Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка оптоволоконных систем мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива

Номер контракта: 14.577.21.0074

Руководитель: Светухин Вячеслав Викторович

Должность: проректор по инновационному развитию

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
оптоволоконная система мониторинга, распределенный датчик температуры, точечный волоконный дозиметр, аппаратно-программный комплекс, хранилище оят

Цель проекта:
Основной задачей реализуемого проекта является разработка системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива, включающую в свой состав оптоволоконный распределенный датчик температуры, комплекс точечных волоконных дозиметров, а также программно-аппаратный комплекс визуализации пространственного контроля состояния объекта. Основной идеей реализуемого проекта является создание аппаратно-программного комплекса, осуществляющего измерение температуры с высоким пространственным разрешением, измерение доз или активностей в выбранных точках пространства объекта, корреляцию измеряемых данных с моделью распределения температурных и дозовых полей на объекте и визуальное отображение этих данных на пространственной модели объекта. Целью проекта является изготовление и испытание макетного образца систем мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива на основе оптоволоконных распределенных датчиков температуры, точечных волоконных дозиметров, способных функционировать в условиях сильного ионизирующего излучения, а также программно-аппаратного комплекса визуализации пространственного контроля состояния. за счет использования интегрированных методов измерения оптических спектров, наблюдаемых при реализации различных оптических эффектов в волокнах.

