XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение. Для измерения различных параметров защитной оболочки АЭС в процессе ее строительства и эксплуатации преимущество отдается искробезопасным волоконно-оптическим информационно-измерительным системам (ВОИИС) в состав которой обязательное включение датчиков температуры (ВОДТ). Так, в процессе строительства АЭС температура цемента в основании защитной оболочки изменяется в диапазоне 0 … плюс 90 °С. Есть ситуации, когда температура изменяется в диапазоне минус 30 … плюс 90 °С.Проектировщики АЭС предполагают различные эксплуатационные режимы: нормальный режим, режим нарушения нормальной эксплуатации (режимы «малая течь», «большая течь», нарушение теплового отвода) и аварийный режим. В условиях нормальной эксплуатации в межоболочном пространстве температура от 10 до 60 °С при мощности поглощенной дозы до 1,19 · 10^–6 Гр/ч. При нарушении нормальной эксплуатации температура бетона повышается до 85…90 °С при мощности поглощенной дозы до 1,0 Гр/ч [1-3].

Использование для установки известных датчиков в цемент защитных гильз от воздействия высокого давления ведет к большой до 5…10 % погрешности измерений. При установке таких датчиков в затвердевающий цемент их корпус и внутренние элементы будут испытывать большие деформации, например уровень деформации корпуса ВОДТ сравним с диапазоном измерения датчика, который определяется изменением расстояния между отражателем и торцом оптических волокон, соответственно все метрологические характеристики, полученные в процессе градуирования и калибровки датчика, существенно изменятся. Конструкция ВОДТ должна обеспечивать его установку в тело оболочки (блоки бетонирования) или на поверхность бетона.

При разработке ВОДТ для АЭС необходимо учитывать требования: датчики должны быть стойки к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот от 1 до 120 Гц с ускорением 1g, соответствовать категории сейсмостойкости I по НП-031, сохранять способность выполнять свои функции во время и после прохождения землетрясения, быть пожаростойкими, не быть источниками возгорания. ВОДТ состоит из волоконно-оптического преобразователя температуры (ВОПТ), волоконно-оптического кабеля (ВОК) и оптоэлектронного блока (ОЭБ) (рисунок. 1) [7].

ОЭБ включает в себя согласующее устройство (СУ), подстыкованное с помощью электрического разъема к модулю сбора и преобразования информации (МСПИ) ВОИИС. МСПИ с помощью электрического кабеля К1 подключается к источнику питания и средству измерения и, при необходимости, с помощью кабеля К2 – к промышленному компьютеру для визуализации информации, а с помощью кабеля К3 через конвектор интерфейсов RS485 или RS232 КОН – к сети АЭС. Применение ВОК длиной до 1 км позволяет проводить измерения в зоне повышенных температур и радиации [4].

Рисунок 1 - Структурна схема ВОИИС для АЭС

В исследовании [5] приведены результаты измерения температуры внутри и снаружи защитной оболочки энергоблока № 3 Ростовской АЭС в период приемо-сдаточных испытаний. Эти результаты использованы в уточняющих расчетах НДС защитной оболочки от воздействия нагрузок, действующих в период приемо-сдаточных испытаний. Температура в бетоне определялась по среднему значению температуры в защитной оболочке, а также по выходным сигналам струнных датчиков температуры, установленных на теле защитной оболочки. Температура в процессе испытаний менялась от 29 до 39 °С. Для оценки температуры внутри бетонных сооружений купола АЭС необходимы соответствующие средства измерений высокой точности и надежности.

Обсуждение. На основании анализа механической надежности известных ВОД [6] сделан вывод, что необходимо разрабатывать ВОДТ, в которых оптические волокна не деформируются [7]. Разработана конструкция ВОДТ, которая включает защитный корпус с размещенным внутри него чувствительным элементом (ЧЭ) (рисунок 2) [8]. Корпус изготавливается из материала с хорошей теплопроводностью (например, медного сплава) для уменьшения инерционности при передаче температуры от окружающей среды к ЧЭ и, соответственно, снижения динамической погрешности.

Рисунок 2 - ВОДТ на заключительном этапе сборки

Толщина корпуса выбирается из соображения обеспечения прочности конструкции, если датчик будет располагаться в жесткой деформируемой среде, например в бетоне основания защитной оболочки АЭС. ЧЭ представляет собой цилиндр из материала с высоким коэффициентом температурного расширения. С двух торцов ЧЭ герметично установлены хвостовик и втулка из материалов с небольшими коэффициентами температурного расширения.

На узком торце хвостовика сформирована отражающая поверхность (ОП) путем полировки металла, из которого изготовлен хвостовик. Втулка необходима для крепления рабочего подводящего (ПОВр) и рабочего отводящего (ООВр) оптических волокон относительно отражающей поверхности, сформированной на узком торце хвостовика. Широкая часть втулки с помощью резьбы жестко закрепляется на внутренней стенке ЧЭ.

