CN106952670B - 一种在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量核燃料裂变气体释放压力的装置，包括：外壳，外壳内设有隔离板将外壳内分为裂变气室和调节气室；裂变气室内设有核燃料芯体和波纹管，波纹管第一端与隔离板连接；连接棒一端与波纹管连接，连接棒另一端与铁芯一端连接，铁芯另一端延伸至调节气室底部；调节气室底部置于线性可变差压传感器的线圈中；调节气室设有进气管和排气管，进气管一端通过气阀与高压供气瓶连接，进气管上设有压力显示表，排气管由调节气室引出，出口与乏气储存装置相连；波纹管内腔通过隔离板上的连接孔与调节气室连通，实现裂变气体从低压到高压的全范围测量，并且快速响应裂变气体压力的变化，具有测量精度较高的技术效果。

Description

一种在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置

技术领域

本发明涉及反应堆用燃料辐照装置研究领域，具体地，涉及一种在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置。

背景技术

核燃料是燃料元件的重要组成部分，为了保证燃料元件在进入反应堆工作时的安全性和可靠性，在燃料元件的研制中，必须在研究堆上开展核燃料辐照行为相关的研究。

核燃料在反应堆中会发生链式裂变反应，裂变产物会对燃料以及包壳造成一定的影响，其中核燃料元件在辐照过程中产生的大量惰性裂变气体，如Kr和Xe等会造成燃料元件发生一定程度的肿胀。肿胀会随燃耗增加而增大，同时，燃料与包壳之间的相互作用将变得更为强烈，燃料元件在堆内的运行危险性将上升。鉴于此，必须针对核燃料在堆内的裂变气体释放压力进行监测。考虑到裂变气体高放射性的危险以及辐照环境对测量仪表的不利影响，直接测量裂变气体压力不可行。现有技术中常用的检测方法有机械压缩法和背压法。机械压缩法主要是利用产生的高压裂变气体压缩可伸缩装置，通过检测可伸缩装置的形变并分析在压缩过程中产生的弹力，从而达到检测气体压力的目的。背压法主要是基于压力平衡，在压力平衡检测装置的两侧气室内分别是裂变气以及平衡气，平衡气的压力随着裂变气的压力变化而调节，并且通过信号反馈来获取平衡压力值。现有技术手段可以在一定范围内解决裂变气体压力测量问题，不过在压力测量范围以及在线测量响应速度上存在局限性。机械压缩法利用了可伸缩装置来测量压力，受可伸缩元件的压缩量以及结构承受的压力有限，采用机械压缩法仅适用于测量压力值偏低的裂变气体，测量的范围上限为数MPa。基于压力平衡的背压法可适用于数十MPa的高压气体测量，不过由于平衡气的调节要滞后于裂变气体压力释放，对于不断变化的压力，采用背压法测量的精度较低。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，机械压缩法存在适用的压力范围有限，背压法在应对不断变化压力的测量时存在测量精度较低的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种测量核燃料裂变气体释放压力的装置，解决了机械压缩法存在适用的压力范围有限，背压法在应对不断变化压力的测量时存在精度较低的技术问题，实现了测量装置设计合理，能够对裂变气体从低压到高压的全范围测量，且能够快速响应裂变气体压力的变化，测量精度较高的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种测量核燃料裂变气体释放压力的装置，所述装置包括：

外壳，所述外壳内设有隔离板，隔离板将外壳内分为裂变气室和调节气室；裂变气室内设有核燃料芯体和波纹管，波纹管第一端与隔离板连接；连接棒一端与波纹管连接，连接棒另一端穿过隔离板后延伸至调节气室内与铁芯一端连接，铁芯另一端延伸至调节气室底部；调节气室底部置于线性可变差压传感器的线圈中；调节气室设有进气管和排气管，进气管一端通过气阀与高压供气瓶连接，进气管另一端延伸至调节气室内，进气管上设有压力显示表，排气管由调节气室引出，出口与乏气储存装置相连；波纹管一端为密封状，另一端为开口状，波纹管内腔通过隔离板上的连接孔与调节气室连通。

进一步地，本发明的核燃料裂变气体释放压力测量装置中，裂变气体的压力通过波纹管压缩量反馈的压力差以及调节气的压力共同确定。

进一步地，本发明的核燃料裂变气体释放压力测量装置中，联用波纹管与线性可变差压传感器，波纹管是分隔裂变气体与调节气体的一个界面，波纹管的压缩会带动铁芯移动，线性可变差压传感器会随着铁芯移动而产生感应电压，实时反馈波纹管的压缩量，波纹管的压缩量可以有效推导波纹管承受的内外压差。

