CN105157844A - 一种核辐射环境的热力学温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核辐射环境的热力学温度测量方法，其特征在于：提供一具有预定长度的石墨管；在石墨管内充入氦气；将该石墨管从反应堆顶部垂直插入至反应堆底部；向石墨管提供声信号，计算石墨管内该氦气的平均声速，根据氦气的平方声速与温度的关系，获得对应的热力学温度。本发明实现了将声学共鸣热力学温度测量应用于核辐射环境的温度测量，针对实用要求，降低绝对温度法测温技术的复杂度和操作的困难程度。本发明的声学共鸣测量核辐射环境热力学温度的方法适用于核辐射环境热力学温度测量，且适用于要求测量不受恶劣环境影响、运行状态稳定的系统。

Description

一种核辐射环境的热力学温度测量方法

技术领域

本发明涉及一种温度测量方法，特别的涉及一种应用声学共鸣测量核辐射环境的热力学温度测量方法。

背景技术

温度计按其测量原理，可分为绝对式温度计和相对式温度计。绝对式温度计亦称热力学温度计，依据基本热力学关系式，通过直接测量热平衡系统分子平均运动能量，获得热力学温度，温度计的测量结果不依赖于工作介质的物理性质。相对式温度计的测温不依赖于基本热力学关系，所反映的是其某种物理性质与温度的对应关系，因此，相对式温度计必须经过标定，才能获得定量的对应关系。鉴于绝对式温度计技术复杂、使用不便、测量耗时，故在科学和技术研究、工业领域里使用的接触式温度计，都是按照相对法原理工作的，例如铂电阻温度计依赖探头的电阻与温度的关系，热电偶依赖不同热电偶丝之间的热电势与温度的关系，水银温度计依赖水银的热膨胀率与温度的关系。相对式温度计的优点是制作和使用的技术简便，感温元件时间常数相对较小，有比较高的稳定性和测量重复性。缺点是，温度计不能直接地定量指示被测物的热力学温度，必须在国家温度计量实验室(或国内的各级温度计量实验室)，根据ITS-90国际温标所规定技术方法，标定获取具体温度计感温元件性质(电学性质，如电阻；或机械性质，如水银的热膨胀率随温度的变化)与ITS-90国际温标参考固定点热力学温度赋值之间的比例关系，再按照ITS-90国际温标规定的内插或外推计算方法，获得温度计在被校准温区内感温元件性质的温度依赖定量关系。

相对式温度计复现ITS-90温标的精密程度，完全取决于感温元件电学或机械性能与温度间关系的稳定性。国内外的研究和大量的实践经验指出，在极端恶劣环境下，如核反应堆高温环境下，反应堆石墨元件碳侵蚀、中子辐射污染感温元件和丝材，都导致纯金属感温元件的电学和机械性能发生明显改变，使得比例关系随时间发生快速明显漂移，如欧洲的研究结果显示，热电偶在高核辐射环境下使用连续三至六个月，温度读数漂移可达20％以上；火力发电设备上高温高化学物质污染区的温度计，连续使用几个月后，其读数漂移可达到20％或更高。2011年12月，日本福岛核电站2号反应堆实现了冷停堆。2012年2月，应该处在“睡眠中”的反应堆突然“苏醒”，温度突然出现升高，此前一直维持在40度左右的温度计读数突然不断地上升到50、60、70、80度，最后竟达到了400度，经过专家对大量数据的分析研判，最终发现在压力容器周边的43支温度计中，有8支显示温度升高，而其它35支并未升温。8支温度计的失灵，导致日本政府及民众虚惊一场。这些典型事例都表明，按照相对比例关系工作的温度计，暴露在高温高污染、高核辐射下，感温元件容易被污染物和核辐射粒子侵蚀，使得其机械和电学性能随时间发生快速明显变化，致使测量感温元件的感温性质与温度的实际关系，明显地偏离温度计标定所获得的关系，测量感温性质所得到的“温度”，实际上远远地偏离了当地的真实温度值。对于使用周期60年的核反应堆，其堆芯等关键部位温度，是反应堆安全运行的关键指标和控制参数，要求温度计必须能够长期稳定地指示当地准确的温度值。频繁地更换被污染的温度计会增加反应堆运行的成本和技术困难，事实上也为反应堆的安全运行埋下隐患。

