Радіаційна стійкість обладнання ядерних енергоустановок
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Остапенко І.А. Радіаційна стійкість обладнання ядерних енергоустановок. – На правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.14 – Теплові та ядерні енергоустановки. Інститут ядерних досліджень Національної академії наук України та Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена підвищенню достовірності оцінки радіаційної стійкості обладнання ядерних енергоустановок на прикладі кабельної продукції систем, важливих для безпеки. У першому розділі обґрунтовано важливість випробувань і профілактичного обслуговування обладнання для безпеки АЕС та показано, що в умовах довгострокової експлуатації енергоблоків особливої ваги набуває достовірне підтвердження працездатності систем і елементів, важливих для безпеки, у тому числі в аварійних режимах. Проаналізовано сучасні підходи до кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС, зокрема кабельної продукції, та показано, що традиційні методи радіаційних випробувань, які ґрунтуються переважно на застосуванні ізотопних γ-джерел, не повною мірою відтворюють реальні умови впливу на обладнання при аваріях. На підставі узагальнення міжнародних рекомендацій і наявної випробувальної практики зроблено висновок про необхідність розроблення фізично обґрунтованої методики випробувань кабельної продукції у керованих змішаних β-γ полях із забезпеченням інструментального контролю дозових параметрів і встановленням функціонально значущих критеріїв працездатності ізоляції. Завершує розділ постановка завдань дослідження, що випливають з аналізу сучасного стану проблеми. У другому розділі виконано аналіз існуючих методів кваліфікаційних випробувань обладнання АЕС та показано їх переваги й обмеження в можливості відтворення реальних умов впливу аварій на обладнання, розміщене в ГО реакторних установок типу ВВЕР. Розглянуто стандартну процедуру кваліфікації, підхід із застосуванням спеціальної LOCA-камери та запропоновано методику комплексних випробувань на радіаційній установці. На підставі аналізу нормативної та методичної бази встановлено, що традиційні підходи до радіаційних випробувань, які переважно базуються на використанні ізотопних джерел 60Co, мають виражений консервативний характер і не повною мірою відображають реальні фізичні умови аварійного опромінення під герметичною оболонкою. У розділі досліджено умови формування радіаційних полів у разі аварії з втратою теплоносія та показано, що під герметичною оболонкою радіаційне поле має змішаний β-γ характер, причому істотний внесок у нього роблять як короткоживучі інертні гази та ізотопи йоду, так і середньо- та довгоживучі продукти поділу. За результатами чисельного моделювання методом Монте-Карло отримано енергетичні спектри β-частинок і γ-квантів, характерні для аварій LOCA у реакторах типу ВВЕР, а також проаналізовано їх значення для механізмів радіаційної деградації кабельної ізоляції. У третьому розділі представлено результати розроблення та експериментальної апробації стенду для проведення прискорених радіаційних випробувань на базі радіаційної установки Інституту ядерних досліджень Національної академії наук України з лінійним прискорювачем електронів «Електроніка У-005». Наведено технічні характеристики установки, показано її придатність для формування інтенсивних полів опромінення та обґрунтовано можливість використання такого комплексу для відтворення умов, релевантних завданням кваліфікації обладнання атомних електростанцій. Встановлено, що застосована установка забезпечує широкий діапазон регулювання параметрів електронного пучка та дозволяє реалізувати експериментальні режими, необхідні для дослідження впливу інтенсивного іонізуючого випромінювання на кабельну продукцію та інші елементи обладнання, важливого для безпеки. У розділі обґрунтовано двоетапний принцип формування змішаних радіаційних полів у реакційній камері. На першому етапі вузький пучок прискорених електронів трансформується у широке рівномірне поле опромінення, придатне для досліджень і радіаційно-технологічних застосувань. На другому етапі реалізовано формування змішаного β-γ поля з потрібним співвідношенням компонент