Система измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя энергетического ядерного реактора

Система измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя энергетического ядерного 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 контуре теплоносителя, содержит химический элемент Бор-10, атомное ядро которого является эффективным поглотителем нейтронов, образующихся при работе ядерного реактора. Концентрация атомов Бора-10 в составе теплоносителя является фактором, определяющим режим работы ядерного реактора. Одновременно с этим изменение концентрации атомов Бора в составе теплоносителя используется для изменения режима работы и управления ядерным реактором. Путем изменения концентрации атомов Бора в составе теплоносителя осуществляется регулирование и компенсация выгорания топливных стержней (ТВЭЛ) в рабочем режиме ядерного реактора. Это обусловлено тем, что степень поглощения нейтронов зависит от концентрации атомов бора в составе теплоносителя. Образующиеся нейтроны вследствие наличия в составе теплоносителя атомов Бора выключаются из цепной реакции. Устраняется неравномерность распределения генерируемой мощности, возникающая при использовании стандартных управляющих механических элементов в ядерном реакторе. Поэтому точное и оперативное измерение концентрации атомов Бора в составе теплоносителя в первом контуре и подчиненных контурах необходимо для эффективного управления работой ядерного реактора и повышения безопасности атомных электростанций. Молекула борной кислоты H₃BO₃ содержит один атом Бора-10. Поэтому измерение концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора эквивалентно измерению концентрации атомов Бора-10. Известны различные методы измерения концентрации борной кислоты в ее водных растворах, используемые в различных отраслях народного хозяйства. В ядерной энергетике основным методом измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя является химический метод измерения [1], основанный на взятии пробы вещества теплоносителя непосредственно из контура теплоносителя с помощью специального устройства для отбора пробы из основного первого контура теплоносителя непосредственно в рабочем режиме ядерного реактора [20]. Далее полученную пробу вещества теплоносителя в специальных лабораторных условиях, обеспечивающих защиту от радиации, подвергают воздействию ряда химических веществ, вызывающих люминесценцию исследуемого вещества пробы. Уровень концентрации борной кислоты определяют по интенсивности люминесценции обработанного вещества пробы из контура теплоносителя. К недостаткам данного метода определения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя следует отнести невысокую точность, особенно при определении малых концентраций борной кислоты, что обусловлено влиянием различных факторов при обработке пробы набором специальных веществ, возбуждающих люминесценцию при взаимодействии с раствором борной кислоты. Значительным недостатком данного метода является опасность радиационного поражения, которой подвергается персонал АЭС при транспортировке взятой пробы в лабораторный отсек и при осуществлении обработки и измерении параметров полученного вещества пробы. Данный метод характеризуется также малой оперативностью, так как транспортировка и обработка пробы занимает значительное количество времени и не позволяет достаточно быстро и многократно получать информацию о параметрах теплоносителя в контуре ядерного реактора.

Известны радиационные методы определения концентрации атомов Бора в составе теплоносителя в контуре ядерного реактора [2], [3], [7]. Данные методы основаны на прямом измерении параметров нейтронного потока на выходе ядерного реактора, либо используют измерение поглощения нейтронного потока при облучении вещества теплоносителя источником нейтронного излучения. Первый метод характеризуется низкой точностью и малой чувствительностью и позволяет осуществлять измерение только больших концентраций атомов Бора в составе теплоносителя. Второй метод, реализованный в устройстве [7] по патенту РФ, использует облучение вещества теплоносителя внешним источником нейтронного излучения и измерение уровня поглощения нейтронов с помощью специального измерительного прибора. При этом измерительный прибор и источник нейтронов установлены на действующем трубопроводе контура теплоносителя ядерного реактора. Облучающий измерительный поток нейтронов проходит перпендикулярно трубопроводу и протекающему веществу теплоносителя и захватывает малую часть его объема. Вследствие этого точность определения концентрации атомов Бора оказывается невысокой, особенно при определении малых концентраций Бора в составе теплоносителя. Следует отметить в качестве недостатков большую сложность монтажа и обслуживания аппаратуры радиационного измерения, которая располагается непосредственно на элементах трубопроводов контура теплоносителя в зоне действия радиации. В указанных методах отсутствует возможность контроля технического состояния радиационной измерительной аппаратуры, что существенно снижает достоверность и доверительность получаемой информации. Таким образом, известные в настоящее время методы измерения концентрации атомов Бора в составе теплоносителя в контуре ядерного реактора характеризуются невысокой точностью, большой сложностью в техническом обслуживании в условиях радиации при работе ядерного реактора, опасностью радиационного поражения обслуживающего персонала АЭС.

