CN111477366B - 一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其至少包括依次设置的接插件、转接插座管焊装、转接封装管、内部密封接头、组件密封外壳、承压外壳、底部固定套管以及堵头。在承压外壳内壁设置有用于测量上封头及堆芯出口温度的贴壁热电偶；在承压外壳中段设置有电加热器，在承压外壳内壁内部设置有水位测量元件，水位测量元件包括多个间隔设置的加热热电偶以及多个不加热热电偶；在承压外壳下段设置有多个用于测量反应堆堆芯内部中子注量率的自给能探测器。实施本发明，通过将三种堆芯测量功能集成于一个一体化的探测器组件中，可以减少核反应堆压力容器顶盖探测器开孔数量，从而提高核反应堆运行的安全性。

Description

一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件

技术领域

本发明涉及核电站反应堆堆芯测量技术领域，特别涉及一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件。

背景技术

对于不同堆型的核电站，其所设置的测量仪表类型有所不同。例如，通常在核电站反应堆堆芯会设置堆芯中子和温度测量仪表，用于测量堆芯中子通量和燃料组件出口温度，测量得到的信号用于监测堆芯三维功率分布、堆芯冷却状态等反应堆运行情况；同时也需要对堆芯的水位进行测量。

在现有技术中，一般采用从顶部插入各类测量传感器(如热电偶)，从底部插入微型可移动裂变室的测量方式，来测量燃料组件出口温度和堆芯中子通量，如秦山核电二期和岭澳核电二期均采用的是此种测量方式和相应的测量仪表。采用该测量方式和测量仪表，需要在压力容器底部开孔，从而会设置大量的贯穿管，导致反应堆压力容器封头刚度降低，将增加反应堆冷却剂泄漏的风险，降低了反应堆设计的安全性。

而测量堆芯中子注量率的指套管从反应堆压力容器底部插入，容易在仪表组件支撑位置发生磨损；

用于测量堆芯中子注量率的指套管从反应堆压力容器下封头引入，需要在反应堆压力容器底部开孔，不符合先进堆的设计要求，先进堆的设计要求用于堆芯出口温度和中子注量率测量的仪表应位于堆芯之上，即仪表组件从反应堆压力容器顶盖插入堆芯。

现有的一体化探测器组件具有实现堆芯中子注量率及堆芯出口温度两种测量功能的探测器组件和实现堆芯水位测量功能的探测器组件，在堆芯较小，压力容器顶部空间有限的堆型中，需要功能更为全面的探测器组件以减少相应测量孔道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，通过将三种堆芯测量功能集成于一个一体化的探测器组件中，可同时测量核反应堆堆芯中子注量率、核反应堆堆芯燃料冷却剂出口温度及核反应堆堆芯水位，以达到减少核反应堆压力容器顶盖探测器开孔数量和测量孔道布置的目的，可节省堆芯探测器需要布置的空间，降低核反应堆一回路压力边界泄漏的可能性，从而进一步提高核反应堆运行的安全性。

本发明所采用的技术方案在于，提供一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其至少包括依次设置的接插件、转接插座管焊装、转接封装管、内部密封接头、组件密封外壳、承压外壳、底部固定套管以及堵头，其中：

在承压外壳内壁设置有用于测量上封头及堆芯出口温度的贴壁热电偶；

在承压外壳中段设置有电加热器，所述电加热器间隔设置有加热段和非加热段；在所述承压外壳内壁设置有水位测量元件，所述水位测量元件包括多个间隔设置的加热热电偶以及多个不加热热电偶，所述每一个加热热电偶设置于所述电加热器的加热段，不加热热电偶设置于所述电加热器的非加热段；

在所述承压外壳下段设置有多个用于测量反应堆堆芯中子注量率的自给能探测器，所述多个自给能探测器以承压外壳中心轴为轴，自下而上以螺旋式布置；每一个自给能探测器尾部连接有尾部固定丝与所述底部固定套管焊接，以实现对所述自给能探测器的定位；