шляхом використання напівпрозорої конверсійної вольфрамової мішені, встановленої на виході системи формування поля, що забезпечує генерацію гальмівного випромінювання та перехід від переважно електронного до змішаного опромінення. Таким чином створено фізично обґрунтовану експериментальну основу для проведення кваліфікаційних випробувань у режимах, наближених до реальних аварійних умов експлуатації обладнання під герметичною оболонкою. Окрему увагу приділено опису створення засобів контролю параметрів поля іонізуючих випромінювань у реакційній камері. Для вимірювань у полях високої інтенсивності запропоновано використання пропорційного лічильника СИ-5007 у струмовому режимі («обернене включення»), що дало змогу істотно зменшити вплив імпульсних перевантажень, паразитних ємностей довгих ліній зв’язку та електромагнітних завад від високочастотних систем прискорювача. Аналіз вольтамперних характеристик лічильника без радіаційного поля та в робочому режимі дозволив визначити діапазон напруг, придатний для його стабільного використання як елемента системи дозиметричного контролю. У результаті створено модернізовану систему вимірювання характеристик змішаного поля, придатну для реєстрації як електронної, так і γ компоненти в умовах інтенсивного опромінення. За результатами експериментальних досліджень отримано просторові розподіли потужності дози β- та γ-випромінювання в реакційній камері. Показано, що сформоване електронне поле забезпечує рівні потужності дози, достатні для проведення функціональних радіаційних випробувань і кваліфікації обладнання для використання на атомних електростанціях. Водночас для γ компоненти встановлено вищу проникну здатність порівняно з первинним електронним пучком і виражену кутову анізотропію, зумовлену діаграмою спрямованості гальмівного випромінювання. Отримані результати підтвердили можливість відтворення в реакційній камері контрольованого змішаного β-γ поля з просторовими характеристиками, придатними для подальших досліджень радіаційної стійкості кабельної продукції. У четвертому розділі представлено результати чисельного моделювання пучка прискорених електронів і процесів формування радіаційного поля в реакційній камері лінійного прискорювача електронів із застосуванням методу Монте-Карло в комп’ютерному коді TOPAS (GEANT4). Побудовано тривимірну модель реакційної камери, яка враховує випускне вікно прискорювача, повітряний проміжок, систему розсіювання та елементи формування широкого поля опромінення. Показано, що включення до моделі випускного вікна, розсіювачів, відбивачів і захисних екранів є принципово необхідним для коректного відтворення початкового розсіювання електронів, генерації вторинного гальмівного випромінювання та просторового розподілу енерговиділення в об’ємі реакційної камери. На основі розрахунків обґрунтовано конфігурацію елементів системи формування поля, зокрема використання тонких алюмінієвих розсіювачів, конверсійної мішені і алюмінієвих відбивачів, що забезпечують розширення пучка та підвищення однорідності поля опромінення. У розділі досліджено просторово-енергетичні характеристики пучка після виходу з прискорювача та в об’ємі реакційної камери. За результатами моделювання отримано траєкторії частинок, енергетичні спектри електронів і γ-квантів, а також залежності, що характеризують трансформацію пучка в процесі його проходження через повітряне середовище. Показано, що внаслідок багаторазового кулонівського розсіювання формується розширений пучок із вираженим градієнтом інтенсивності відносно осі, що потребує обґрунтованого вибору робочої зони опромінення. Окремо виконано аналіз статистичної збіжності розрахунків і визначено раціональний обсяг моделювання, достатній для отримання стійких оцінок поглинутої дози в контрольних точках. За результатами моделювання параметрів радіаційного поля в реакційній камері визначено просторові розподіли поглинутої дози за рахунок - та γ-складових, а також зміну середньої енергії частинок уздовж осі поширення пучка. Встановлено, що в режимі без конверсійної мішені основний внесок у поглинуту дозу дають прискорені електрони, тоді як γ-компонента має вторинний характер і формується переважно як гальмівне