Наиболее точным методом определения концентрации атомов Бора в водном растворе борной кислоты является оптический фотометрический метод измерения. Применение этого метода основано на прямом фотометрировании и измерении светового потока соответствующей длины волны, прошедшего через вещество теплоносителя охлаждающего контура ядерного реактора. Для реализации этого метода измерения необходима врезка измерительной проточной оптической кюветы с оптически прозрачными окнами-иллюминаторами непосредственно в контур теплоносителя ядерного реактора посредством байпасного трубопровода. Возможен второй вариант осуществления фотометрического метода измерения концентрации борной кислоты в составе теплоносителя контура ядерного реактора, не требующий применения врезки проточной измерительной кюветы непосредственно в контур теплоносителя. Согласно этому варианту измеряемое рабочее вещество из контура теплоносителя ядерного реактора подается в измерительную кювету с прозрачными окнами по специальному дополнительному трубопроводу (ответвлению) с выхода пробоотборного устройства ядерного реактора, которое существует и используется в ядерном реакторе для получения пробы вещества теплоносителя и использования этой пробы в рассмотренном выше химическом методе определения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного реактора. При этом вещество теплоносителя в измерительную оптическую кювету подается через дополнительный трубопровод посредством автоматического дистанционно-управляемого клапана. После осуществления измерения концентрации Бора в оптической измерительной кювете, осуществляется слив вещества теплоносителя из данной измерительной кюветы в специальную емкость для дальнейшей утилизации с помощью второго выпускного дистанционно-управляемого клапана. Таким образом, наполнение измерительной оптической кюветы веществом теплоносителя из контура ядерного реактора осуществляется без контакта персонала АЭС с измерительной аппаратурой и полученным материалом пробы. При этом также не требуется осуществления специального прямого подключения (врезки) измерительной оптической кюветы к контуру теплоносителя.

Измерения концентрации веществ в газовой или водной среде фотометрическим методом 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 многопроходовой 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, многопроходовую (двупроходовую) 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 50-100 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 граммов 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 зондирующего лазерного излучения через измерительную кювету с ограниченными габаритами, допускающими использование в условиях ядерного реактора. При этом вблизи ядерного реактора находится только измерительная кювета, которая посредством волоконно-оптической линии соединена с основной измерительной аппаратурой системы измерений, вынесенной в отдельное помещение, безопасное в радиационном отношении.

Достигаемым техническим результатом является увеличение точности измерения концентрации борной кислоты в составе первого контура теплоносителя ядерного реактора, реализация измерений малых концентрации 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.

