CN111307321A

CN111307321A - 一种耐核辐射的高温气体声学热力学温度计装置

Info

Publication number: CN111307321A
Application number: CN202010160622.6A
Authority: CN
Inventors: 冯晓娟; 张金涛; 林鸿
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: CN111307321B

Abstract

本发明涉及一种耐核辐射的高温气体声学热力学温度计装置，其包括：耐辐照声学共鸣腔，其位于所述核反应堆的第一工作区域；第一声波导管和第二声波导管，所述第一声波导管和所述第二声波导管均与所述耐辐照声学共鸣腔相连接；所述第一声波导管连接声学发射传感器，所述第二声波导管连接声学接收传感器；信号发生器，其连接所述声学发射传感器；锁相放大器，其连接声学接收传感器；自动控制和数据传输模块，其连接到信号发生器和锁相放大器。本发明的装置适用于测量如高温气冷堆等高辐照、高温、充满气体工质的环境温度，结构简单，整个装置长期运行可靠，可获得准确的热力学温度。

Description

一种耐核辐射的高温气体声学热力学温度计装置

技术领域

本发明属于温度测量领域，特别是涉及一种耐核辐射的高温气体声学热力学温度计装置。

背景技术

高温气冷堆是第四代核能系统的一种反应堆型，具有固有安全性和发电效率高的优势。高温气冷堆以氦气作为堆芯冷却剂，氦气出口温度可高达1200K。但是，由于气冷堆堆芯温度较高，在较高的核辐照环境中，以金属热电性质为基础的测温传感器难以长期、可靠工作，堆芯温度测量是技术难题之一。

传统基于热电效应的测温系统，测温部件直接处于高温、高辐照环境内，经过长时间恶劣环境的侵蚀，测温元件的热电效应逐渐偏离校准时的关系，有时甚至完全失效，对反应堆安全运行的监控造成了极大难点。气体声学温度计是目前测量热力学温度范围较宽，测量不确定度最小的原级温度计之一。在温度重新定义的国际单位制变革中，目前对定程圆柱基准声学温度计开展了长期深入的研究，但是目前更多的研究是集中在通过模拟高温中进行温度的检测，并不能够实现直接测量高温气冷堆堆芯附近温度。

发明内容

本发明的目的是提供了一种采用气体声学法直接测量高温气冷堆堆芯附近温度的装置。该装置基于气体声学热力学温度计原理，提出了一中可实用化使用的测温装置，具有高稳定性、高可靠性的特点，可为高温气冷堆等恶劣环境的温度测量提供解决方案。

本发明提供了一种所述耐核辐射的高温气体声学热力学温度计装置，其包括：耐辐照声学共鸣腔，其位于所述核反应堆的第一工作区域；第一声波导管和第二声波导管，所述第一声波导管和所述第二声波导管均与所述耐辐照声学共鸣腔相连接；所述第一声波导管连接声学发射传感器，所述第二声波导管连接声学接收传感器；信号发生器，其连接所述声学发射传感器；锁相放大器，其连接声学接收传感器；自动控制和数据传输模块，其连接到信号发生器和锁相放大器；其特征在于：所述耐辐照声学共鸣腔的第一端封闭、所述耐辐照声学共鸣腔的第二端与所述耐辐照声学共鸣腔腔体为非密封连接，所述第二端具有两个开口，所述两个开口分别为第一开口和第二开口；所述第一开口与第一声波导管连接；所述第二开口与第二声波导管连接。

其中，所述核反应堆包括第一工作区、第二工作区和第三工作区。

其中，所述耐辐照声学共鸣腔第一端封闭，第二端与所述耐辐照声学共鸣腔腔体为非密封连接。其中，所述耐辐照声学共鸣腔内部形状为圆柱形或者圆球形。

其中，还包括第一流量控制阀，其位于所述第一声波导管的管路中。

其中，还包括第二流量控制阀，其位于所述第二声波导管的管路中。

其中，所述自动控制和数据传输模块于对第一流量控制阀或第二流量控制阀进行远程控制。

本发明的装置适用于测量如高温气冷堆等高辐照、高温、充满气体工质的环境温度，由于暴露在高辐照等恶劣环境的传感器部件均为耐辐照材料，结构简单，只要传感器部件的结构完整，便可获得可靠的热力学温度。由于测量直接依据气体工质如氦气的声速热力学关系，不依赖于任何实验室校准，作为原级测温方法，具有长期稳定的特点。高辐照与低辐照区域，传输的信号是声波，没有电学信号和部件，所有的电学测量系统都处于室温、低辐照环境，一方面保证了系统长期运行的可靠性，另一方面也易于进行更换，避免核辐照废料的产生。

