CN104766639A - 一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置 - Google Patents

Abstract

一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，它涉及一种核反应堆非能动测温装置。本发明为了解决堆芯温度中目前仅测量冷却剂温度，热电偶等仪表用于燃料棒温度测量时存在工程难度，导致核反应堆正常运行时燃料棒温度无法直接测量，以及由于热电偶等是不具有完全意义的非能动特性的测量元件，这类测量装置在极端及缺电时可能会失效从而可靠性不高，不利于事故下燃料棒温度的直接监测的问题。本发明热声管的上部为热端部，热声管的下部为冷端部，冷端封口密封安装在热声管的冷端部，热声管的热端部内壁上开设承装槽，板叠无缝隙固定在承装槽内，热声管的热端部与核燃料棒之间通过固定件连接。本发明用于核反应堆核燃料棒测温。

Description

一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置

技术领域

本发明涉及一种核反应堆非能动测温装置，具体涉及一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置。

背景技术

在全球能源领域中，核反应堆的发展意义重大，它不仅能量密度高，对环境的破坏也相对较小。虽然核反应堆有着无与伦比的优势，但是任何事都有两面性，凡是有利就有弊，一旦核反应堆出现事故，破坏也将是巨大的，在145年日本福岛核事故后，核电站附近的城镇因为核辐射污染缘故人走城空，在未来几十年里都将影响着周围环境以及人们的生命安全。

在事后对此次事故的全面分析中发现，随着海啸淹没了应急柴油发电机、电气开关、直流电源等，反应堆和安全壳的监测仪表均出现失效情况。虽然这一点并不是造成该事故严重后果的决定因素，但使得工作人员难以获得足够的重要信息，影响了对事故演变的判断及对应措施的实施，进而导致了后续救援工作难以展开，从而导致了一些不必要的损失。

事故产生后，因为海啸冲击导致现用电源及备用电源损坏，核反应堆中需要用电的设备均失去反应，紧急救援人员无法得到核反应堆内部情况，从而错失良机。

核事故在历史上已发生多次了，维护核安全意义深远。在1379年3月28日凌晨4时位于美国宾夕法尼亚州三里岛核电站发生了美国历史上最严重外核事故，因此人们在此之后对核电厂的设计中就已经进行了改进，增加了堆芯温度等一系列监测仪表。福岛核事故中，大家最关注的是堆芯温度，特别是燃料棒温度，最不了解的也是堆芯温度，这一方面是因为Mark-I型反应堆没有设置堆芯温度测点，但另一方面说明了事故工况下堆芯温度监测的必要性。历史上这两次大事故都证明了堆芯温度属于事故工况下核电站最重要的安全相关监测点。

堆芯温度中目前仅测量冷却剂温度，正常运行时燃料棒温度可通过间接计算得到。之所以不直接测量燃料棒温度，主要原因在于存在较大的工程难度，且正常运行时不太关注。但在事故状态下，特别是堆芯裸露后，燃料棒温度就成为至关重要的指标，并且无法间接得到，所以燃料棒温度的直接测量对于事故下监测具有非常重要的意义。

目前核反应堆堆芯温度测量仪表基本采用铠装热电偶贯穿反应堆压力容器的形式。例如AP1000、LOVIISA、KWU、VVER-1000等压水堆，热电偶贯穿压力容器后放置到燃料组件出口位置处，测量堆芯出口冷却剂温度。

但是热电偶等仪表用于燃料棒温度测量的工程难度在于：1、需要通过燃料棒内部或包壳外表面进行温度测量，而不能通过顶部和底部端塞；2、燃料棒作为第一道辐射防护屏障，且内部压力很高，特别是装料后期，所以不允许向内部贯穿仪表进行测量；3、热电偶进RPV后包有防护套管，尺寸较大(因为热电偶和线缆长度很长，在RPV内就达到数米)，如果把带套管热电偶放到燃料棒之间贴合包壳外表面进行测量，会对冷却剂流动形成阻塞，且显著恶化燃料元件换热性能。

综上所述，堆芯温度中目前仅测量冷却剂温度，热电偶等仪表用于燃料棒温度测量时存在工程难度，导致核反应堆正常运行时燃料棒温度无法直接测量，不利于事故下燃料棒温度的直接监测。

