Összeállította: Farkas Viktor Tantárgy: Reaktortechnika alapjai Energetikai mérnök MSc. hallgatók részére

Átírás

1 Összeállította: Farkas Viktor Tantárgy: Reaktortechnika alapjai Energetikai mérnök MSc. hallgatók részére

2 Bevezetés Technológiai mérések Gáztöltésű detektorok Az oktatóreaktorban használt detektorok Nukleáris mérőláncok A LOGIKA kapcsolata a mérőláncokkal 2

3 Atomreaktorok üzemeltetésének szempontjából fontosak a különböző technológiai adatok vízhőmérséklet (moderátor) vízminőség (primer víz) vízszint (nyitott reaktortartály) nyomás stb. Atomreaktorokban és környezetükben a radioaktív sugárzások jelen vannak érzékszerveinkkel közvetlenül nem érzékelhetők (nem forró, nem sós, nem színes, stb.) élettani hatásai csak később tapasztalhatók (egészségkárosodás) valamilyen eszközzel mérhetővé kell tenni (különféle detektorok, műszerek) 3

4 Besugárzó alagút Vízszintes csatornák Reaktortömb Aktív zóna Primer vízkör Szekunder vízkör (nem zárt) Hulladékvíz-kezelő rendszer 4

5 Reaktortartály Szekunder kör Aktív zóna Hőcserélő Táptartályok Fűtőtartály Primer szivattyú Ioncserélő gyanták 5

6 Primerköri vízhőmérséklet mérés Reaktortartály vízszintmérés Vezetőképesség mérés Forgalommérés Nyomásmérés ph mérés Egyéb tartályok vízszintmérése 6

7 Kazetta kilépő hőmérséklet Adott fűtőelem-köteg felett 5 cm-el mérjük. Érzékelők: 1 db K-típusú hőelem. Műszer: Thermocont M-1603 típus. Kijelzés: ºC. Tartály hőmérséklet APt1001mmélyennyúlikavízbe. Belépő hőmérséklet Kilépő hőmérséklet Utóbbi 3 hőmérséklet mérése ellenállás hőmérővel történik.(pt100) Távadók: 3 db típusú (Gamma gyártmány). Kijelzés: ºC. 7

8 8

9 Primer és szekunder nyomás 2 db érzékelővel egybeépített nyomástávadó. Primer körben adott szelepek közé behe- gesztett impulzuscsövön (a hőcserélő előtt). Szekunderkörben szelepekkel leválasztva a hőcserélő kimenő ágában impulzuscsövön. Mérési tartomány mindkét esetben: 0 5 bar. Üzemi nyomásértékek Primer: 1,2 bar működő primerkör esetén (0,4 bar, ha nincs primer vízforgalom). Szekunder: 2,5 bar. 9

10 10

11 Nyomásmérő és nyomáskapcsoló Mérőhely: A primer körben szelepek közé behegesztett impulzuscsőre csatlakozik a távadó és nyomáskapcsoló. Érzékelővel egybeépített nyomáskülönbség távadó (C típusú Gamma gyártmány; mérési tartomány: 0-310/1860 mbar). Nyomáskapcsoló, 3,5 m alatti vízszint jelzése a portára. Kapacitív szonda Szonda: 1 db Nivocontrol CER típusú kapacitív mérőszonda. Műszer: 1 db Nivocontrol CT-10 típusú. Mérőhely: a szonda a reaktortartály tetejére vantelepítve,2m-renyúlikbeavízbe. 11

12 Vezetőképesség mérés Szonda: típusú Rosemount gyártmány. Távadó: DE 210 C típusú Dameter gyártmány. Üzemikorlát:max. 6µS/cm (kijelzés 0-10 µs/cm). Az érzékelő helye: primer köri csőívben. AprimerkörivízpH-ja Szonda: RA 220 típusú merülő mérőcella. Elektronikus illesztőegység: RA 320 típusú. Analóg mérőegység: RA 420 típusú. Mindhárom készülék Radelkis gyártmányú. A szonda a reaktortartály vízfelszínén úszik (belóg a vízbe), az illesztőegység a tartályfedél alatt van elhelyezve. Korlát: ph érték 5-7 között (kijelzés: 3-8 ph). 12