所述多个自给能中子探测器、贴壁热电偶、不加热热电偶、加热热电偶以及电加热器的信号传输电缆经内部密封接头固定排布后引出，延伸至接插件处，并与所述接插件的插针固定连接。

优选地，所述承压外壳为管状结构，其一端与所述堵头焊接固定，另一端与所述组件密封外壳的一端焊接固定；而内部密封接头焊接在所述组件密封外壳与所述转转接封装管之间，而转接插座管焊装两端分别与所述接插件和转接封装管相焊接；所述底部固定套管设置于所述承压外壳内部，与所述堵头相固定。

优选地，在所述承压外壳内部进一步设置有多个导热块，每一导热块与所述承压外壳内壁相贴合，另一侧与所述电加热器相贴合，所述每一贴壁热电偶、加热热电偶、不加热热电偶均卡设在一个导热块内部。

优选地，所述电加热器为铠装电缆结构，在其加热段的内部设置有电加热丝，所述电加热丝两端连接有供电线；在其非加热段设置有供电线。

优选地，所述贴壁热电偶设置于反应堆压力容器上封头或堆芯出口处，位于电加热器的非加热段。

优选地，在转接插座管焊装中设置有恒温铜套，形成恒温腔；在所述恒温腔中设置有PT100温度传感器，所述PT100温度传感器与所述接插件的插针相固定，对所述贴壁热电偶、不加热热电偶、加热热电偶进行冷端补偿。

优选地，所述多个自给能探测器的灵敏段中心位置按照燃料组件格架相对位置进行布置，以使所述自给能探测器活性段完全位于燃料组件内部。

优选地，所述多个自给能中子探测器组的排布方式为螺旋上升而形成的圆柱形排布结构。

实施本发明实施例，具有如下的有益效果：

在本发明实施例提供的一体化的反应堆堆芯测量探测器组件中，将核反应堆堆芯中子注量率、核反应堆堆芯燃料冷却剂出口温度及核反应堆堆芯水位测量三种功能集成于一体，实现了一个组件可同时测量核反应堆堆芯中子注量率、核反应堆堆芯温度及核反应堆堆芯水位等核反应堆运行状态的目的；

同时，在本实施例中，可以减少核反应堆压力容器的开孔数量和测量孔道布置，节省了堆芯探测器需要布置的空间，能保护核反应堆冷却剂压力边界的安全，降低冷却剂泄漏的风险，保证核反应堆的运行安全；而且可以通过减少探测器组件的数量来节省反应堆的建设成本，提高核电站的经济效益；

在本发明实施例中，通过设置热电偶导热结构，将各类热电偶与外壳紧密贴合，提高了热传导效率，解决了目前核电站堆芯温度与水位在线测量响应慢与精度不高的问题，实现了核反应堆堆芯温度与水位的在线精确测量；

在本发明实施例中，将多个自给能中子探测器沿探测器组件中心轴线，由下往上按照反应堆燃料栅格位置螺旋向上布置，可以实现对堆芯中子注量率的精确测量，从而提高堆芯中子注量率与堆芯功率分布的测量准确度；

在本发明实施例中，在一体化探测器主体外壳的保护结构基础上，通过设置内部密封接头，与内部元件一同焊接，在出现承压外壳破损后能够起到二次密封作用，能够防止核反应堆压力容器发生泄漏。

附图说明

图1是本发明提供的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件的结构示意图；

图2是图1中虚线框部分的放大示意图；

图3是图2中局部A的放大图；

图4是图2中局部B的放大图。

具体实施方式

下面结合附图1至图4对本发明的结构及原理作进一步的说明。

本发明提供一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，包含三个核反应堆堆芯测量功能模块，分别为测量核反应堆堆芯中子注量率的自给能中子探测器组模块、测量核反应堆堆芯燃料组件冷却剂出口温度的热电偶模块及测量核反应堆堆芯水位的热电偶组模块。