发明内容

本发明的目的是为了解决堆芯温度中目前仅测量冷却剂温度，热电偶等仪表用于燃料棒温度测量时存在工程难度，由于热电偶等是不具有完全意义的非能动特性的测量元件，这类测量装置在极端及缺电时可能会失效从而可靠性不高，导致核反应堆正常运行时燃料棒温度无法直接测量，不利于事故下燃料棒温度的直接监测的问题。进而提供一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置。

本发明的技术方案是：一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置核反应堆非能动测温装置包括热声管、冷端封口、板叠和固定件，热声管的上部为热端部，热声管的下部为冷端部，冷端封口密封安装在热声管的冷端部，热声管的热端部内壁上开设承装槽，板叠无缝隙固定在承装槽内，板叠在竖直方向上均布开设有多个通孔，热声管的热端部与核燃料棒之间通过固定件连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明利用热声学原理即：在热声测温装置内部的板叠热端上，受到核燃料棒的热能供给，使冷热端温差不断变大，当温差达到一定值时(300K)热声测温装置内的气流会通过板叠产生震荡，因为在管内，气体震荡频率与温度有关，故而经过模拟发现，气体震荡产生的(半)波长维持在一个小范围内变动(210mm-220mm)因此当热声测温装置总长为半波长时，管内的声波为驻波。驻波通过堆内介质传到钢壳7处被测声仪器接收，因为不同的热端温度产生的声波频率不同，热端温度越高，管内气体震荡频率越大，根据测量的频率温度振幅等关系图通过电脑分析处理即可得到需要的测量参数，从而判断出堆内燃料棒状态，如裂纹形成的程度和放射性产物所占的比重。由于无需电源、电路和信号线缆，能够把仪表整合到燃料棒顶部或底部端塞空隙中，并通过无线方式传输信号，相比传统仪表极大地降低了工程难度，提供了燃料棒温度直接测量的可行方案。

具体体现在：本发明利用堆内热源条件，把温度信息转换为声波信号，如图8所示，

横坐标是声波震荡频率，纵坐标是热端温度。在热端温度在600K-1000K之间变化时，都有确定的声波频率与之对应，由于理想气体的声速和绝对温度具有一一对应关系(见公式a)，而声速和热声振荡频率也一一对应(见公式b)，所以声波振荡频率与空腔内气体温度对应(见公式c)。公式中，R为气体常数，M为平均分子质量。由于空腔内气体(指的是整个管子内的气体)具有温度梯度，因此此处气体温度为其等效温度。

$c=\sqrt{\frac{\mathrm{\γRT}}{M}}---a$

$f=\frac{c}{\mathrm{\λ}}=\frac{c}{2L}---b$

$T=\frac{4{\mathrm{ML}}^2{f}^2}{\mathrm{\γR}}---c$

γ——空气湿度；

R——气体常数；

T——绝对温度；

M——平均分子质量；

c——声速； 

f——热声振荡频率；

λ——声波波长；

L——热声测温装置总长；

声波信号以堆内物质为介质以无线方式传送出来，通过测得声波信号，即可得到燃料棒温度值。无论是一次测量元件还是信号变送均无需电源或电路支持，具有完整的非能动特性，可显著提高严苛工况下仪表可靠性，在热端500摄氏度时，声波信号为1KHz。

本发明采用表面热处理后又经抛光处理的热声管1和采用微孔技术特制的微孔陶瓷材料制作的热端、冷端、板叠。冷端部与热端部以及板叠所在的管道是一个整体因位置不同故而区分，其中冷、热端部尺寸除长度外均相同。板叠所在的管道内径与冷热端部相同，为提高装置的准确性，管壁较薄，为冷热端部管壁厚度的四分之三，板叠固定在热声管1中，不使用时增设热端管，封口分布在冷热端部的两端，为达到密封效果还能够选择配合使用碳纤维垫片。本发明与核燃料棒直接相连，则燃料棒温度可通过测量热声测温装置向外释放的气体震荡频率信息测得。