Основные планируемые результаты проекта:
•Обоснованные оптимальные технические и конструктивные решения по разработке точечных и
распределенных волоконно-оптических систем измерения дозы облучения и температуры в условиях
сильного ионизирующего излучения.
•Концептуальная модель распределенной системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного
ядерного топлива, способной функционировать в условиях сильного ионизирующего излучения.
•Технические задания на аппаратные и программные компоненты системы мониторинга состояния сухих
хранилищ отработанного ядерного топлива способные функционировать в условиях сильного
ионизирующего излучения.
•Физические и математические модели преобразования физических величин в измеряемые оптические
параметры и характеристики. Статьи в научной печати.
•Результаты серии экспериментов по преобразованию температуры и дозы облучения в спектральные
характеристики для подтверждения разработанных физических и математических моделей. Статьи в
научной печати
•Эскизная конструкторская документация на компоненты аппаратной части системы мониторинга
состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива, а именно на:
•Сенсорные элементы на основе радиационно-стойких и радиационно-чувствительных волокон.
•Системы коммутации оптических волокон.
•Устройства измерения и преобразования спектральных характеристик и параметров в наблюдаемые
физические величины.
•Эскизная конструкторская документация на компоненты программной части системы мониторинга
состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива, а именно на:
•Системы пространственной визуализации объектов с указанием и расположением видов волоконно-
оптических сенсоров и датчиков.
•Системы калибровки различных типов сенсоров для получения адекватной измерительной информации
•Системы программного преобразования измеряемой спектральной информации в температуру и дозу
облучения.
Макетный образец программно-аппаратного комплекса для измерения дозы облучения и температуры
сухих хранилищ отработанного ядерного топлива. Акты изготовления компонентов программно-
аппаратного комплекса. Заявки на изобретение или полезную модель
•Программа испытаний системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива,
способной функционировать в условиях сильного ионизирующего излучения.
•Результаты и акты испытаний разработанной системы в условиях воздействия источников
ионизирующего излучения
•Конструкторская документация на разработку опытной партии систем мониторинга состояния сухих
хранилищ отработанного ядерного топлива
•Результаты оценки полноты решения задачи и достижения поставленных целей.
•Результаты оценки эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-
техническим уровнем.
•Рекомендаций по возможности использования результатов проведенных работ в реальном секторе
экономики.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Температура внутри сухого хранилища ОЯТ является наиболее значимым фактором прогнозирования и измерений, поскольку, большинство физических величин могут быть в нее преобразованы. Дозы излучений, например могут быть получены с помощью калориметрических методов измерений. В этом случае измеряется количество тепла (температура), выделяемого в специальном детекторе при поглощении им излучений.
Наряду с измерением температуры важным является прогнозирование и измерение динамики активности источников ионизирующего излучения в хранилище. Динамика может быть связана с загрузкой скважин хранилищ, извлечением и переработкой ОЯТ, а также с естественным снижением активности. Наблюдение за активностями в хранилище является задачей обеспечения безопасности.
Практически все, существующие на сегодня датчики температуры и дозы облучения используемые на объектах ядерной промышленности являются точечными и не обеспечивают аппаратный мониторинг внутри хранилищ с достаточным пространственным разрешением.
Эту проблему можно решить аппаратным способом - за счет использования новых распределенных датчиков температуры и большого числа точечных сцинтилляционных сенсоров в составе дозиметрического комплекса.
Однако, более качественное решение задачи мониторинга состояний сухих хранилищ отработанного ядерного топлива может основываться на совместном использовании развитых аппаратных и программных методов и средств.
При использовании комплексного подхода на долю программных компонентов системы выпадает задача расчета распределения температуры и дозы внутри помещения хранилища, а также корректировка расчетов с учетом данных аппаратных средств измерения.
А аппаратные средства в составе системы предназначены для измерения и верификации результатов прогнозирования распределения температуры и активности в хранилище, получаемые в результате расчетов.
Как показывает анализ литературных данных и патентной информации, при создании систем мониторинга состояний сухих хранилищ отработанного ядерного топлива применение волоконно-оптических систем является практически единственным техническим решением, обладающим следующими уникальными свойствами:
- абсолютная взрывопожаробезопасность;
- радиационная стойкость;
- устойчивость практически ко всем горючим и агрессивным средам;
- помехозащищенность от электромагнитных воздействий;
- полная оптическая гальваническая развязка с электронной аппаратурой;
- расширенный диапазон рабочих температур;
- высокая механическая прочность и надежность;
- распределенные, многодатчиковые измерения;
- высокое быстродействие;
- длительный срок службы;
- малые габариты и гибкость;
- мультиплексирование большого массива датчиков одного оптоволокна.
Среди волоконно-оптических систем, предназначенных для измерения физических величин в условиях сильного ионизирующего излучения наиболее востребованными являются термометры и дозиметры.
Волоконно-оптические распределенные датчики температуры, реализованные с использованием эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, обладающие высокой радиационной стойкостью способны выступить в качестве основы для построения системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива.
В качестве волоконно-оптических дозиметров могут выступать приборы, основанные на использовании в качестве сенсорного элемента сцинтилляционного полимерного оптического волокна.
Для таких дозиметров сравнительно легко организовать несколько измерительных каналов с сенсорными волокнами и мультиплексирование этих каналов на один измерительный блок. При этом реализуется квазинепрерывный режим измерения дозы в контрольных точках. В дальнейшем эта информация должна быть использована при построении и калибровки непрерывной дозовой карты с помощью программных средств.
Измерение и моделирование температурных и дозовых полей в хранилище должно выполняться в течении продолжительного времени и с высокой частотой. При этом, хранение большого объема измеренной информации и сравнение ее с расчетными значениями также должно обеспечиваться средствами разрабатываемой системы.
Для калибровки датчиков температуры и активности в системе должны быть предусмотрены независимые системы, например на основе точечных термопар, и стандартного дозиметра.
Таким образом концептуальная модель системы мониторинга хранилищ отработанного ядерного топлива должна включать в себя аппаратный и программный комплексы.
Принцип работы системы следующий:
- в рамках программного обеспечения системы проводится 3D-моделирование пространства хранилища ОЯТ, аналогичного реальному хранилищу.
- программно моделируются физические свойства реальных материалов, используемых в хранилище.
- программно устанавливаются контрольные точки для измерения температуры и дозы.
- проводится программная установка виртуальных топливных сборок внутри хранилища с указанием активностей каждой.
- выполняется программный расчет распределения температуры и дозы внутри хранилища.
- с помощью аппаратных средств по установленному алгоритму выполняется измерение температуры и дозы в установленных контрольных точках.
- проводится программная корректировка расчетных температурных и дозовых полей внутри хранилища.
- при несанкционированном выходе параметров за установленные пределы система сообщает пользователю.
Входной информацией для системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива является:
- чертежи помещения сухого хранилища ОЯТ;
- чертежи топливных сборок;
- активности источников ионизирующего излучения;
- физические свойства материалов, используемых в хранилищах;
- алгоритмы преобразования измеряемых физических величин.
Выходной информацией в системе должны быть графики распределения температуры и активности (дозы) в зависимости от координаты в пространстве хранилища.
Также выходной информацией должно являться протоколирование и сохранение изменений температуры и дозы облучения в контрольных точках во времени.
Для взаимодействия системы с пользователем должен быть реализован графический интерфейс, на котором отображается измеряемая и расчетная информация, а также информация о выходе измеряемых параметров из пределов допустимых значений в пространстве хранилища.
Необходимость наличия пользователей в системе определяется рядом задач, которые разрабатываемая система решить не в состоянии.
К таким задачам можно отнести следующие:
- сопровождение аппаратного и программного обеспечения;
- ввод первоначальных данных для моделей;
- проверка соответствия виртуального сухого хранилища фактически существующему;
- экспертная оценка результатов моделирования и измерений;
- принятие решений о коррекции исходных данных для моделирования по результатам измерений.
Наличие квалифицированных, специально подготовленных пользователей разрабатываемой системы определяет качество работы системы в целом.
Система мониторинга состояния сухих хранилищ ОЯТ может быть расширена за счет использования дополнительных датчиков.
К их числу можно отнести оптоволоконные датчики деформации и натяжения, датчики утечек воды, газовые датчики, а также фотодатчики и системы с открытым оптическим каналом.
При разработке рассмотренной системы получены патенты на полезные модели для аппаратной части и планируется получение регистрации на уникальный программный комплекс.
Аналогов разрабатываемой системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива на рынке нет.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основным результатом будет являться документация для постановки на производство системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива способной функционировать в условиях сильного ионизирующего излучения и сильных электромагнитных полей.
Данный результат предназначен для использования на предприятиях атомной отрасли, таких как атомные электростанции, научно-исследовательские институты соответствующего профиля, заводы по переработки продуктов атомной отрасли.
Кроме того, подобные системы могут быть использованы в автономных системах, использующие в качестве основного источника энергии атомные реакторы, а также в медицинских центрах и учреждениях радиологического профиля.
При этом, применение разрабатываемых систем возможно и на объектах ТЭК России, а именно тепловых и
гидроэлектростанциях, в линиях электропередач и системах муниципального горячего водоснабжения
и.т.п.
Немаловажным фактором должна являться сертификация разработанных систем для атомной отрасли и
государственная политика по внедрению систем российского производства в областях российской атомной
энергетики.

