Учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета создали и запатентовали термометр, способный не выходить из строя и стабильно работать в экстремальных условиях атомной электростанции, контролируя безопасную работу атомного реактора.
Ключевой элемент атомной электростанции — реактор, где расщепляются ядра урана, и надёжный тепловой режим критически важен для безопасности и эффективности. Существующие системы термометрии имеют серьёзные недостатки: термопары быстро выходят из строя из-за радиации, резистивные датчики искажают показания под электромагнитными помехами, а волоконно-оптические технологии теряют точность при разрушении защитного покрытия от длительного нагрева, что приводит к ускоренному износу оборудования и частым остановкам для замены.
Для решения этих проблем учёные Пермского политеха разработали устройство, сочетающее преимущества волоконно-оптических систем с устойчивостью к радиации и электромагнитным помехам. Прибор обладает диапазоном измерений в 3 — 4 раза шире аналогов, отличается долговечностью и обеспечивает точный контроль в активной зоне реактора для безопасной работы станции.
Новая конструкция чувствительного элемента создана на основе оптического волокна, внутри которого находятся микроскопические газовые полости, заполненные кислородом под давлением, а вместо традиционного органического защитно-упрочняющего покрытия используется металлическая оболочка. Совокупность таких полостей, размер каждой из которых составляет порядка 3 — 6 мкм, представляет из себя высокочувствительный датчик, который изменяет под действием тепла оптические свойства отражаемого излучения, регистрируемого измерительной системой.
Если рассмотреть процесс глубже, то в конструкцию термометра встроен «фонарик», который посылает луч света по тонкому стеклянному волокну, на конце которого располагаются микроскопические пузырьки с газом, представляющие из себя чувствительный к температуре элемент. Свет, взаимодействуя с пузырьками, отражается и проходит через «усилитель», специальную лупу, попадая в измерительную систему. Компьютер анализирует изменения свойств отражённого от пузырьков света за счёт нагрева чувствительного элемента во внешней среде, и преобразует их в температурные показания.
В зависимости от выбранного высокотемпературного материала защитно-упрочняющего покрытия — алюминия, меди, никеля или их сплавов — термометр может стабильно работать в диапазоне температур от минус 196 градусов Цельсия вплоть до плюс 1000 градусов Цельсия, тогда как существующие аналоги выдерживают кратковременно не более 400 градусов Цельсия.
Важным усовершенствованием стало внедрение оптического усилителя в измерительную цепь, что позволило использовать источники света малой мощности, полностью исключив эффект самонагрева датчика.
Таким образом, термометр не подвержен влиянию электромагнитных помех, устойчив к радиационному воздействию, обладает в 3 — 4 раза более широким диапазоном измеряемой температуры и не требует частой замены. Помимо этого, его можно использовать в металлургии для контроля расплавов, в химической промышленности для агрессивных сред и в энергетике для мониторинга оборудования. Применение разработки позволит сократить расходы на обслуживание и повысить эффективность работы энергетических объектов за счёт более точного контроля тепловых режимов.
На изобретение пермских учёных уже выдан патент, а само исследование было выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