13 13

14 Mérőturbinák: Primer körben: 1 db HF A 001 típusú mérőturbina (Üzemi érték: 6m 3 /h,kijelzés0-10m 3 /h). Szekunder körben: 1 db HF 18/8 típusú mérőturbina (Üzemi érték: 4,5m 3 /h,kijelzés0-5m 3 /h). Mérőegységek: 2 db Turboquant típusú műszer, MMG gyártmányúak. 14

15 15

16 Szekunderköri megszakítótartály I. ellenőrzőtartály II. ellenőrzőtartály 5m 3 -eshígítótartály Szondák: 4 db Nivocontrol C-10 típusú kapacitív mérőszonda. Műszerek: 4 db Nivocontrol C-10 típusú mérőegység. Mérőhelyek: a szondák a megfelelő tartályok tetejére vannak rögzítve. 16

17 Első elektromos detektorok(1920-as évek) Az ionizáció során a töltött részecske a gázatomok elektronhéjáról elektronokat választ le és így visszamarad egy pozitív ion és egy negatív elektron(ionpár). Az anód és katód közé kapcsolt feszültség hatására az elektronok a (+) anódszál felé mozognak, a pozitív ionok pedig a (-) katódhenger felé. Ezeket összegyűjtve elektromos térrel egy elektromos impulzus adódik. Típusai: Ionizációs kamrák Kompenzált ionizációs kamrák Hasadási kamrák Geiger-Müller számlálócsövek Proporcionális számlálók... 17

18 I: rekombinációs tartomány - A töltéshordozók sebessége még kicsi, ezért az elektronok és a (+) ionok egy része visszaalakulhat (rekombinálódhat) semleges atommá, mielőtt elérnék az elektródokat. U 0 növelésével, a mozgás egyre gyorsabb, így egyre kevesebb a rekombináció és egyre több töltéshordozó éri el az elektródokat, az impulzusszám növekszik. II: telítési tartomány - az eredetileg létrejött összes töltéshordozó eljut az elektródákra és U 0 növelésével az impulzusszám már nem nő (csak a részecskék sebessége). III: proporcionális tartomány- az elektronok és a (+) ionok sebessége már olyan nagy, hogy útjuk során képesek újabb ionpárokat létrehozni (másodlagos ionizáció, gázerősítés) és az áram növekszik. (A másodlagos ionizációban keltett ionpárok száma arányos proporcionális az elsődleges ionpárok számával!) IV: fél-proporcionális tartomány az előzőekben fennálló arányosság elromlik, itt nem működnek a detektorok. V: GM tartomány a nagy U 0 hatására a töltéshordozók már olyan gyorsan mozognak (akkora az energiájuk), hogy többszörös ionizáció következikbeazútjuksorán ésakeletkezettösszesionpárszámmárnem arányos az eredetileg (az első ionizációban) létrejött ionpárok számával. Az I ki állandó (egy darabig). Ebben a tartományban működnek a Geiger- Müller(GM) csövek. VI: kisülési tartomány - állandó gázkisülés indul be a csőben. Ez elkerülendő, mert a detektor tönkremegy.

19 Gázzal, vagy gázkeverékkel töltött zárt edény, melyben két elektróda található. Detektorfeszültség: több 100 V-tól több 1000 V-ig. A detektor lehet: impulzusionizációs kamra áramionizációs kamra Neutron detektálás esetén biztosítani kell, hogy a kamra gázterébe jutó ionizáló részecskék valamilyen neutron-detektoranyag kölcsönhatásból származzanak. A szilárd detektoranyagokat a kamra falára visszük fel, míg a gáznemű anyagok a kamrák töltőgázát képezik. Fajtái Áramüzemű ionizációs kamra Kompenzált áramionizációs kamra Hasadási kamrák 19

20 Kettős (szimmetrikus) kamra közös gyűjtőelektróddal. Intenzív γ-sugárzás jelenlétében kell neutronokat detektálni(pl. reaktoroknál). BF 3 gázzal töltik meg az egyik kamrarészt, vagy szilárd bórréteget (bórradiátort) helyeznek el benne (ez a kamrarész érzékeny a neutronsugárzásra is). A neutron- és γ -sugárzás egyidejű megjelenésekor kapott eredő áram arányos lesz a besugárzó neutronfluxussal. 20