在对本发明的结构进行描述之前，首先简要描述一下本发明中测量水位的原理。在本发明中，对核反应堆堆芯水位的测量，可以通过两个热电偶进行温差测量，从而得到水位情况。其中，两个热电偶中的一个为加热热电偶，另一个为不加热热电偶，加热热电偶布置在具有加热功能的电加热器加热区，非加热热电偶布置在非加热区测量环境温度。由水和水蒸气或空气的物性参数可知，水的换热系数与水蒸气的换热系数存在明显的差别；当电加热器加热区的热电偶处于水中时，其测得的温度值较低；当电加热器加热区的热电偶处于水蒸气中时，其测得的温度值较高

在进行水位测量时，将加热热电偶和不加热热电偶共同组成一个水位测量点，采用温差输出值△T(△T＝T_加热-T_不加热)来判定测量点的水位，其中，T_加热为加热热电偶所采集到的温度值，而T_不加热为不加热热电偶所采集到的温度值。当△T的数值大于预测定的温差裕度时，表明水位测点及加热热电偶处于水蒸气中；如果△T的数值小于该温差裕度时，则加热热电偶处于水中。根据此测量原理，沿水位高度布置若干组热电偶，根据测得的温度值求其温差输出值，便可得知反应堆堆芯水位情况；根据上述测量原理，为解决当前反应堆堆芯水位测量结果不精准的问题，

如图1所示，示出了本发明提供的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件的结构示意图；一并结合图2至图4所示。在本实施例中，本发明提供的种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其至少包括依次设置的接插件 1、转接插座管焊装2、转接封装管5、内部密封接头6、组件密封外壳7、承压外壳9、底部固定套管13以及堵头14，上述元件组成本发明的探测器组件的保护管，其中，会设置用于测量核反应堆堆芯中子注量率的自给能探测器、用于测量核反应堆堆芯水位的热电偶以及用于测量核反应堆堆芯燃料组件冷却剂温度的热电偶，由尾部固定套管及尾部固定丝提供定位位置，焊接固定在该段保护管内部；更具体地，其中：

所述承压外壳9为管状结构，其一端与所述堵头14焊接固定，另一端与所述组件密封外壳7的一端焊接固定；而内部密封接头6焊接在所述组件密封外壳7与所述转接封装管之间，而转接插座管焊装2两端分别与所述接插件1和转接封装管5相焊接；所述底部固定套管13设置于所述承压外壳9内部，与所述堵头14相固定。其中，组件密封外壳7由316L不锈钢制造而成，形成密封壳体，用于保护内部组件及形成密封，避免因各管之间的焊缝破裂而导致核泄漏，保证核电厂的核安全。

更加具体地，堵头14位于最下端，其设置成子弹头的形状以降低探测器组件插入工作环境中的阻力；堵头14是传感器外壳的重要组成部分，其与承压外壳9通过氩弧焊接技术焊接固定密封；承压外壳9内部底端为底部固定套管13 及尾部固定丝，二者共同为承压外壳9内部的元件提供定位，便于元件的焊接固定。

在所述承压外壳9下段设置有多个用于测量反应堆堆芯中子注量率的自给能探测器11(图1中示出了7个)。所述多个自给能探测器11形成一个探测器组，用于测量反应堆堆芯内部的中子注量率及监测堆芯功率密度分布。所述自给能探测器11以承压外壳中心轴为轴，自下而上以螺旋式布置；每一个自给能探测器11尾部连接有尾部固定丝与所述底部固定套管13焊接连接实现定位；具体地，所述多个自给能探测器11在承压外壳9内部轴向分布布置，且其尾部固定丝一直延伸到堵头14位置,在堵头位置通过尾部固定套管13焊接在承压外壳9上，尾部固定丝起到填充内部空隙和固定自给能探测器的功能，能够对所述多个自给能探测器11的位置进行精确控制，保证了自给能探测器11 的定位精度；