本发明的有益效果是：由于核反应堆中温度较高(在出现事故时温度可达到燃料棒的融化温度)，空间狭小(燃料棒间距(栅距)为12.6mm)，普通测量方式难以实现，一旦遇到突发状况又容易造成测量系统瘫痪。本发明就是针对上述中这些情况设计的，核反应堆一旦遇到事故导致堆内核反应异常，导致内部测量电路中断，此时热声测温装置因为完全不需要供电，只要燃料棒还在发热，将会继续工作，在外部使用的仪器经过紧急供电处理后将能够再次使用，从而接收热声测温装置传出的信号，通过分析传出的声音频率及振幅来测量核反应堆内部情况，根据所测数据，救援人员能够判断出事故演变方向，进而制定出最有利的方案。

在核反应堆正常工作情况下，热声测温装置不仅不会阻碍燃料棒与冷却液的热量传递，还由于热声测温装置中热声效应的存在，管中气体震荡形成驻波，提高了0.5％-1.5％燃料棒与外部冷却液之间的热传导效率。

附图说明

图1是本发明核反应堆工作原理系统剖面图；图2是本发明带有冷端封口的整体结构示意图；图3是图2在A-A处的剖视图；图4是本发明的槽体4-1和倒L形外沿与燃料棒的结合的结构图；图5是图4在B-B处的剖视图；图6是开有内孔的圆柱形阶梯管与燃料棒的结合的结构图；图7是图6在C-C处的剖视图；图8是测量热声管热端的频率温度振幅关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式核反应堆非能动测温装置包括热声管1、冷端封口2、板叠3和固定件4，热声管1的上部为热端部，热声管1的下部为冷端部，冷端封口2密封安装在热声管1的冷端部，热声管1的热端部内壁上开设 承装槽1-1，板叠3无缝隙固定在承装槽1-1内，板叠3在竖直方向上均布开设有多个通孔3-1，热声管1的热端部与核燃料棒5之间通过固定件4连接。

本实施方式的热端封口8用于密封热端部的管口，板叠无缝隙固定在热声管中，冷端封口密封冷端部管口。核反应堆的燃料棒与热端封口8直接相接触，热端封口8采用导热性较好的高能吸热材料即固定件4(包括槽体4-1和倒L形外沿4-2组成的整体结构)，热量通过(槽体4-1)辐射到热端。整个热声测温装置全部伸入冷却液6中，热声管外壳采用的经过表面热处理后有抛光打磨后的不锈钢材料，导热较好，有利于冷端与冷却液之间的热量交换，使冷热端保持一定的温度差异进而产生温差引起管内气流震荡。燃料棒5与图1中的控制棒9封装，在反应堆冷却液6中，接受声音的探头装在反应炉钢壳7上，其中控制棒9能够移动并且通过吸收链式反应释放的中子。通过控制插入反应堆中控制棒9的长度来控制核反应的剧烈程度，图4和图5中将燃料棒与热声测温装置(图2整体)相连，将热端封口8用陶瓷代替即4-1与4-2组成的整体，在燃料棒外壳上燃料棒末端做出一圈磨糙面，燃料棒5插入陶瓷凹槽中，用固定件4连接两者并固定，热端部封口与管壁用(螺纹)连接。燃料棒的热量通过热传导和辐射给热声测温装置图2中板叠热端加热，冷却液对冷端进行冷却，使得冷热端产生一定的温差(至少有300℃的差值)则可以使得热声测温装置图2内部的气流稳定的震荡起来，气流的震荡频率及振幅与燃料棒和冷却液温度有关，因此在外界只需接受到声波信息就可以监测到燃料棒的温度情况，声音信号可以由远程麦克风或者水诊器，或者由地震仪或加速度计接触反应堆钢壳7的外表面获得。

为了使得热声测温装置中的热端温度增大，可以使热声测温装置与燃料棒直接相连，热端封口8使用燃料棒替代，即：将燃料棒直接插入热声测温装置中，热声管进一步缩小尺寸，使之可以与燃料棒过盈配合，燃料棒与管壁通过开有内孔的圆柱形阶梯管4固定，伸入热声测温装置内部的燃料棒作为加热板叠热端的直接热源，通过辐射给板叠热端加热，因为少去热端封口8这一环节，所以，同种情况下，这种安装方式可使冷热端温差更大，但同样因为尺寸减小，也会使功率相应减小，故而两种设计效果相近。