випромінювання. Разом з тим отримані розрахункові дані дозволили кількісно оцінити просторову неоднорідність поля, визначити межі робочої зони з прийнятним рівнем нерівномірності та підтвердити придатність розробленої моделі для подальшого перенесення результатів на завдання моделювання випробувань кабельної продукції в змішаних β-γ полях. У п’ятому розділі наведено результати експериментального дослідження радіаційної стійкості кабельної продукції в умовах інтенсивного змішаного β-γ поля, сформованого в реакційній камері лінійного прискорювача електронів. У якості інтегрального електрофізичного показнику стану ізоляції використано струм витоку між центральною жилою та екраном кабелю, що відповідає практиці кваліфікації кабельної продукції систем керування і контролю, де критичним є не сам факт пробою, а збереження достатньо високого опору ізоляції при робочій напрузі. У роботі застосовано схему вимірювання з шунтуючим опором 1 МОм, що забезпечила реєстрацію струму витоку через ізоляцію за різних режимів зміни потужності дози. Вимірювання проводилися без прикладеної напруги, а також при напрузі 2 кВ у режимах зростання та зменшення потужності дози, що дало можливість окремо простежити внесок радіаційно-індукованої провідності та необоротної деградації ізоляційного матеріалу. Основний масив експериментальних результатів отримано для коаксіального кабелю РК 75-9-13 з поліетиленовою ізоляцією. Для цього кабелю встановлено нелінійний характер залежності струму витоку від потужності поглиненої дози, а також наявність гістерезису при зміні режиму опромінення, що свідчить про накладання оборотної радіаційно-індукованої провідності та накопичувальних деградаційних процесів. Показано, що в області потужностей дози приблизно 130-160 кГр/год відбувається якісна зміна характеру залежності, яка інтерпретується як перехід до режиму, де визначальним стає внесок накопичувальної деградації полімерної ізоляції. Також досліджено коаксіальний кабель з мінеральною ізоляцією, для якого залежність струму витоку від потужності дози також має нелінійний характер, однак порогова область зміщена в зону значно вищих потужностей дози – близько 230–260 кГр/год, а максимальне значення струму витоку при потужності дози близько 300 кГр/год не перевищує 0,13 мкА. При цьому гістерезис для кабелю з мінеральною ізоляцією виражений значно слабше, що узгоджується з відсутністю радіаційно-хімічної деструкції, характерної для полімерних матеріалів. На підставі аналізу отриманих результатів у роботі запропоновано функціональний критерій втрати ізоляційної здатності кабелю, що базується на допустимому струмі витоку при робочій напрузі. За критичний прийнято рівень Iкр = 1 мкА при напрузі 2 кВ, що відповідає еквівалентному опору ізоляції 2⋅109 Ом для зразка довжиною 5 м. Такий підхід дозволив перейти від якісної оцінки деградації ізоляції до кількісного визначення критичних режимів опромінення. Показано, що запропонований критерій безпосередньо пов’язує результати радіаційних випробувань із працездатністю кабельної лінії як елемента системи, важливої для безпеки АЕС, а також створює основу для практичного використання результатів у завданнях кваліфікації та оцінювання залишкового ресурсу кабельної продукції. Отримані залежності узгоджуються з результатами розрахунково-експериментального моделювання, виконаного у попередньому розділі, та підтверджують визначальну роль сумісної дії потужності дози й механізмів радіаційно-індукованої та накопичувальної деградації ізоляції.
Опис
Ключові слова
ядерна енергоустановка, атомна електростанція, безпека АЕС, радіаційна стійкість, кваліфікація обладнання, кабельна продукція, кабельна ізоляція, змішане β–γ поле, потужність дози, струм витоку, лінійний прискорювач електронів, Монте-Карло, TOPAS, GEANT4, nuclear power plant, NPP safety, radiation resistance, equipment qualification, cable products, cable insulation, mixed beta-gamma field, dose rate, leakage current, linear electron accelerator, Monte-Carlo
Бібліографічний опис
Остапенко, І. А. Радіаційна стійкість обладнання ядерних енергоустановок : дис. … канд. техн. наук : 05.14.14 - Теплові та ядерні енергоустановки / Остапенко Іван Анатолійович. – Київ, 2026. – 197 с.