21 Az ionizáló részecskék a hasadásnál keletkezett hasadási termékek (kb MeV). Nagy feszültségimpulzusok (nagyobb energia, mint a szokásos reakcióknál). Egyéb impulzusoktól elektromos diszkriminációval elkülöníthetők (gyakorlatilag háttérmentessé tehető). Lassú és gyorsneutronok detektálására egyaránt alkalmas. Hasadóanyagot azonban a detektálandó neutronok energiájának megfelelőenkellkiválasztani(pl. 233 U, 235 U, 239 Pu). Hasadóanyagok γ-sugarak hatására gyakorlatilag nem hasad nagy γ-háttér mellett neutronok regisztrálása(pl. reaktor indításánál). 21

22 A GM csövek alkalmazása sugárvédelem dozimetria felületi szennyezettség mérés ipari berendezések stb. Változatos formájú csövek végablakos merülő gázátáramlásos Tulajdonságok energiafüggetlen detektálás (nem spektrométer) nagy kimenő jel (1-2 V) egyszerű elektronika kioltás szükséges holtidő: µs hőmérséklet tartomány: C 22

23 Egy ionizáló részecske bejut a GM cső gázterébe. Elsődleges ionizáció ionpárok. Az ionpárok gyorsulva haladnak (feszültség hatására) az elektródák felé újabb ionpárok és gerjesztett atomok keletkeznek. A gerjesztett állapot instabil (az atomból UV foton távozik). A foton a fém katódhenger falából elektronokat vált ki az elektronok gyorsulva mennek az anód felé újabb ionpárok és gerjesztett atomok. A folyamat ismétlődik ion lavina (önfenntartó folyamat) kisülés kioltás, elektromos úton, vagy a töltőgázába halogén gázokat kevernek. Csak a sugárzás intenzitását lehet vizsgálni, de az egyes részecskék energiáját nem. Töltőgáz általában nagyon tiszta argon+kb.10% bróm (kioltás!). Gáznyomásáltalában0,6 2bar. 23

24 AcsőplatójaazU 1 -U 2 közöttiszakasz. A cső annál jobb, minél hosszabb és kevésbé emelkedő ez a szakasz. [cps] U K = Geiger küszöb U M = üzemi feszültség M = munkapont totális kisülés A cső jellemzésére használatos a plató m meredeksége. n 2 Egy jó GMcsőmértékenéhány%. n 1 M A GM cső lassú (nagy holtidő) magas számlálási sebességek(>1 kcps) nem alkalmas. GM csővel neutronok nem detektálhatók. U K U 1 U M U 2 U 24

25 Geiger-Müller számlálócső Kompenzált ionizációs kamra Hasadási kamra 25

26 SVER (Sugárvédelmi Ellenőrző Rendszer) részeként Az épületben több helyen, pl. technológiában, csőpostánál, reaktor fedélen stb. 26

27 KNK-53M (КНК53M) Neutron érzékenység: [A/(n/cm 2 s) ] Üzemi feszültség: ±500V, állítható Mechanikai jellemzők: D védőcső =60mm, l=1300mm 27

28 KNT-31 (КНТ31) Termikus neutron érzékenység: 0,25 neutron/cm 2 Detektor feszültség: +500 V Mechanikai jellemzők: D védőcső =60mm, l= 1300mm 28

29 Redundáns periódus és teljesítményszint védelem(7 db nukleáris mérőlánc) Impulzusláncok(I 1,I 2 ) Egyenáramúmérőláncok(E 3,E 4,E 5 ) Szélessávúmérőlánc(SZ 7 ) Teljesítménymérő és automatikus szabályozólánc(e 6 ) A felsorolt mérőláncok egymástól teljesen függetlenek, mindegyik saját mérőkamrával rendelkezik. A teljes mérési tartományt a forrástartományban alkalmazott impulzus és a teljesítménytartományban alkalmazott e- gyenáramú láncok fogják át. A két tartomány között átfedés van. A készülék rack rendszerű, modulokból(kártyákból) áll. 29

30 Redundáns szint- és periódusvédelmi jel minden tartományban. Biztonsági jelzések a nukleáris mérőláncok felől. Forrás tartomány: I 1 mérőlánc szint- ésperiódusvédelmijel I 2 mérőlánc szint- ésperiódusvédelmijel Teljesítmény tartomány: E 4 mérőlánc szintvédelmijel E 5 mérőlánc szintvédelmijel E 3 mérőlánc periódusvédelmijel SZ 7 mérőlánc periódusvédelmijel A mérőláncok biztonsági jelzéseit a biztonságvédelmi logika fogja össze, és generálja a figyelmeztető és adott esetben a biztonságvédelmi rudak működéséhez szükséges vészjeleket. Zárlat, alkatrész meghibásodás, szakadás és egyéb hibák esetén vészjelzés. Minden mérőcsatorna bemenete túlfeszültség védett. 30