1. В системе измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя энергетического ядерного реактора, содержащей первый лазерный генератор, измерительную и эталонную кюветы, электрически связанные первый фотоприемный блок и блок обработки и управления, второй фотоприемный блок, выход которого подключен к блоку обработки и управления, управляющий вход первого лазерного генератора подключен к блоку обработки и управления, введены второй лазерный генератор, третий фотоприемный блок, первый и второй модуляторы лазерного излучения, четыре управляемых ослабителя, два выносных зеркала с блоками управления, последовательно установленные на оптической оси измерительной кюветы оптически связанные первый уголковый отражатель, первый светоделитель, оптический выход которого связан с оптическим входом измерительной кюветы, второй уголковый отражатель, оптически связанный с оптическим выходом измерительной кюветы, последовательно установленные на оптической оси эталонной кюветы оптически связанные третий уголковый отражатель, второй светоделитель, оптический выход которого связан с оптическим входом эталонной кюветы, четвертый уголковый отражатель, оптически связанный с оптическим выходом эталонной кюветы, оптически связанные первый адаптер волокна, волоконно-оптическая линия и второй адаптер волокна, оптический выход которого связан с оптическим входом первого светоделителя, а также введены четыре отражательных зеркала и четыре полупрозрачных зеркала, при этом выход первого лазерного генератора посредством первого отражательного зеркала связан с оптическим входом первого модулятора лазерного излучения, выход второго лазерного генератора посредством третьего полупрозрачного зеркала связан с оптическим входом первого модулятора лазерного излучения, оптический выход которого через первое полупрозрачное зеркало связан с оптическим входом первого адаптера волокна при выведенном первом выносном зеркале, оптический выход первого модулятора лазерного излучения при введенном первом выносном зеркале оптически связан с оптическим входом второго управляемого ослабителя, выход которого посредством четвертого отражательного зеркала связан с оптическим входом второго светоделителя, оптический вход первого адаптера волокна при выведенных первом и втором выносных зеркалах оптически связан посредством первого полупрозрачного зеркала и через четвертое полупрозрачное зеркало с оптическим входом второго модулятора лазерного излучения и с оптическим входом четвертого управляемого ослабителя, оптический выход которого связан с оптическим входом второго фотоприемного блока, оптический выход второго модулятора лазерного излучения оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, оптический выход первого модулятора лазерного излучения посредством первого полупрозрачного зеркала и через второе полупрозрачное зеркало оптически связан с оптическим входом первого управляемого ослабителя, выход которого связан с оптическим входом третьего фотоприемного блока, оптический выход первого модулятора лазерного излучения посредством первого и второго полупрозрачных зеркал, второго и третьего отражательных зеркал и через третий управляемый ослабитель, посредством второго выносного зеркала во введенном состоянии и посредством четвертого полупрозрачного зеркала оптически связан с оптическими входами второго модулятора лазерного излучения и четвертого управляемого ослабителя, оптический вход второго управляемого ослабителя при введенном первом выносном зеркале и выведенном втором выносном зеркале оптически связан посредством первого выносного зеркала, первого полупрозрачного зеркала и четвертого полупрозрачного зеркала с оптическим входом второго модулятора лазерного излучения и с оптическим входом четвертого управляемого ослабителя, управляющие входы второго лазерного генератора, первого и второго модуляторов лазерного излучения, первого, второго, третьего и четвертого управляемых ослабителей, подключены к блоку обработки и управления, блоки управления первым и вторым выносными зеркалами подключены к блоку обработки и управления, выход третьего фотоприемного блока подключен к блоку обработки и управления.

2. Система измерения по п. 1, отличающаяся тем, что в ней в качестве первого лазерного генератора использован лазерный генератор ультрафиолетового диапазона длин волн.

3. Система измерения по пункту 1, отличающаяся тем, что первый и второй лазерные генераторы выполнены с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

4. Система измерения по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве светоделителя использована акустооптическая ячейка с блоком управления, подключенного к блоку обработки и управления, причем оптический вход акустооптической ячейки оптически связан с оптическим входом измерительной кюветы, а оптический выход акустооптической ячейки параллельно оптически связан с первым уголковым отражателем и оптическим выходом второго адаптера волокна.

5. Система измерения по п. 1, отличающаяся тем, что в ней эталонная кювета снабжена блоком наполнения рабочим веществом, снабженным впускным и выпускным кранами.

На фиг. 1 приведена блок-схема системы измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя ядерного энергетического реактора. Цифрами на фиг. 1 обозначены следующие элементы.

1 - первый лазерный генератор.

2 - измерительная кювета с оптическими окнами, прозрачными для лазерного излучения.

3 - эталонная кювета, являющаяся аналогом измерительной кюветы.

4 - первый фотоприемный блок.

5 - второй фотоприемный блок.

6 - блок обработки и управления.

Далее цифрами обозначены вновь введенные элементы.

7 - второй лазерный генератор.

8 - третий фотоприемный блок.

9 - второй модулятор лазерного излучения.

10 - первый модулятор лазерного излучения.