Текущие результаты проекта:
Целью данного этапа работы являлось проведение экспериментальных исследований макетов квазираспределенного волоконного дозиметра и распределенного датчика температуры в составе системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива и подтверждение физических моделей и механизмов, лежащих в основе преобразования температуры и активности источников ионизирующего излучения в измеряемые оптические параметры и характеристики, а также разработка эскизной конструкторской документации на программные и аппаратные компоненты системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива.
Основными результатами работ, выполненных на данном этапе, являются:
- комплекты эскизной программной и конструкторской документация на программные и аппаратные составные элементы экспериментального
образца системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива;
- результаты экспериментальных исследований влияния температуры и дозы облучения на спектральные характеристики и интенсивность оп-
тического излучения в волоконных сенсорах для верификации физических и математических моделей преобразования физических величин в
измеряемые оптические параметры и характеристики.
работы текущего этапа выполнены в полном объеме. По результатам работ получен патент на полезную модель RU 154082 МНОГОКАНАЛЬНАЯ ОПТОВОЛОКОННАЯ ДОЗИМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА. Опубликованы 2 статьи в журналах
1. Томашук А.Л. и др. «Radiation-Induced Attenuation in Silica Optical Fibers Fabricated in High O2 Excess Conditions» от 01.05.2015г.
2. Жуков А.В., Новиков С.Г., Светухин В.В., Фотиади А.А. и др. «The Use of Optical Frequency- Domain Reflectometry in Remote Distributed Measurements of the γ-Radiation Dose» от 01.05.2015 г.
Принята к печати статья "Исследование сдвига резонансных пиков Брэгговских решеток в волокнах из чистого кварца в сторону коротких длин волн под действием гамма излучения" А.В. Фаустов, А.В. Гусаров, P. Mégret, M.Wuilpart, D.Kinet,
А.В. Жуков, C.Г. Новиков, В.В.Светухин , А.А. Фотиади.