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 – так называемых сухих хранилищ. Неслучайно в последние годы возрос интерес к распределённым оптоволоконным датчикам температуры на основе эффектов комбинационного рассеяния света и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Правда, на рынке подобные датчики, которые могли бы применяться в условиях сильного ионизирующего излучения, пока отсутствуют. Но в недалёком будущем они могут там появиться, поскольку оптоволоконная система мониторинга состояния сухих хранилищ уже разработана учёными Ульяновского государственного университетаexternal link, opens in a new tab. Их проектexternal link, opens in a new tab был поддержан Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»external link, opens in a new tab.
Виктор Приходько: «Мы можем проводить мониторинг температуры в помещениях любого размера»«Сухое хранилище представляет собой зал, куда регулярно ввозится отработавшее ядерное топливо в виде цилиндрических топливных сборок. Для того чтобы обеспечить безопасность работы в таком хранилище, необходим мониторинг и дозы излучения, и температуры. В качестве сенсорных элементов для создания нашей системы мы выбрали – как в случае дозиметров, так и в случае сенсора температуры – оптоволокно. Есть у нас и резервный канал для регулярной сверки правильности работы основной системы, построенный на традиционной основе – термопар и сцинтилляционные сенсоры, – рассказывает ответственный исполнитель проекта, кандидат физико-математических наук, начальник Управления информационных технологий и телекоммуникаций Ульяновского государственного университета Виктор Приходько.
Уникальность аппаратной части системы, связанной с измерением температуры состоит в том, что она является распределённой.
«Мы можем проводить мониторинг температуры в помещениях любого размера, потому что в качестве датчика используется оптоволокно, протяжённость которого может достигать нескольких десятков километров.
Основной метод регистрации температуры основан на применении эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. В качестве основы сенсора мощности дозы облучения в оригинальных дозиметрах, на которые у нас получен патент, используется сцинтилляционное оптоволокно, накручиваемое по спирали. Регистрация гамма-излучения происходит на уровне единиц фотонов», – пояснил Приходько.
В 2015 году научным коллективом был разработан новый волоконно-оптический сенсор температуры и деформации для строительных конструкций, который является композитным оптическим элементом, выполненным в виде армированного оптического одномодового волокна, размещённого непосредственно в теле композитной стекловолоконной арматуры.
Волоконный сенсорный элемент для строительных конструкцийСенсор обладает высокой чувствительностью к внешним изменениям температуры и деформациям, имеет высокое пространственное разрешение и отличается повышенной механической прочностью по сравнению с известными волоконными сенсорными элементами. Результаты экспериментов подтвердили характеристики сенсора: температурная чувствительность составила 0,1 МГц/ 0С, чувствительность к деформациям – порядка 2,7 МГц/мм.
При создании программной части системы выбран модульный принцип её построения, а в качестве программных компонентов – свободно распространяемое ПО. Специалисты разного профиля из УлГУ разработали 10 взаимодействующих между собой модулей. Это модуль измерений температуры; модуль измерений уровня ионизирующего излучения; модуль визуальной компоновки геометрии пространства сухого хранилища ОЯТ, источников ионизирующего излучения, внешних факторов; модуль вычислений значений температуры; модуль вычислений значений уровня ионизирующего излучения; модуль вывода данных расчётов и измерений; модуль хранения данных расчетов и измерений (база данных); модуль визуализации результатов вычислений; модуль верификации результатов расчетов с результатами измерений; модуль сигнальной информации для пользователя. Все они устанавливаются на серверное оборудование и компьютер оператора. В качестве программных компонентов для построения системы выбрано свободно-распространяемое программное обеспечение.
Для управления системой предусмотрен отдельный персональный компьютер оператора, на котором выполняются функции конфигурирования геометрии системы, удалённое управление блоками и модулями системы, администрирование запуска и остановка системы.
Аппаратные модули оптоволоконной системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива в телекоммуникационной стойке: 1 – монтажная стойка, 2– расчётный сервер, 3 – сервер баз данных, 4 – сетевой коммутатор, 5 – бриллюэновский анализатор спектра, 6 – персональный компьютер, 7 – волоконный сенсорный элемент, 8 – клавиатура, 9 – монитор, 10 – многоканальный измеритель температуры, 11 – многоканальный дозиметр, 12 – дозиметр квазираспределённый волоконный, 13 – многоканальный оптический коммутатор, 14 – источник бесперебойного питанияИндустриальный партнёр проекта – Акционерное общество «Институт реакторных материалов» (АО «ИРМ») является предприятием госкорпорации «РОСАТОМ» материаловедческого профиля. На нём производится изотопная продукция для нужд радиационной медицины. Также оно располагает исследовательским реактором ИВВ-2М. АО «ИРМ» реализовало проект реконструкции шахты-хранилища отработанных ТВС ИЯР ИВВ-2М, в том числе мероприятия по подготовке шахты к размещению «Системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива». (Шахта-хранилище на отметке 8,05 введена в эксплуатацию в составе комплекса исследовательского ядерного реактора ИВВ-2М.)
В 2016 году коллектив проекта УлГУ создал экспериментальный образец системы мониторинга состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива.
Такая система, способная функционировать в условиях сильного ионизирующего излучения и сильных электромагнитных полей, предназначена для использования на предприятиях атомной отрасли – атомных электростанциях, научно-исследовательских институтах соответствующего профиля, заводах по переработки продуктов атомной отрасли. После испытаний и доработки экспериментальный образец будет передан индустриальному партнёру.
Также были проведены маркетинговые исследования для изучения перспектив коммерциализации результатов прикладных научных исследований. Основные потребители результатов работ, с которыми у участников проекта есть предварительные договорённости:
- АО «Институт реакторных материалов» (заинтересовано в повышении эффективности мониторинга состояния протяжённых объектов в условиях сильных радиационных полей);
- ПО «Маяк» (заинтересовано в мониторинге технологических процессов переработке радиоактивных материалов);
- ФГУП «Горно-химического комбинат» (заинтересовано в мониторинге состояния сухих хранилищ отработанного ядерного топлива).
Другими возможными потребителями результатов разработки могут быть предприятия, занимающиеся производством радиоизотопной продукции, учреждения радиологического профиля и предприятия по утилизации отходов атомной отрасли. Кроме того, они могут быть использованы в автономных системах, использующих в качестве основного источника энергии атомные реакторы, а также в медицинских центрах, на объектах ТЭК России.