进一步地，本发明的核燃料裂变气体释放压力测量装置中，波纹管的内部压力可以通过外部供气系统调节，波纹管的内外压差可以保证波纹管始终处于有效的可压缩范围内。

进一步地，本发明的核燃料裂变气体释放压力测量装置中，铁芯与波纹管通过连接棒相连，波纹管在压缩后会实时带动铁芯移动。

进一步地，本发明的核燃料裂变气体释放压力测量装置中，性可变差压传感器中设有一个初线线圈和两个次级线圈，铁芯通过非导磁高屏蔽性材料分隔后穿过初级线圈和次级线圈。

进一步地，本发明的核燃料裂变气体释放压力测量装置中，连接棒为非导磁材料，包括：铝、镁、钛、陶瓷。

进一步地，本发明的核燃料裂变气体释放压力测量装置中，调节气室外壳采用铅或钨等材料制成，该类型材料具有非导磁、高屏蔽性等共同特点。

进一步地，本发明的核燃料裂变气体释放压力测量装置中还包括排气管和乏气储存装置，排气管一端与乏气储存装置连接，另一端延伸至调节气室内。

本发明中波纹管的压缩量通过线性可变差压传感器来进行检测，波纹管的一个端面与连接棒相结合，而连接棒的另一端和铁芯相连。为避免连接棒对线圈与铁芯之间的感应造成不利影响，连接棒为铝、镁、钛以及陶瓷等非导磁材料。裂变气体压力增加时，波纹管被压缩，连接棒随之下移，带动铁芯移动。当铁芯移动而偏离中间位置时，线性可变差压传感器中的两个初级线圈会产生电压差，该电压差与铁芯位移成线性关系，因此通过监测该电压差可以有效得到波纹管的压缩量，从而根据波纹管压缩量与加载力之间的关系，可以推导出裂变气体加载到波纹管上的压力差。

其中，线性可变差压传感器是一种精确的线性位移在线检测仪表，由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架以及外壳等组成。初级线圈通以一定频率的交流电，基于变压器类似的电压互感原理，铁芯处于不同位置时，两个初级线圈的感应电压会有所差异，并且这种电压差异与铁芯位移量是呈线性关系的。铁芯一般和发生位移的构件直接连接，通过检测两个初级线圈的感应电压，可以直接推导出构件发生的位移量。

本发明设置调节气室的目的主要在于增加装置对高压裂变气体的检测。受波纹管机械结构影响，波纹管内外两侧之间的压力差不能过高，同时受波纹管压缩量有限，单纯采用波纹管测量方式只能针对压力较低的裂变气体。在本发明中，调节气室由波纹管内侧、隔离板以及调节气室外壳围成，并且将连接棒和铁芯置入其中。为避免调节气室外壳对线圈与铁芯之间的感应造成不利影响，同时考虑到放射性气体与线性可变差压传感器线圈之间的隔离以达到保护线圈的目的，调节气室外壳为铅、钨等非导磁且屏蔽效果好的材料。在裂变气体释放至一定高压时，波纹管压缩量接近最大限值，此时开启高压供气瓶的阀门，增加调节气室压力，减小波纹管内外两侧的受力，从而保证波纹管始终有效工作在可压缩范围内。调节气室的压力可以通过连接管道上的压力表进行直接测量，根据波纹管的工作情况，调节气室的压力值与波纹管压缩量产生的压力差之和即为裂变气体的释放压力。

本发明中同时设置调节气以及波纹管的目的还在于提高对高压气体测量的响应速度。在裂变气体高压情况下，通过高压气瓶增加调节气的压力，减小波纹管内外两侧的压差，始终保持波纹管在可压缩范围内。裂变气体的高压通过改变调节气的压力来匹配，在高压环境中压力的进一步变化通过测量波纹管的压缩量来监测。波纹管的压缩量直接表现在铁芯的上下移动，并且能够通过线性可变差压传感器实时输出信号并显示。相较于背压法，本发明不需要频繁改变调节气压力来适应裂变气体压力，压力的小范围波动可以通过波纹管的压缩量实时监测并显示，从而提高了测量装置对裂变气体压力变化的响应速度。总体上，本发明采用增加调节气压力适应高压裂变气，并通过联用波纹管与线性可变差压传感器监测小范围气体压力变化，从而实现对高压裂变气压力变化的实时监测。