随着核技术的不断发展，在未来十年左右的时间内，第四代核反应堆将投入使用，其工作介质(氦气)出口温度将从目前的800K至1100K左右提高至1300K或更高，反应堆环境为高温高浓度碳气氛、高中子辐射。目前常用的具有良好抗核辐射性的K型热电偶将无法适应高温环境的测温需求，现有的其他类型温度计，比如S型热电偶，丝材很容易被辐射污染和碳侵蚀，使得其机械和电学性能都快速地发生改变，长期的高碳侵蚀也会导致防辐射保护管脆化。

因此，上述这些因素都使得长期稳定、准确地测量第四代核反应堆关键部位的温度成为新一代核反应堆工程化的关键技术难题。

发明内容

声学共鸣热力温度计被用于准确地测定玻尔兹曼常数、热力学温度，在所有的热力学温度计中，声学共鸣热力学温度计具备最高的测量准确度。与其他类型的热力学温度计一样，用于最高准确度测量的声学共鸣温度计系统技术上极其复杂、系统庞大、操作困难、数据分析和处理需要非常专门化的知识。

本发明的目的是提供一种能够将声学共鸣热力学温度计直接测量热力学温度、与介质的性质无关的特点用于核辐射环境的温度测量的方法。

本发明提供了一种核辐射环境的热力学温度测量方法，其特征在于：提供一具有预定长度的石墨管；在石墨管内充入氦气；将该石墨管从反应堆顶部垂直插入至反应堆底部；向石墨管提供声信号，计算石墨管内该氦气的平均声速，根据氦气的平方声速与温度的关系，获得对应的热力学温度。

其中，在温度测量过程中，保持石墨管内气压与反应堆气压相等。

其中，所述石墨管两端密闭，所述石墨管具有上端盖和下端盖。

其中，在石墨管的上端盖上设置信号源。

其中，在所述上端盖上设置有声接收传感器。

本发明满足了实用要求，降低了技术复杂和操作的困难程度。本发明的声学共鸣测量核辐射环境热力学温度的方法提出了改进的声学共鸣温度计测量方法，适用于核辐射环境热力学温度测量。

附图说明

图1为He平方声速随温度变化关系图；

图2为腔体中声共鸣的频率图谱。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对本发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

热平衡条件下，单原子理想气体统计平均动能与热力学温度k_BT的关系是：

$\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}_{\mathrm{RMS}}^2=\frac{3}{2}{k}_{B}T---\left(1\right)$

其中，v_RMS表示质量为m的理想气体分子均方根速度，k_B为Boltzmann常数，T为热力学温度。对于具有声微扰动的绝热理想单原子气体系统，单原子分子平均动能与其理想气体声速c₀有如下关系：

$v_{\mathrm{RMS}}^2=3c_0^2/{\mathrm{\γ}}_0---\left(2\right)$

其中，γ₀为理想气体比热比，对单原子分子气体，其值为5/3。结合式(1)和(2)，对于理想单原子气体：

$k_{B}T=\frac{c_0^{2}M}{{\mathrm{\γ}}_0{N}_A}---\left(3\right)$

式中，M是单原子惰性气体摩尔质量，N_A是阿伏伽德罗常数。

对于真实的单原子气体，除分子运动平均动能对热平衡的统计分布有贡献外，分子间势能和碰撞相互作用效应，也对热平衡的统计分布有贡献，故真实气体声能与k_BT的关系满足用声学维里方程：

$c^2={\left(\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\ρ}}\right)}_S=A_{-1}{p}^{-1}+A_0+A_1\left(T\right)p+A_2\left(T\right)p^2+...---\left(4\right)$

其中，A₀等于理想气体声速c₀ ²，A₁和A₂分别表征声学二阶和三阶维里系数，c²为实际气体声速，系数A_-1表示低压下分子在腔体表面滑移作用。在测量得到不同压力下气体真实声速的条件下，对式(4)进行面拟合，得到截距A₀，即理想气体声速c₀ ²。

对于一个圆柱形腔体，如果其长度正好是某个频率声扰动波的波长的整数时，将在腔体里形成某个轴向声学共鸣模式。原理上如果腔体长度已知，测量该模式声学共鸣的频率，就可以计算得到理想气体的声速。例如，管风琴声管是典型的圆柱声学共鸣腔体，风琴发声器件激发的声信号，在特定长度的管内形成共鸣，从而发出某个频率的声信号。因为声学共鸣时，声能集中，声信号测量的信噪比高，故声学共鸣法适合于高准确度测量。

