Разнообразие калориметрических методик и конструкций калориметров, используемых на реакторах, обусловлено, по-видимому, тем, что, с одной стороны, измерение поглощенной дозы производится в различных условиях (по уровню интенсивности, размерам и устройству экспериментальных каналов, видам исследуемых материалов, для различных целей—дозиметрии, материаловедческих исследований), а с другой стороны, калориметрия как относительно молодая область дозиметрии еще переживает период проверки и отбора наиболее простых, падежных и точных методов измерений и конструкций.
Накопленный опыт использования калориметрических датчиков в реакторе дает возможность сделать некоторые общие и частные выводы относительно достоинств и недостатков рассмотренных методик и областей их применения.
Адиабатический метод позволяет быстро и надежно измерить поглощенную энергию в образце; при этом процесс измерений полностью независим от температуры среды и может быть прерван при достижении предельно допустимой для прибора температуры. Небольшой нагреватель, вмонтированный в образец, исключает необходимость расчетов для определения поглощённой энергии. Погрешность измерения с помощью тщательно изготовленных адиабатических калориметров не превышает 2%. Однако использование адиабатического калориметра в полях излучений высокой интенсивности, как отмечалось выше, встретило трудности, связанные с поддержанием адиабатических условий при быстром росте температуры образца, что усложняет и без того далеко не простую конструкцию прибора. Материалом оболочек адиабатических датчиков обычно является стекло или плавленый кварц — механически хрупкие материалы, работа с которыми требует особой осторожности.
Более простыми по конструкции и методике измерений являются приближенные адиабатические приборы, или квазиадиабатические. Однако точность определения начального наклона кривой нагрева невысока. Кроме того, в расчетах поглощенной энергии необходимо использовать удельную теплоемкость материала образца, известную не всегда с высокой точностью. Этот метод наиболее применим к материалам с низкой теплопроводностью, при этом чем больше толщина образца, тем точнее измерение. Однако толщина образца имеет оптимальные размеры, при которых кривая нагрева линейна, а поле излучения не претерпевает искажения за счет ввода в него образца. Следует отметить, что использование в качестве калориметрического тела образца из полистирола диаметром 30 мм в работе [99] не является корректным, так как в центре образца, где расположена термопара, поглощенная доза от быстрых нейтронов по приближенным подсчетам на 20—30% меньше поглощенной дозы в «тонком» образце. Те же замечания в равной степени относятся и к дозиметрии γ-излучения свинцовым образцом диаметром 1,26 см [105], когда ослабление γ-излучения в центре образца достигает 30—60% в зависимости от формы спектра.
Кинетический метод, основанный на предположении об экспоненциальном характере нагрева и охлаждения калориметрического тела, что выполнимо при разностях температур в системе в несколько градусов, применим в широком диапазоне скоростей поглощения энергии, однако верхний предел измерений не превышал в основном предела, достигаемого адиабатическим методом. Исключение составляют кинетические калориметры типов ТМ, TMS, VG, в результаты измерений которых вводятся теоретически рассчитанные поправки на отклонение от экспоненциального характера хода температурных кривых. По этой причине приборы данного класса измеряют мощности поглощенной дозы в графитовых образцах до 10+9 рад/ч. Существенным недостатком кинетических методов дозиметрии является необходимость точно знать теплофизические свойства материалов образцов.
В активной зоне, отражателе и защите реактора успешно используются стационарные изотермические калориметры. В слабых полях излучений они не менее чувствительны и точны, чем кинетические и адиабатические, а верхний предел измерений практически ограничен лишь теплостойкостью материалов конструкций. Изотермический калориметр позволяет постоянно контролировать мощность поглощенной энергии и измерять интегральную поглощенную дозу. К недостаткам изотермического метода следует отнести длительность измерений, необходимость изотермического охлаждения оболочки, развитие высоких температур в образце. Практическая реализация неограниченности верхнего предела измерений осуществляется в квазистационарном калориметре [122]. При рассмотрении конструкционного исполнения калориметрических приборов и способов калибровки ограничимся лишь общими замечаниями, так как подобный вопрос нельзя рассматривать изолированно от конкретных условий измерений и целей эксперимента.
Трудности манипуляций с датчиком при работающем реакторе общеизвестны. Поэтому очень удобны для измерений те приборы, которые дают необходимую информацию без такого рода операций. К этому типу приборов относятся дифференциальный калориметр [119], калориметр DRE [117], калориметр Кальве [120], калориметр, использующий кинетический метод калибровки [105], калориметрический зонд реактора BR-2 [118], термодивергатор [121].
Для систематических измерений желательно иметь калориметр, способный длительное время работать в условиях интенсивных излучений и высоких температур. Это достигается применением неокисляющихся материалов с достаточной термостойкостью или созданием среды из инертных газов соответствующих электроизоляционных материалов. Так, калориметр ТМ [87], выполненный из нержавеющей стали, проработал без перерыва 10 000 ч, набрав интегральную дозу γ-излучения 1012 рад; калориметр ВРМК [75], также изготовленный из стали, проработал с небольшим урановым образцом в реакторе ВВР-М 500 ч, при этом получил интегральную дозу около 1013 рад. В течение времени облучения калибровочная характеристика прибора изменилась на 6%.
Как было отмечено, расчетные методы определения поглощенной энергии лишь по данным температурных измерении очень неточны. Присущи большие неточности и методам калибровки вне реактора, так как идентичность геометрических и температурных условий полностью не соблюдается. Однако нс все авторы учитывают это, используя калибровочные кривые, полученные вне зоны облучения.
Источником погрешностей являются теплофизические константы, входящие в расчет, так как эти величины в ряде случаев определяются неточно, а для многих материалов, в особенности новых или сложных по составу, они вовсе неизвестны.
Наличие внутренних источников тепла во всех звеньях калориметра обязывает к очень тщательному подбору конструкционных материалов, способов их монтажа, размеров и т. д.
Еще одно условие, предъявляемое к калориметрическим датчикам, заключается в простоте изготовления и доступности конструкционных и изоляционных материалов, датчиков температур. Это связано с необходимостью проведения дозиметрических измерений на определенном наборе образцов, различающихся теплофизическими, ядерными и другими свойствами, в каналах различных геометрических размеров, когда для каждого случая необходимо изготавливать датчики не только различных размеров, но и разных типов.
Использование калориметрических приборов, разработанных при содействии Комиссариата по атомной энергии Франции, убедительно показало, что успешное решение задачи по дозиметрии на реакторах можно обеспечить при помощи нескольких отработанных калориметрических методик и конструкций, определив при этом условия измерений и границы их применения.