Для снижения дополнительных погрешностей, вызванных изгибами оптических волокон, колебаниями мощности источника излучения в ВОДТ предусмотрен дополнительный компенсационный канал [9] (рисунок 2), конструктивные элементы которого расположены в боковом глухом отверстии во втулке, для чего в ней в торцевой части сделано утолщение. В глухом отверстии закреплено неподвижное зеркало (НЗ) на расстоянии Х₀ относительно торца дополнительных (компенсационных) подводящих и отводящих оптических волокон ПОВк и ООВк. Такое конструктивное исполнение волоконно-оптического кабеля позволяет снизить дополнительные погрешности от их изгиба при логометрическом или амплитуднофазовом преобразовании сигналов датчика [9].

Температура окружающей среды воспринимается чувствительным элементом (цилиндром) благодаря процессу теплопередачи от среды, температура которой измеряется, через корпус из материала с хорошей теплопроводностью и теплопроводящий состав. Начальная длина l_Ц выбирается таким образом, чтобы ее изменение в диапазоне измерения обеспечивало большую глубину модуляции оптического сигнала (до 30 %) и линейную функцию преобразования светового потока от изменения расстояния Х.

Световой поток Ф₀ от источника излучения ИИ по рабочему ПОВр подается в зону измерения, падает на зеркальную поверхность хвостовика, отражается от него и поступает на приемный торец рабочего ООВр (рисунок 2). По рабочим ООВр световой поток направляется к рабочему приемнику излучения ПИр, где преобразуется в электрический сигнал I₁(T), значение которого пропорционально интенсивности отраженного оптического сигнала К(Х) = Ф(Х)/Ф₀, который, в свою очередь, пропорционален расстоянию X между торцами оптических волокон и зеркальной поверхностью хвостовика.

Ввиду того, что температура может как уменьшаться, так и увеличиваться, то начальное расстояние Х₀ должно находиться в середине диапазона 0,25d_c…0,75d_c (например, для ОВ d_c= 200 мкм диапазон изменения расстояния Х будет 50…150 мкм), т.е. 0,5d_c (например, для ОВ с d_c= 200 мкм – Х₀ = 100 мкм).

Заключение. Разработаны конструктивно-технологические и структурные решения ВОДТ с компенсационным каналом отражательного типа для ВОИИС защитной оболочки АЭС, размещаемых в жестких деформируемых средах. ВОДТ может быть использован для измерения температуры в основании крупных сооружений в деформируемых под большим давлением жестких средах.

Благодарность: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00595, https://rscf.ru/project/24-29-00595/

Список литературы

1. Комягин В.В., Макаров В.В., Селезнев А.В., Климов Н.Н., Болванчиков С.Н., Алексеев Ю.В., Сафонова Е.А. Виброиспытания блочной теплоизоляции оборудования и трубопроводов реакторной установки ВВЭР−1000 // Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР : сб. трудов 3-й науч.-техн. конф. (26‒30 мая 2003, ОКБ «Гидропресс» г. Подольск). Подольск, 2003. С. 114‒123.

2. Медведев В.Н., Киселев А.С., Киселов А.С., Стрижов В.Ф., Ульянов А.Н., Скорикова М.И., Пимшин Ю.И. К вопросу о контроле защитных оболочек АЭС в период приемо-сдаточных испытаний // Глобальная ядерная безопасность. 2020. № 2 (35). С. 42‒54.

3. Медведев В.Н., Скорикова М. И. Влияние реологических характеристик бетона на НДС защитной оболочки АЭС // Атомная энергия. 2019. Т. 216, № 6. С. 317‒320.

4. Мурашкина Т.И., Бадеева Е.А., Базыкин С.Н., Дудоров Е.А., Бадеев В.А. Волоконно-оптическая система измерения температуры жестких деформируемых сред // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2024. № 2. С. 112–126.

5. Медведев В.Н., Киселев А.С., Киселев А.С., Ульянов А.Н., Стрижов В.Ф., Сальников А.А. Результаты измерения температуры защитной оболочки в период приемо-сдаточных испытаний // Глобальная ядерная безопасность. 2015. № 2 (15). С. 71‒82.

6. Бадеева Е.А., Гориш А.В. Анализ механической надежности волоконнооптического кабеля для датчиков // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг : науч. тр. 2003. Вып. 6. М. : Росавиакосмос МГУЛ, 2003. С. 243–254.

7. Мурашкина Т.И., Бадеева Е.А. Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» Пензенского государственного университета. Ч. I.СПб. : Политехника, 2018. 187 с.

8. Патент 2795841 Российская Федерация. Волоконно-оптический датчик температуры / Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А., Серебряков Д. И., Дудоров Е. А., Хасаншина Н. А., Бадеев В. А. Опубл. 12.05.2023, Бюл. № 14.

9. Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И., Полякова Е.А., Славкин И.Е., Кукушкин А.Н. Реализация принципа двухканальности в ВОИИС // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2021. № 2. С. 87‒98.