附图说明

图1为本发明的测量装置结构示意图。

1.耐辐射声学共鸣腔；2.第一声波导管；3.第一声波导管；4.第一流量控制阀；5.第二流量控制阀；6.声学发射传感器；7信号发生器；8.锁相放大器；9声学接收传感器；10.自动控制和数据传输模块

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发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

图1所示为本发明的耐核辐射的高温气体声学热力学温度计装置示意图，对于高温气冷堆来说，其包括第一工作区A1、第二工作区A2和第三工作区A3，所述第一工作区A1优选为高温高辐照区，在该第一工作区A1内为高温气冷堆的核心反应区域；所述第二工作区A2域位于所述第一工作区A1的边缘，优选所述第二工作区A2可以为围绕所述第一工作区A1的区域，所述第二工作区A2优选为过渡区，所述过渡区具有相对较低的温度和辐照强度；第三工作区A3为远离所述第一工作区A1的区域，所述第三工作区A3优选为常温、低辐照区域。

所述耐核辐射的高温气体声学热力学温度计装置包括：耐辐照声学共鸣腔1，其位于所述核反应堆的第一工作区域；第一声波导管2和第二声波导管3，所述第一声波导管2和所述第二声波导管3均与所述耐辐照声学共鸣腔1相连接；所述第一声波导管2连接声学发射传感器6，所述第二声波导管3连接声学接收传感器9；信号发生器7连接所述声学发射传感器6，锁相放大器8，其连接声学接收传感器6；自动控制和数据传输模块10，其连接到第一流量控制阀4和第二流量控制阀5、信号发生器7和锁相放大器8等部件，并对其进行远程控制。

在所述第一工作区A1，核反应形成了高温高辐照的区域，为了测量该区域的温度，将耐辐照声学共鸣腔1设置在所述第一工作区A1域中，所述耐辐照声学共鸣腔1的第一端封闭、所述耐辐照声学共鸣腔1的第二端与所述耐辐照声学共鸣腔腔体采用非密封连接，在连接处不进行密封处理，使得反应堆内氦气可充满所述耐辐照声学共鸣腔1，所述耐辐照声学共鸣腔1的腔内氦气和反应堆内氦气温度和压力相同。所述第二端具有两个开口，所述两个开口分别为第一开口和第二开口；所述第一开口与第一声波导管连接；所述第二开口与第二声波导管连接。

所述耐辐照声学共鸣腔1，内部形状可以为圆柱形或者圆球形，优选所述耐辐照声学共鸣腔1的腔体采用耐辐照材料，考虑高温气冷堆堆芯附近的高温高辐射特征，优选所述腔体采用石墨材料进行加工；其外部形状适应反应堆堆芯周围环境，如与堆砌的石墨砖相同或匹配。

所述第一声波导管2用于将声学信号导入所述耐辐照声学共鸣腔1的腔体中，所述第二声波导管用于将声波导出所述耐辐照声学共鸣腔1的腔体。所述第一声波导管2和所述第二声波导管3的内部横截面优选为圆形，内径可根据声学频率和反应堆整体结构尺寸进行优化设计，以获得更高的测量信噪比。

所述第一声波导管2包括三个管段，分别为第一管段、第二管段和第三管段，所述第一管段位于第一工作区A1，所述第一管段由于位于高辐照区，其采用石墨等耐辐照材料加工而成，石墨管内外压力一致时，不用设置保护套管；所述第二管段位于第二工作区A2，该第二管段位于常压区，需外部布置耐压保护套管，即所述第二管段为双层结构，内层管为耐辐照材料形成，外层为耐压保护套管；所述第三管段位于第三工作区A3，随着远离堆芯，辐照度和温度都逐渐下降，在较为安全的第三工作区A3，所述第三管段为材质合适的金属材料，优选为不锈钢等，便于进行转接，易于连接至声学发射传感器。

所述第二声波导管3包括三个管段，分别为第四管段、第五管段和第六管段，所述第四管段位于第一工作区A1，所述第四管段由于位于高辐照区，其采用石墨等耐辐照材料加工而成，石墨管内外压力一致时，不用设置保护套管；所述第五管段位于第二工作区A2，该第五管段位于常压区，需在外部布置耐压保护套管，即所述第五管段为双层结构，内层管为耐辐照材料形成，外层为耐压保护套管；所述第六管段位于第三工作区A3，随着远离堆芯，辐照度和温度都逐渐下降，在较为安全的第三工作区A3，所述第六管段为材质合适的金属材料，优选为不锈钢等，便于进行转接，易于连接至声学接收传感器。

第一流量控制阀4，其位于所述第一声波导管2的管路中，优选其位于所述第三管段中，所述第一流量控制阀的主要作用是在反应堆调试、开启或关闭等状态时，有效调节从反应堆堆芯与声学传感器的氦气通断；所述第一流量控制阀4优选为电动控制部件，可通过远程信号进行有效控制，且具有耐压性，适应反应堆内堆芯温度压力；所述第一流量控制阀4的流量控制范围适应声学传感器的耐气流冲击性，保证在气体流动时声学发射传感器6的安全；其完全打开时的内径，保证声学信号的顺利传输。