11, 12, 13 и 14 - первый, второй, третий и четвертый уголковые отражатели.

15 - волоконно-оптическая линия.

16, 17 - первый и второй адаптеры волокна.

18 - первый светоделитель, в качестве которого использовано полупрозрачное зеркало.

19 - второй светоделитель, в качестве которого использовано полупрозрачное зеркало.

20 - первое выносное зеркало с блоком управления 21, показанное в выведенном состоянии. Во введенном состоянии зеркало 20 занимает позицию 37.

21 - второе выносное зеркало с блоком управления 23, показанное в выведенном состоянии. Во введенном состоянии зеркало 22 занимает позицию 36.

24, 25, 26 и 27 - первый, второй, третий и четвертый управляемые ослабители.

28, 29, 30 и 31 - первое, второе, третье и четвертое отражательные зеркала.

32, 33, 34 и 35 - первое, второе, третье и четвертое полупрозрачные зеркала.

38 - блок наполнения эталонной кюветы 3 рабочим веществом.

49, 50 - патрубки для подключения измерительной кюветы 2 к контуру теплоносителя ядерного реактора.

Выносные зеркала 20 и 22 выполняют свои технические функции только во введенном состоянии в оптическую схему. Данное введенное состояние в оптическую схему обозначено позициями 37 для первого выносного зеркала 20 и позицией 36 для второго выносного зеркала 22. На фиг. 1 показано основное рабочее положение выносных зеркал - положение в выведенном состоянии из оптической схемы. В этом рабочем состоянии к оптической измерительной схеме подключена измерительная кювета 2, в которой осуществляются измерения концентрации борной кислоты. При введенном состоянии первого выносного зеркала 20, которое устанавливается в позиции 37, к оптической измерительной схеме подключается эталонная кювета 3, в которой осуществляется измерение концентрации борной кислоты в рабочем веществе эталонной кюветы 3. При этом второе выносное зеркало 22 находится в выведенном состоянии. При введенном состоянии второго выносного зеркала 22, которое устанавливается в позиции 36, осуществляется совместная калибровка фотоприемных блоков 4, 5 и 8. Оптическая измерительная схема состоит из лазерных генераторов, фотоприемных блоков, двух модуляторов лазерного излучения и четырех управляемых ослабителей, а также отражательных и полупрозрачных зеркал.

На фиг. 2 представлен второй вариант подключения волоконно-оптической линии 15 через адаптер волокна 17 к оптическому входу измерительной кюветы 2. Обозначения элементов соответствуют фиг. 1.

На фиг. 3 представлен третий вариант подключения волоконно-оптической линии 15 через адаптер волокна 17 к оптическому входу измерительной кюветы 2. В данном варианте исключен первый уголковый отражатель, функции которого выполняет первый светоделитель 18, в качестве которого, как и в прежних вариантах, использовано полупрозрачное зеркало. Обозначения элементов соответствуют фиг. 1.

На фиг. 4 представлен вариант использования в качестве светоделителя 18 и 19 акустооптической ячейки 39. Цифрами на фиг. 3 обозначены прежние элементы, соответствующие фиг. 1, и новые элементы:

39 - акустооптическая ячейка.

40 - блок управления акустооптической ячейкой.

41 - пьезоэлемент.

На фиг. 5 представлена блок-схема подключения измерительной кюветы 2 к выходу устройства отбора пробы в первом контуре теплоносителя ядерного реактора, где цифрами обозначены следующие элементы:

42 - трубопровод первого контура теплоносителя ядерного реактора.

43 - устройство отбора пробы из первого контура теплоносителя ядерного реактора.

44, 45, 46 - управляемые вентили.

47 - сливной управляемый вентиль.

48 - контейнер для сбора отработанного вещества теплоносителя.

Остальные элементы соответствуют фиг. 1.

На фиг. 6 представлена последовательность обратных импульсов лазерного излучения, регистрируемых первым 4 и вторым 5 фотоприемными блоками, показанными на фиг. 1.

На фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9 представлены результаты моделирования работы измерительной системы при проведении измерений с различными уровнями концентрации борной кислоты. Измерения представлены в виде последовательности регистрируемых обратных импульсов лазерного излучения при различных уровнях концентрации С борной кислоты в составе теплоносителя в контуре охлаждения ядерного реактора.

Принцип действия предлагаемой системы измерения концентрации борной кислоты в контуре теплоносителя заключается в следующем. Измерительная система (фиг. 1) 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 (ЛИ), 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 первого фотоприемного блока 4, а также с помощью второго фотоприемного блока 5. Измерительная кювета 2 с помощью специальных патрубков 49 и 50 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 7. Измерительная кювета 2 размещена вблизи ядерного реактора в зоне действия радиации и соединена с остальной измерительной аппаратурой, размещенной в зоне отсутствия радиации, волоконно-оптической линией 15, имеющей длину порядка 50-100 метров. 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 - раствором борной кислоты. В соответствии с характеристиками оптического поглощения излучения борной кислотой в качестве первого лазерного генератора 1 используется лазерный генератор ультрафиолетового диапазона длин волн. Второй лазерный генератор 7 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 является полным аналогом измерительной кюветы 2. Эталонная кювета 3 с помощью блока наполнения 38 заполняется эталонным рабочим веществом, которым является раствор борной кислоты с известной концентрацией, или дистиллированная вода. 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 величины поглощения оптического излучения определенной длины волны при его прохождении через исследуемое вещество - теплоноситель в контуре ядерного реактора. При использовании данного метода, называемого также фотометрическим методом, осуществляется измерение величины уровня лазерного излучения соответствующей длины волны, I₀, поступающего на оптический вход измерительной кюветы 2, а также измерение уровня величины лазерного излучения I, прошедшего через измерительную кювету поз. 2. После измерения и регистрации двух указанных величин лазерного излучения величина концентрации С борной кислоты в составе теплоносителя определяется по следующей формуле:

где V - величина, на которую уменьшается световой поток при прохождении слоя исследуемого вещества с толщиной (длиной) L: V=I₀-I; К - коэффициент экстинкции борной кислоты (параметр, характеризующий способность борной кислоты поглощать оптическое излучение определенной длины волны). Размерность К - л/г см. Размерность С - г/л.

Формула (1) является основной для определения концентрации вещества С в абсорбционно-спектральном методе и хорошо известна в технической литературе. В предлагаемой измерительной системе данное соотношение 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 десятков миллиграмм на литр объема вещества теплоносителя в середине и конце сессионного периода работы. Для измерения малых концентраций порядка десятых долей миллиграмм на литр (мг/л) используется специальный режим измерений, рассмотренный далее. Следует отметить, что борная кислота, присутствующая в составе теплоносителя в виде водного раствора, характеризуется очень малой величиной поглощения оптического излучения и, соответственно, малой величиной коэффициента экстинкции К. Заметное поглощение оптического излучения борной кислотой имеет место в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 200-400 нанометров, однако и в этом диапазоне поглощение излучения борной кислотой является очень малым и обуславливает принятие специальных мер для повышения чувствительности абсорбционно-спектрального метода при измерении малых значений концентрации борной кислоты, необходимых при осуществлении контроля и управления работой ядерного энергетического реактора.

Следует отметить, что величина (произведение) KL в формуле (1) определяет чувствительность абсорбционно-спектрального метода измерений. Действительно, основной технически измеряемой величиной является величина V в (1), которая определяется и обусловлена уменьшением уровня светового потока после прохождения измерительной кюветы, по сравнению с уровнем светового потока на входе в измерительную кювету. Измерение параметров светового потока (импульса зондирующего лазерного излучения) после прохождения через слой исследуемого вещества является основной операцией абсорбционно-спектрального метода. Основным измеряемым параметром здесь является отношение Р_изм=V/I₀, которое далее используется в соотношении (1) для непосредственного определения концентрации борной кислоты или других измеряемых данным методом веществ. Для обеспечения достаточно высокой точности измерений уровней световых потоков с помощью современной аппаратуры отношение Р_изм должно превышать некоторый пороговый уровень измерения малых величин в указанной аппаратуре. Для современной измерительной аппаратуры такой уровень составляет величину порядка 1%, отсюда величина регистрируемого относительного уменьшения светового потока Р_изм=V/I₀ должна быть не меньше 0,01: Р_изм>0,01. Таким образом, при осуществлении измерений абсорбционно-спектральным методом для получения высокой требуемой точности измерений относительная величина Р_изм уменьшения светового потока должна быть не меньше одного процента от величины светового потока, поступающего на вход измерительной кюветы и удовлетворять соотношению