本发明基于线圈保护以及防止裂变气体泄露，将铁芯置于调节气室内，且利用铅、钨等非导磁材料将铁芯与线圈隔离。考虑到裂变过程产生的高放射性，由于裂变气体气室外壳以及调节气体气室外壳的存在，放射性粒子和射线将被多数限定在裂变气体气室以及调节气体气室内，从而减弱放射性对线性可变差压传感器的不利影响。同时，基于非正常情况，一旦波纹管破裂，波纹管内外两侧压力将相等，此时，线性可变差压传感器将无输出信号。同时裂变气体将被限包容在两个气室中，而不会泄漏至反应堆内部，并且考虑到非正常情况下裂变气体的排出，调节气室一侧还通过排气管与乏气储存装置相连，乏气储存装置可以储存具有放射性的气体，以便于后续放射性物质集中处理。

本申请提供了一种能够在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置，可以确保裂变气体释放压力的准确有效测量，通过该装置的测量手段，可以实现裂变气体从低压到高压的全范围测量，并且能够快速响应裂变气体压力的变化，测量精度较高，适用于裂变气体压力渐变过程中的测量。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明采用增加调节气压力适应高压裂变气体，并且通过联用波纹管与线性可变差压传感器，实现裂变气体压力从低压到高压的全范围实时监测。裂变气体压力为压缩波纹管的压差与调节气压力之和。调节气体压力受裂变气体压力的剧烈增加而变动，减小波纹管内外的压差，增加测量装置的压力测量范围。调节气压力可变使得波纹管始终处于有效工作范围内，并且在裂变气体小范围波动时，波纹管的长度随之变化，并通过线性可变差压传感器传递信号，而实时反映裂变气体的压力变化情况。

本发明有益效果具体表现在：

1)本发明将波纹管与线性可变差压传感器联用，裂变气体作用于波纹管，并通过线性可变差压传感器测量波纹管的压缩量来实时反映裂变气体的小范围压力变化；

2)本发明设计有调节气室，并且通过改变调节气的压力来适应不同裂变气体压力，同时有助于调节波纹管的内外压差，使得波纹管始终处于有效的工作范围区间，实现裂变气体高压的实时测量；

3)本发明将铁芯封于调节气室内，并与线性可变差压传感器利用铅、钨等非导磁材料隔离，有助于减弱放射性粒子和射线对线圈的不利影响，同时可以防止波纹管破裂等非常工况下裂变气体向反应堆的泄漏。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中测量核燃料裂变气体释放压力的装置的结构示意图；

其中，1-核燃料芯体，2-裂变气室，3-裂变气室外壳，4-波纹管，5-连接棒，6-隔离板，7-调节气室，8-调节气室外壳，9-铁芯，10-线性可变差压传感器，11-高压供气瓶，12-压力显示表，13-乏气储存装置。

具体实施方式

本发明提供了一种测量核燃料裂变气体释放压力的装置，解决了机械压缩法存在适用的压力范围有限，背压法在应对不断变化压力的测量时存在精度较低的技术问题，实现了测量装置设计合理，能够对裂变气体从低压到高压的全范围测量，且能够快速响应裂变气体压力的变化，测量精度较高的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本发明专利涉及一种能够在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置，该装置主要基于压力等效原理，联用波纹管与线性可变差压传感器，波纹管承受裂变气体压力而收缩，收缩量通过线性可变差压传感器检测进而反映波纹管承受的内外压差，同时，波纹管的内部压力通过调节气压力改变而可调，在低压到高压的全范围内，波纹管始终可处于有效的压缩范围内，裂变气体压力即为线性可变差压传感器所反映的波纹管内外压差与调节气的压力之和；同时，该技术将铁芯置入调节气腔室内，通过铅、钨等非导磁高屏蔽性材料与线性可变差压传感器隔离，减弱高放射性粒子与射线对线性可变差压传感器线圈的不利影响，同时防止波纹管破裂时裂变气体的泄漏。

波纹管与线性可变差压传感器联用，波纹管是分隔裂变气体与调节气体的一个界面，波纹管的压缩会带动铁芯移动，线性可变差压传感器会随铁芯移动而产生感应电压，实时反馈波纹管的压缩量，波纹管的压缩量可以有效推导波纹管承受的内外压差。波纹管的内部压力可以通过外部供气系统调节，波纹管的内外压差可以保证波纹管始终处于有效的可压缩范围内。

该装置采用增加调节气压力来适应高压裂变气体，并且通过联用波纹管与线性可变差压传感器来实现裂变气体压力从低压到高压的全范围实时测量。本发明的测量装置主要由波纹管4、连接棒5、铁芯9、线性可变差压传感器10、调气系统以及气室外壳组成。