第二流量控制阀5，其位于所述第二声波导管3的管路中，优选其位于所述第六管段中，所述第二流量控制阀5的主要作用是在反应堆调试、开启或关闭等状态时，有效调节从反应堆堆芯与声学传感器的氦气通断；所述第二流量控制阀5优选为电动控制部件，可通过远程信号进行有效控制，且具有耐压性，适应反应堆内堆芯温度压力；所述第二流量控制阀5的流量控制范围适应声学传感器的耐气流冲击性，保证在气体流动时声学接收传感器7的安全；其完全打开时的内径，保证声学信号的顺利传输。

声学发射传感器6，由于声学信号在第一声波导管2内逐渐衰减，为获得较高的测量信噪比，声学发射传感器6一般采用较大功率的声学换能器，如压电陶瓷等，将电压信号转换为力学信号，进而引起第一声波导管2内气体振动，将声学信号输入至所述耐辐照声学共鸣腔1。由于氦气较高的压力，声学发射传感器6内外需保持压力平衡，在声学发射传感器6外部布置耐压压力腔。

信号发生器7，用于向声学发射传感器6提供特定形式、特定功率和频率的电压信号；一般测量时采用正弦信号，频率在千赫兹量级，输出功率依据第一声波导管2的长度、内径和氦气声学共振频率进行优化，优选可采用低噪声放大器输出合适的功率。

锁相放大器8，其用于接收和测量声学接收传感器6的电压信号；锁相放大器8的参考频率为信号发生器的频率，测量获得声学信号的实部和虚部。由于声压信号较为微弱，一般在微伏量级，需要较高灵敏度的锁相放大器。或者，视信号强弱，对其进行放大后进入锁相放大器。

声学接收传感器9，为了获得较高的测量信噪比，声学接收传感器9一般采用较高灵敏的声学传感器，优选为电容式麦克风等，将声学信号转换为电压信号后，将信号输出至锁相放大器8进行测量。同样需保持声学接收传感器9内外压力平衡，在声学接收传感器9外部布置耐压压力腔。

自动控制和数据传输模块10，其用于对第一流量控制阀4和第二流量控制阀5、信号发生器7和锁相放大器8等部件的远程控制；同时与反应堆的其他采集系统设有数据连接口，可获得反应堆内压力、气体成分等参数；从测量获得的声学共振频率计算得到声速，结合压力、气体成分以及氦气的热力学关系，计算得到声学共鸣腔内氦气的温度；该温度数值可输出至反应堆的综合控制系统。

本发明的装置适用于测量如高温气冷堆等高辐照、高温、充满气体工质的环境温度，由于暴露在高辐照等恶劣环境的传感器部件均为耐辐照材料，结构简单，声学信号通过声波导管传输，只要传感器部件的结构完整，便可获得可靠的热力学温度。由于测量直接依据气体工质如氦气的声速热力学关系，不依赖于任何实验室校准，作为原级测温方法，具有长期稳定的特点。高辐照与低辐照区域，传输的信号是声波，没有电学信号和部件，所有的电学测量系统都处于室温、低辐照环境，一方面保证了系统长期运行的可靠性，另一方面也易于进行更换，避免核辐照废料的产生。

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

1.一种耐核辐射的高温气体声学热力学温度计装置，其包括：耐辐照声学共鸣腔，其位于所述核反应堆的第一工作区域；第一声波导管和第二声波导管，所述第一声波导管和所述第二声波导管均与所述耐辐照声学共鸣腔相连接；所述第一声波导管连接声学发射传感器，所述第二声波导管连接声学接收传感器；信号发生器，其连接所述声学发射传感器；锁相放大器，其连接声学接收传感器；自动控制和数据传输模块，其连接到信号发生器和锁相放大器；其特征在于：所述耐辐照声学共鸣腔的第一端封闭、所述耐辐照声学共鸣腔的第二端与所述耐辐照声学共鸣腔腔体为非密封连接，所述第二端具有两个开口，所述两个开口分别为第一开口和第二开口；所述第一开口与第一声波导管连接，；所述第二开口与第二声波导管连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述核反应堆包括第一工作区、第二工作区和第三工作区。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述耐辐照声学共鸣腔第一端封闭，第二端与所述耐辐照声学共鸣腔腔体为非密封连接。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述耐辐照声学共鸣腔内部形状为圆柱形或者圆球形。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括第一流量控制阀，其位于所述第一声波导管的管路中。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括第二流量控制阀，其位于所述第二声波导管的管路中。

7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于：所述自动控制和数据传输模块于对第一流量控制阀或第二流量控制阀进行远程控制。