31 31

32 32

33 33

34 Szint- és periódusvédelem(forrás tartományban) Beütésszám[pps] szintvédelem Periódus és kétszerezési idő[s] periódusvédelem Bontó relé kontaktus a mérőlánc LOCAL üzemmódjának jelzésére. Jelzések megjelenítése Figyelmeztető és vészjelzések a készülék előlapján és jól látható helyen, a szekrény lámpatablóján. A lánc üzemkészség jelzése a készülék előlapján. A készüléken belüli egységek üzemkészség jelzése modulonként a modulok előlapján. Detektor típus: hasadási kamra(knt-31). Kezelőszervek a készülék előlapján Kulcsos kapcsoló a periódusvédelem 1 W alatti bénításához. LOCAL kulcsos kapcsoló a lánc ellenőrzéséhez és a beállításokhoz. Kezelőszervek/billentyűzet a készülék beállítására és a tesztek elvégzésére. 34

35 Kezelőszervek a pulton Nyomógomb a pozitív/negatív periódus kijelzéshez. Automata/kézi méréshatár váltó nyomógomb. Méréshatár léptető nyomógombok a szint kijelzéshez. Mért értékek kijelzése Készülék előlapján: a mért fizikai mennyiségek és egyéb értékek a kijelzőről leolvasható. A vezénylő pulton külön műszerekről: Beütésszám[pps] szintvédelem Periódus és kétszerezési idő[s] periódusvédelem Bemenőjeladetektorfelől: imp/s. Kimenet Szintvédelem esetén Warning az aktuális méréshatár végkitérésének 88%-nál Danger az aktuális méréshatár végkitérésének 96%-nál Periódusvédelem esetén Warning 15s Danger 10s Az impulzus üzemű mérőláncok az egyenáramú láncok hardveresen állítható szintjét meghaladó érték(~ 200 W) esetén bénítva vannak. 35

36 Periódusvédelem(teljesítmény tartományban) Kijelzés: periódus és kétszerezési idő [s], valamint a detektor árama[a]. Bontó relé kontaktus a mérőlánc LOCAL üzemmódjában. Jelzések megjelenítése Figyelmeztető és vészjelzések a készülék előlapján és jól látható helyen, a szekrény lámpatablóján. A lánc üzemkészség jelzése a készülék előlapján. A készüléken belüli egységek üzemkészség jelzése modulonként a modulok előlapján. Detektor típus: kompenzált ionizációs kamra(knk-53m). Kezelőszervek a készülék előlapján LOCAL kulcsos kapcsoló a lánc ellenőrzéséhez és a beállításokhoz. Kezelőszervek/billentyűzet a készülék beállítására és a tesztek elvégzésére. Bemenőjeladetektorfelől:10pA 1mA. Kimenet: A figyelmeztető(warning) és vészjelzés(danger). Warning 15 s Danger 10 s 36

37 Szintvédelem(teljesítmény tartományban) Kijelzés: teljesítményszint adott méréshatáron belüli százalékos kijelzése[%]. Bontó relé kontaktus a mérőlánc LOCAL üzemmódjának jelzésére. Jelzések megjelenítése Figyelmeztető és vészjelzések a készülék előlapján és jól látható helyen, a szekrény lámpatablóján. A lánc üzemkészség jelzése a készülék előlapján. A készüléken belüli egységek üzemkészség jelzése modulonként a modulok előlapján. Detektor típus: kompenzált ionizációs kamra (KNK-53M). 37

38 Kezelőszervek a készülék előlapján LOCAL kulcsos kapcsoló a lánc ellenőrzéséhez és a beállításokhoz. Kezelőszervek/billentyűzet a készülék beállítására és a tesztek elvégzésére. Kezelőszervek a pulton Kezelőszerv (potenciométer) a szintvédelmi jel normálására. Méréshatár léptető nyomógombok a szint kijelzéshez. Bemenőjeladetektorfelől:10pA 1mA. Kimenet Warning az aktuális méréshatár végkitérésének 88%-nál. Danger az aktuális méréshatár végkitérésének 96%-nál. 38