本发明中的核燃料芯体1发生裂变反应产生裂变气体，裂变气体充满裂变气室2，裂变气室2由核燃料芯体1端面、裂变气室外壳3、波纹管4外壁、隔离板6上侧围成。裂变气室2中的气体压力随裂变气体释放而增加，进而压缩波纹管4，波纹管4的压缩量直径反映裂变气体压力的大小。波纹管4的压缩量通过线性可变差压传感器10测量。线性可变差压传感器10的铁芯9通过连接棒5与波纹管4一端联动。波纹管4因气体压缩而长度发生变化，连接棒5随之下移而带动铁芯9移动，线性可变差压传感器10的两个初级线圈产生感应电压差，通过检测电压差可以实时反映裂变气体的压力变动情况。

在核燃料芯体1释放的裂变气体压力释放到一定高值，波纹管4的内外压差使得波纹管4的压缩量超过波纹管4的可压缩范围，通过设置调节气室7来减小波纹管4的内外压差，使得波纹管4始终处于有效的可压缩范围内，并且实现测量装置对高压裂变气体的适应。调节气室7由波纹管4内壁、隔离板6下侧以及调节气室外壳围成。调节气室7内的压力由高压供气瓶11调节，并且充入调节气室的气体压力由压力显示表12得到，裂变气体的压力即为调节气室压力与促使波纹管压缩的压力差之和。

同时，核燃料芯体1在发生裂变反应中会释入大量高放射性的粒子和射线，铁芯9置入调节气室7中，并通过调节气室外壳8与线性可变差压传感器10隔离，调节气室外壳8材料为铅等非导磁强屏蔽性能材料，高放射性的粒子和射线对线性可变差压传感器线圈的不利影响由此而减弱。在波纹管4破裂等非正常工况下，裂变气体与反应堆被两个气室的外壳隔离而不会释放到反应堆中去，并且，此时加大高压供气瓶的供气量可以将气室中的裂变气体携带至乏气储存装置13中，从而有助于压力测量装置从反应堆中取出。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明采用增加调节气压力适应高压裂变气体，并且通过联用波纹管与线性可变差压传感器，实现裂变气体压力从低压到高压的全范围实时监测。裂变气体压力为压缩波纹管的压差与调节气压力之和。调节气体压力受裂变气体压力的剧烈增加而变动，减小波纹管内外的压差，增加测量装置的压力测量范围。调节气压力可变使得波纹管始终处于有效工作范围内，并且在裂变气体小范围波动时，波纹管的长度随之变化，并通过线性可变差压传感器传递信号，而实时反映裂变气体的压力变化情况。

本发明有益效果具体表现在：

1)本发明将波纹管与线性可变差压传感器联用，裂变气体作用于波纹管，并通过线性可变差压传感器测量波纹管的压缩量来实时反映裂变气体的小范围压力变化；

2)本发明设计有调节气室，并且通过改变调节气的压力来适应不同裂变气体压力，同时有助于调节波纹管的内外压差，使得波纹管始终处于有效的工作范围区间，实现裂变气体高压的实时测量；

3)本发明将铁芯封于调节气室内，并与线性可变差压传感器利用铅、钨等非导磁材料隔离，有助于减弱放射性粒子和射线对线圈的不利影响，同时可以防止波纹管破裂等非常工况下裂变气体向反应堆的泄漏。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置，其特征在于，所述装置包括：

外壳，所述外壳内设有隔离板，隔离板将外壳内分为裂变气室和调节气室；裂变气室内设有核燃料芯体和波纹管，波纹管第一端与隔离板连接；连接棒一端与波纹管连接，连接棒另一端穿过隔离板后延伸至调节气室内与铁芯一端连接，铁芯另一端延伸至调节气室底部；调节气室底部置于线性可变差压传感器的线圈中；调节气室设有进气管和排气管，进气管一端通过气阀与高压供气瓶连接，进气管另一端延伸至调节气室内，进气管上设有压力显示表，排气管由调节气室引出，排气管出口与乏气储存装置相连；波纹管一端为密封状，另一端为开口状，波纹管内腔通过隔离板上的连接孔与调节气室连通。

2.根据权利要求1所述的在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置，其特征在于，裂变气体的压力通过波纹管压缩量反馈的压力差以及调节气的压力共同确定。

3.根据权利要求1所述的在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置，其特征在于，铁芯与波纹管通过连接棒相连。

4.根据权利要求1所述的在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置，其特征在于，线性可变差压传感器中设有一个初线线圈和两个次级线圈，铁芯通过非导磁高屏蔽性材料分隔后穿过初级线圈和次级线圈。

5.根据权利要求1所述的在线测量核燃料裂变气体释放压力的装置，其特征在于，连接棒为非导磁材料，包括：铝或镁或钛或陶瓷。

6.根据权利要求1所述的测量核燃料裂变气体释放压力的装置，其特征在于，调节气室外壳采用铅或钨材料制成。