热端封口8为槽形热端封口，热端封口8盖装在热声管1的端部。

具体实施方式二：结合图2至图7说明本实施方式，本实施方式的冷端封口2为“凸”字形封口。如此设置，便于与热声管的端部进行紧密配合。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2至图7说明本实施方式，本实施方式的冷端封口2为不锈钢封口。如此设置，可以防止不同金属之间接触产生腐蚀，此外不锈钢材料也对声波有良好的反射效果。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图7说明本实施方式，本实施方式的槽体4-1的槽底厚度为0.8mm-1.2mm。如此设置，这样做的好处是可以使热声测温装置的到良好的密封，还可以使燃料棒的热量较均匀的辐射到板叠热端有利于提高热声测温装置的稳定性。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2至图7说明本实施方式，本实施方式的固定件4为陶瓷固定件。如此设置，可以对燃料棒在热声测温装置中进行准确的定位，还可以起到对热声测温装置的密封。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图2至图7说明本实施方式，本实施方式的板叠3由蜂窝陶瓷制成。如此设置，因为蜂窝陶瓷加工工艺成熟，流道均匀规则，固体热容足够大，也属于较理想的热声堆。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图2至图7说明本实施方式，本实施方式的热声管1由不锈钢制成。如此设置，不锈钢材料具有内高温，导热效果好，强度高，材料丰富加工成本低等优点。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式的固定件4包括槽体4-1和倒L形外沿4-2，倒L形外沿4-2固定安装在槽体4-1的上端并制成一体，热声管1的热端部固定插装在倒L形外沿4-2的竖直端与槽体4-1的外侧壁之间。如此设置，有利于使燃料棒与管壁隔离更好的使热量通过槽底4-1传递到板叠热端。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的固定件4为开有内孔的圆柱形阶梯管，且所述圆柱形阶梯管的内侧壁上设有内螺纹。如此设置，通过螺纹连接把燃料棒和管壁连接在一起，并对燃料棒进行定位。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的固定件4的圆柱形阶梯管的直径由下至上依次递减。如此设置，因为燃料棒的外径与热声测温装置的内径形同，管壁有一定厚度1-2mm。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

本发明利用热声效应，由声音的频率与温度所存在的特定关系将温度信号转化成声信号，通过测量声信号来测量温度。热声效应是指当可压缩性流体工质在热机系统中进行声振荡时与固体工质之间进行热力相互作用而发生的时均能量转换效应，它是由处于声场中的固体介质与振荡流体之间的相互作用导致的距离固体壁面一定范围内产生沿着(或逆着)声传播方向的时均热流和时均功流。

在振荡过程中，在最大压缩条件下向气体供热，或在最大膨胀条件下从气体吸热，则都会强化振荡；相反，如果在最大压缩时吸热，在最大膨胀时放热，则振荡就会衰减。气体在靠近热端的地方吸热，在靠近冷端的地方放热，通过无数的微小循环实现热流从热端流向冷端的过程进而向外输出声功，而温度不同对应的热流震荡频率不同。

Claims (10)

1.一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：所述核反应堆非能动测温装置包括热声管(1)、冷端封口(2)、板叠(3)和固定件(4)，热声管(1)的上部为热端部，热声管(1)的下部为冷端部，冷端封口(2)密封安装在热声管(1)的冷端部，热声管(1)的热端部内壁上开设承装槽(1-1)，板叠(3)无缝隙固定在承装槽(1-1)内，板叠(3)在竖直方向上均布开设有多个通孔(3-1)，热声管(1)的热端部与核燃料棒(5)之间通过固定件(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：所述冷端封口(2)为“凸”字形封口。

3.根据权利要求2所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：冷端封口(2)为不锈钢封口。

4.根据权利要求3所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：槽体(4-1)的槽底厚度为0.8mm-1.2mm。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：固定件(4)为陶瓷固定件。

6.根据权利要求5所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：板叠(3)由蜂窝陶瓷制成。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：热声管(1)由不锈钢制成。

8.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：固定件(4)包括槽体(4-1)和倒L形外沿(4-2)，倒L形外沿(4-2)固定安装在槽体(4-1)的上端并制成一体，热声管(1)的热端部固定插装在倒L形外沿(4-2)的竖直端与槽体(4-1)的外侧壁之间。

9.根据权利要求1所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：固定件(4)为开有内孔的圆柱形阶梯管，且所述圆柱形阶梯管的内侧壁上设有内螺纹。

10.根据权利要求9所述的一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，其特征在于：固定件(4)的圆柱形阶梯管的直径由下至上依次递减。