Аппаратно-программный комплекс для исследования элементов диверторного монитора нейтронного потока ИТЭР

AlferovV.P.²,AstafjevA.S.²,Butyunin A.V.¹, Kashchuk Yu.A.¹,KudryavtsevA.V.²,MartazovE.S.²,Obudovsky S.Yu.¹, Shvikin S.A.³, SelyaevN.A.²,Vorobev V.A.¹, FedorovV.A.²

1 Institution «Project Center iter»

2 National Nuclear Research University «mephi»

3 Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Аннотация-Цель работы - создание аппаратуры широкодиапазонного канала регистрации сигналов диверторного монитора нейтронного потока (ДМНП) для проекта исследовательского термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) и исследование поведения элементов нейтронной диагностики под действием интенсивных потоков ионизирующих излучений и электромагнитных полей. Рассматривается структура и характеристики испытательного стенда и специального оборудования, предназначенных для измерения параметров, отработки схемотехники и тестирования элементов системы нейтронной диагностики. Представлены методики измерений и интегрированный пакет программ, обеспечивающий регистрацию и обработку сигналов ДМНП. Приводятся результаты экспериментов по определению характеристик прототипа детекторной сборки ДМНП и широкодиапазонного канала контроля нейтронного потока на исследовательском реакторе, а также результаты испытаний кабельных линий связи ДМНП на воздействие электромагнитных помех. Предложен проект системы обработки и регистрации сигналов узла детектирования ДМНП.

I. Введение

Требуемый диапазон контроля интенсивности нейтронного излучения экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) составляет 10^14-10²¹ n/с. Одна из систем нейтронной диагностики, называемая диверторным монитором нейтронного потока (ДМНП), содержит в качестве первичных преобразователей ионизационные камеры деления (ИКД), размещаемые в вакуумном объеме ИТЭР на уровне дивертора. Во время работы установки ИКД будут подвергаться воздействию интенсивных нейтронных излучений и электромагнитных полей. Ожидаемая плотность потока нейтронов в месте размещения ИКД составляет 10⁶ ‑ 10¹³ n·см^-2·с^-1.

Отличительной особенностью канала нейтронной диагностики для ИТЭР является желаемое время разрешения 1 мс при погрешности контроля 10 %. Такое требование может быть реализовано только при скорости регистрации в ИКД не менее 5·10³ 1/с. Поэтому импульсный режим регистрации сигнала ИКД сильно ограничен и возможно будет использован только при калибровке и диагностике аппаратуры. Рабочий диапазон контроля тракта с одной ИКД составит менее 7-и порядков. Этим объясняется необходимость использования в диверторном канале нейтронной диагностики ИТЭР нескольких ИКД с разной чувствительностью. Электронная часть аппаратуры для обработки сигналов будет практически одинаковой для всех ИКД.

Разработка схемотехники аппаратуры широкодиапазонного канала регистрации сигналов ДМНП опирается на имеющийся в МИФИ опыт разработки, внедрения и эксплуатации широкодиапазонной аппаратуры контроля нейтронного потока для систем управления и защиты (СУЗ) ядерных реакторов различного типа и назначения. Ключевым фактором при создании такой аппаратуры является использование флуктуационного режима работы ионизационной камеры деления и аппаратуры обработки сигнала. Использование флуктуационного режима позволило кардинальным образом решить задачу контроля нейтронного потока в каналах СУЗ в диапазоне 10-ти порядков с помощью одной ионизационной камеры деления (ИКД) [1].

Аппаратура при этом работает в импульсном, флуктуационном и токовом режимах. В широкодиапазонной аппаратуре контроля нейтронного потока целесообразно использовать следующие принципиальные особенности:

- в диапазоне потоков от 1 до 200% номинального уровня аппаратура может работать в чисто токовом режиме, при этом ограничением токового режима является наличие наведенного тока в сигнале камеры деления после облучения ее номинальным потоком [2];

- линейный усилитель с малошумящим дифференциальным входным каскадом и полосой пропускания около 2 МГц в сочетании со свитой линией связи “усилитель-детектор нейтронов” из экранированных кабелей обеспечивает надежную регистрации импульсов камеры деления;

- согласование входного сопротивления линейного усилителя с волновым сопротив­лением линии связи позволит применять аппаратуру с линией связи длиной до 120 м;

- совместная работа импульсного, флуктуационного и токового трактов в диапазоне значений нейтронной составляющей тока ионизационной камеры от 1·10^-8 до 1·10^-5 А может быть использована для “привязки” импульсной характеристики к номинальному уровню мощности и диагностики исправности аппаратуры вместе с камерой.

На первом этапе работ, связанным с тестированием прототипа детекторной сборки (ПДС) ДМНП под действием интенсивных потоков нейтронного и гамма излучения на исследовательском реакторе и оценкой технических решений канала контроля нейтронного потока, за основу аппаратных средств принят блок обработки сигналов ионизационных камер (БОС), который представляет собой устройство на базе микропроцессоров с широким применением микросхем высокой степени интеграции, в том числе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) [3]. С учетом требований к нейтронной диагностике ИТЭР и условиям проведения испытаний ПДС была выполнена корректировка схемотехники БОС и доработано программное обеспечение микропроцессоров и ПЛИС, обеспечена возможность контроля температуры корпуса ПДС. Кроме того, для детального исследования характеристик ПДС собран испытательный стенд (ИС), включающий аппаратно-программные средства для управления оборудованием, обработки и регистрации данных измерений.