高温气冷堆工作介质为氦气，这是典型的单原子惰性气体，从1K至10000K温度范围，该惰性气体物理性质，已由“量子化从头算”准确地获得。压力一定，氦气平方声速与热力学温度的关系已知，如图1所示，在7MPa条件下，He平方声速随温度变化关系图。作为惰性气体，氦气的物理性质非常稳定，故氦气平方声学与热力学温度的关系维持恒定。

本发明的采用声学共鸣测量核辐射环境热力学温度的方法是，提供一具有预定长度的石墨管，将该石墨管在一个长度从反应堆顶部垂直插入至反应堆底部，其中在石墨管内充入氦气，在温度测量过程中，保持管内气压与反应堆气压相等。石墨管两端密闭，所述石墨管具有上端盖和下端盖，其中，在石墨管的上端盖上设置信号源，优选该信号源设置在端盖的正中心，所述信号源产生声信号并激励管内氦气，从而，在石墨管内形成某些非缔合轴向声学共鸣，并且在上端盖上设置声接收元件，优选该声接收元件为声接收传感器，其中所述声接收元件与所述信号源存在一定距离，通过声接收元件测量声共鸣频率，在已知石墨管长度的情况下，可以计算出石墨管内该氦气的“平均”声速，根据氦气的平方声速与温度的关系，即可获得对应的热力学温度。

以一个实施例而言，在核反应堆的气冷堆正常运行工况稳定下，堆芯部分温度约800℃，堆顶部温度约250℃。除非反应堆运行出现异常，否则该工况将被稳定地维持。在系统处于稳态情况下，该石墨管的平均“热力学温度”即可以指示气冷堆的热状态，在此状态下反应堆各个部位的温度之间有确定的关系，那么这个平均“热力学温度”指示值，可以用作其它温度计(如热电偶等)的参考值，用于现场实时地修正按相对法原理工作的温度计，从而，以两种不同的测温方式，确保了反应堆温度的测量的准确性。

为了使得声激励和接收传感器在高温环境下能够持久地工作，且维修更换不影响反应堆运行、不产生核辐射等技术问题，本发明的声学共鸣测量核辐射环境热力学温度的一个优选实施方式是，在石墨管外，通常在石墨管的顶端进行机械敲击产生声激励，类似与管风琴的工作原理，敲击产生的宽谱声激励信号，在管长一定的管内将能够形成特定频率的声共鸣，采用敲击的方法，会在一个圆柱管腔内形成声共鸣，声共鸣的频率图谱如图2所示，测量管内形成的非缔合轴向声共鸣频率，已知管长，即可获得管腔内氦气的声速和平方声速，应用式(3)和(4)，即获得管腔内气体对应的热力学温度。

作为本发明的测量声共鸣信号的一种方式，可采用压电陶瓷，其中，压电陶瓷可耐受500℃，采用机械方式将压电陶瓷压紧在端盖外壁面上，声学共鸣发生时，端盖因声共鸣能量作用，随共鸣频率做微小变形运动。如果声共鸣频率远低于端盖自振频率，端盖的变形运动反映了气体分子的声共鸣运动，压电陶瓷感知此变形的时间序列信号，应用锁相放大器，可以获得该时间序列信号的同相分量和正交分量，从而可以通过在共鸣频率附近扫频，构建声共鸣频率谱线。这种方式的好处是，压电陶瓷可以直接被压紧在端盖外壁上，可以随时更换，而不对共鸣腔造成机械破坏。

本发明实现了将声学共鸣热力学温度测量应用于核辐射环境的温度测量，针对实用要求，降低绝对温度法测温技术的复杂度和操作的困难程度。本发明的声学共鸣测量核辐射环境热力学温度的方法适用于核辐射环境热力学温度测量，且适用于要求测量不受恶劣环境影响、运行状态稳定的系统。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种核辐射环境的热力学温度测量方法，其特征在于：提供一具有预定长度的石墨管；在石墨管内充入氦气；将该石墨管从反应堆顶部垂直插入至反应堆底部；向石墨管提供声信号，计算石墨管内该氦气的平均声速，根据氦气的平方声速与温度的关系，获得对应的热力学温度。

2.如权利要求1所述的热力学温度测量方法，其特征在于：在温度测量过程中，保持石墨管内气压与反应堆气压相等。

3.如权利要求1所述的热力学温度测量方法，其特征在于：所述石墨管两端密闭，所述石墨管具有上端盖和下端盖。

4.如权利要求3所述的热力学温度测量方法，其特征在于：在石墨管的上端盖上设置信号源。

5.如权利要求3所述的热力学温度测量方法，其特征在于：在所述上端盖上设置有声接收传感器。