39 A biztonságvédelmi láncoktól független egység (külön detektor teljesítményszabályozás az automata rúd mozgatásával). Szabályozás az operátor választása szerint lehet Kézi szabályozó rúd mozgatása kézzel: fel/le. Automata az automata szabályozórúd mozgásának vezérlését a szóban forgó mérőlánc végzi. A mérőláncon a méréshatár váltás a lánc minden üzemmódjában automatikus. Detektor típus: kompenzált ionizációs kamra (KNK-53M). 39

40 Bemenőjeladetektorfelől:10pA 1mA. Mért értékek kijelzése Készülék előlapján: a mért fizikai mennyiségek és egyéb értékek a kijelzőről a kezelőszerv segítségével leolvashatók. A vezénylő pulton külön műszerekről Detektor kamra áramának kijelzése[ma]. Abszolút digitális teljesítmény kijelzése[w]. A reaktorfedélen és a csőposta helységben az abszolút digitális teljesítmény kijelzése[w]. Kezelőszervek a pulton Automata rúd fel nyomógomb. Automata rúd le nyomógomb. Alapjel fel/le nyomógombok (alapjel növelése vagy csökkentése). Automata/kézi üzemmód átkapcsoló nyomógombok. 40

41 Periódusvédelem- teljesítmény tartományban. Kijelzés: periódus és kétszerezési idő [s], valamint reaktor teljesítmény[w]. Detektor típus: hasadási kamra(knt-31). Bemenő jel a detektor felől: 1 1millió impulzus, Campbelltartomány, 10 µa µ 1mA. Mért értékek kijelzése Készülék előlapján: a mért fizikai mennyiségek és egyéb értékek. A vezénylő pulton külön műszerekről Teljesítményszint adott méréshatáron belüli százalékos kijelzése[w] (automatikus méréshatár váltás). Periódus és kétszerezési idő[s] periódusvédelem. Utólag lett beépítve a hatóság kérésére. 41

42 42

43 Az alábbi jelzések a logikán keresztül érkeznek az irányítópultra figyelembe véve a mérőláncok és egyéb berendezések jeleit. A kék mezőben lévő jelzések figyelmeztetések, melyek nem okozzák a reaktor automatikus leállását. A sárga mezőben lévő jelzések meglétekor a reaktor nem indítható, ugyanakkor működés közben nem áll le. A piros mezőben lévő jelzések a reaktor automatikus leállítását eredményezik. 43

44 Dr. Bódizs Dénes- Atommagsugárzások méréstechnikái(2006) Dr. Szalóki Imre- Gáztöltésű detektorok(jegyzet) BME NTI- Nukleáris mérőláncok rekonstrukciójának koncepcióterve BME NTI- A BME Oktatóreaktor felújításának koncepcióterve Gyurkócza Csaba, Balázs László- Neutron-detektorok vizsgálata(1997) 44

45 A fel nem sorolt ábrák, képek saját készítésűek, valamint megtalálhatók a BME-NTI fotótárában. 3. dia ábrái (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) 8. dia ábrái (letöltve: ) _00_395_fondo_bianco.jpg (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) 10. dia ábrái (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: , módosítva) 13. dia ábrái (letöltve: , képek a dokumentumból átillesztve) 15. dia ábrái (letöltve: ) (letöltve: ) 45

46 17. dia ábrái (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) (letöltve: ) 18. dia ábrája Az ábra Dr. Bódizs Dénes - Atommagsugárzások méréstechnikái című könyvéből származik 20. dia ábrája Az ábra Gyurkócza Csaba, Balázs László- Neutron-detektorok vizsgálata című hallgatói gyakorlat anyagából származik 22. dia ábrái A GM cső típusokat bemutató ábra Dr. Bódizs Dénes - Atommagsugárzások méréstechnikái című könyvéből származik (letöltve: ) (letöltve: ) 23. dia ábrái A GM-cső belsejében lejátszódó folyamatokat bemutató ábra Dr. Szalóki Imre Gáztöltésű detektorok című jegyzetéből származik (letöltve: ) (letöltve: ) 24. dia ábrája Az ábra Dr. Szalóki Imre Gáztöltésű detektorok című jegyzetéből származik 25. dia ábrái (letöltve: ) A SVER rendszer ábrája a BME NTI - A BME Oktatóreaktor felújításának koncepcióterve című dokumentumból származik 27. dia ábrája (letöltve: ) 39. dia ábrái Az E6 mérőlánc sematikus ábrája Krutzler János hallgató gyakorlati beszámolójából származik 46

47 47