Можно утверждать, что величина отношения Р_изм=0,01 определяет пороговую величину минимальной концентрации борной кислоты, которую можно измерить при данной известной величине экстинкции К на выбранной для измерений длине волны оптического излучения.

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 [мг/л] - концентрация борной кислоты, К - коэффициент экстинкции.

Согласно соотношениям (2) и (3) минимальная измеряемая концентрация C_min равна следующей величине, определяемой из уравнения

Разлагая в ряд экспоненту при малых величинах К и С, получаем для C_min:

Величина C_min в (5) определяет минимально-возможную измеряемую концентрацию борной кислоты и является чувствительностью (потенциальной) абсорбционно-спектрального метода и одновременно чувствительностью аппаратуры, применяемой для измерений. Одновременно данная величина характеризует точность производимых измерений, так как определяет минимальную регистрируемую градацию изменения концентрации С борной кислоты в составе исследуемого вещества теплоносителя. Из (5) следует, что чувствительность метода определяется произведением величин KL и увеличивается (в смысле уменьшения минимально-регистрируемой величины C_min) при увеличении произведения KL. Борная кислота характеризуется весьма малой величиной экстинкции (К<<1 л⋅г^-1⋅см^-1), что существенно увеличивает согласно (5) величину минимальной регистрируемой концентрации борной кислоты и, соответственно, приводит к ухудшению чувствительности используемой измерительной аппаратуры. Поэтому при осуществлении измерений малых концентраций борной кислоты возникает проблема увеличения чувствительности измерительной аппаратуры, решение которой предложено в представляемом изобретении. Стандартным абсорбционно-спектральным методом возможно проведение измерений сравнительно больших концентраций борной кислоты. Так, например, согласно формуле (5) при длине измерительной кюветы L=1 м, коэффициенте экстинкции борной кислоты K=0,164 на наиболее короткой длине волны современных лазерных генераторов УФ-диапазона порядка 220 нм и величине Р_изм=0,01 получаем минимальное значение измеряемой концентрации борной кислоты (чувствительность системы измерений) C_min=0,6 мг/л вещества теплоносителя.

Измерение больших и средних величин концентрации борной кислоты в составе теплоносителя ядерного реактора, циркулирующего через измерительную кювету 2, осуществляется следующим образом.

Лазерный генератор 1 является основным и генерирует лазерное излучение (ЛИ) в ультрафиолетовой области спектра, в которой борная кислота обладает наибольшей поглощательной способностью, т.е. коэффициент экстинкции К имеет наибольшее значение. Второй лазерный генератор поз. 7 выполняет дополнительные функции контроля и настройки режима работы системы измерений. Лазерный генератор 7 осуществляет генерацию лазерного излучения в синей или зеленой области видимого спектра, в которой поглощение оптического излучения борной кислотой практически отсутствует, что позволяет осуществить с помощью данного лазерного излучения от лазерного генератора 7 совместную настройку и тестирование измерительной 2 и эталонной 3 кювет. Лазерные генераторы 1 и 7 работают по отдельности. Модулятор лазерного излучения 10 осуществляет формирование импульсов зондирующего лазерного излучения определенной длительности из лазерного излучения от первого 1 или второго 7 лазерных генераторов, работающих по отдельности. При этом лазерное излучение, генерируемое первым лазерным генератором 1, с его оптического выхода поступает на оптический вход первого модулятора ЛИ 10 после отражения от первого отражательного зеркала 28 и через третье полупрозрачное зеркало 34. При этом при работе первого лазерного генератора 1 второй лазерный генератор 7 находится в выключенном состоянии, и на