в определенных спектральных диапазонах и длинах волн. Применение абсорбционно-спектрального метода для измерения оптических характеристик веществ основано на физических законах Бера и Бугера-Ламберта. Закон Бугера-Ламберта определяет, что при прохождении светового излучения через слой вещества доля поглощенной энергии определяется толщиной L (длиной) пройденного светом пути в исследуемом веществе. В соответствии с этим величина энергии светового потока I, прошедшего через слой исследуемого вещества с толщиной L, может быть определена по формуле:

где I₀ - исходный (входной) падающий световой поток (на входе в измерительную кювету 2); α - коэффициент поглощения светового излучения при прохождении через слой исследуемого вещества, находящийся в измерительной кювете 2. Оптическая плотность вещества (поглощаемость) D равна:

Согласно закону Бера оптическая плотность D пропорциональна концентрации С исследуемого вещества

где K - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом экстинкции и характеризующий экстинкцию (гашение). Таким образом, основное уравнение, связывающее падающий и прошедший световые потоки и концентрацию исследуемого вещества С, можно представить в следующей форме:

где использованы следующие величины и размерности: L [см] - толщина слоя исследуемого вещества (длина измерительной кюветы), С [г/л] - концентрация исследуемого вещества, K [л·г^-1см^-1] - коэффициент экстинкции.

Коэффициент экстинкции является величиной, определяющей ослабляющую световой поток способность некоторой единичной концентрации исследуемого вещества на единичном пути прохождения светового излучения (L=1 см). Коэффициент экстинкции зависит от длины волны λ светового излучения, проходящего через слой исследуемого вещества K=K(λ).

Таким образом, при использовании абсорбционно-спектрального метода для определения концентрации какого-либо вещества, например, концентрации борной кислоты в ее водном растворе, необходимо вначале определить (или иметь заранее по прежним исследованиям) коэффициент экстинкции раствора борной кислоты K на длине волны оптического излучения, использованного для просвечивания исследуемого слоя вещества. Далее осуществляется измерение величин (энергии) падающего и прошедшего оптического излучения. После проведения измерений величин световых потоков осуществляется определение искомой концентрации исследуемого вещества - концентрации борной кислоты в измерительной кювете 2, через которую проходил световой поток от первого лазерного генератора 1, по следующей формуле, полученной из основного соотношения (4):

где V - величина, на которую уменьшается световой поток при прохождении слоя исследуемого вещества с толщиной (длиной) L.

Уравнение (5) является основным для определения концентрации вещества в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известно по технической литературе. В предлагаемой измерительной системе данное уравнение используется для измерения сравнительно больших и средних концентраций борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора - в пределах от десятков грамм на литр в начале сессии работы ядерного реактора, до десятых долей грамма на литр объема вещества теплоносителя в середине сессионного периода работы. Для измерения меньших концентраций используе