在承压外壳9中段设置有电加热器10，所述电加热器10间隔设置有加热段 100和非加热段101；

如图2所示，在所述承压外壳9内壁上设置有水位测量元件8，所述水位测量元件8包括多个间隔设置的热电偶，每一个热电偶通过导热块16与所述电加热器10相连接，其中，所述多个热电偶包括多个加热热电偶80以及多个不加热热电偶81，其中，所述加热热电偶80与不加热热电偶81间隔布置，形成多个核反应堆堆芯水位测量点(对应于加热电偶)与多个核反应堆堆芯水位测量参考点(对应于不加热热电偶)，图1中示出了4个加热热电偶与3个非加热热电偶；可以理解的是，在其他的实施例中，可以设置其他数量。其中，所述每一个加热热电偶80对应设置于所述电加热器10的加热段100；不加热热电偶 81对应设置于所述电加热器10的非加热段101。

在承压外壳9内壁设置有用于测量上封头及堆芯出口温度的贴壁热电偶，在图1中示出了上封头贴壁热电偶18，以及堆芯出口贴壁热电偶19；所述贴壁热电偶设置于所述电加热器10的加热段100处。堆芯出口贴壁热电偶19用于测量反应堆堆芯燃料组件冷却剂出口的温度，上封头贴壁热电偶18用于测量上封头处核反应堆堆芯冷却剂的温度。

承压外壳9与组件密封外壳7采用氩弧焊接技术进行焊接密封，组件密封外壳7与内部密封接头6的内部密封结构在主体外壳的保护结构基础上，再添加一层密封保护层，确保本发明的探测器组件的外壳破损时能够防止反应堆压力容器发生泄漏。

所述多个自给能中子探测器11、所述多个加热热电偶80、非加热热电偶 81、电加热器10的信号传输电缆经内部密封接头6固定排布后引出，再敷设延伸至接插件处，并与接插件1的插针进行固定连接，例如在一个实施例中，每个信号传输电缆可以采用诸如铠装双芯电缆。其中，电缆从内部密封接头6引出后，需要一个金属管作为外壳提供保护及支撑，转接封装管5即充当此角色；转接封装管5采用激光焊接技术与内部密封接头6进行焊接密封。接插件1 通过转接插座管焊装2与转接封装管5连接，转接封装管5与转接插座管焊装2 之间采用激光焊接技术进行焊接密封，接插件1与转接插座管焊装2之间采用激光焊接技术进行焊接密封。自给能中子探测器11、贴壁热电偶、不加热热电偶80、加热热电偶81以及电加热器10的信号传输电缆经内部密封接头6固定排布后引出，在转接封装管4内部完成导线转接(转换成软导线)，然后将导线再敷设延伸至接插件1处，采用锡焊技术与接插件1的插针进行连接，以保证稳定的信号传输及电能供应。在本实施例中，由于采用了一体化的线路敷设方案，便于维修及缩小传感器的体积，能降低传感器的制造成本，提高核反应堆的经济性。

同时，在转接插座管焊装2中设置有恒温铜套4，形成恒温腔；在所述恒温腔中设置有PT100温度传感器3，所述PT100温度传感器3与所述接插件的插针相固定，对所述热电偶进行冷端补偿；具体地，在转接插座管焊装2内部与接插件1焊接处，还焊接固定着一个恒温铜套4；PT100温度传感器3与接插件 1的一根插针通过锡焊连接；恒温铜套4作为恒温腔，为PT100温度传感器3 提供一个恒温环境，用于PT100温度传感器3对各类热电偶(包括贴壁热电偶、不加热热电偶、加热热电偶)的冷端进行温度补偿，以提高测量的准确性。

如图3所述，所述电加热器10为铠装电缆结构，在其加热段100的内部设置有电加热丝1001，所述电加热丝1001两端连接有供电线1002；所述每一个导热块16一侧与所述承压外壳9内壁相贴合，其另一侧与所述电加热器10相贴合；所述加热热电偶80卡设在所述导热块16内部。如图4所示，在所述电加热器10的非加热段101设置有供电线1002，而不设置电加热丝1001。同样，每一个导热块16一侧与所述承压外壳9内壁相贴合，其另一侧与所述电加热器 10相贴合；所述非加热热电偶81卡设在所述导热块16内部。

可以理解的是，在本发明的实施例中，处于加热段100的加热热电偶80位于水中时与环境的温差较小，且空气的导热系数非常低，如果水位测点位置仅通过空气进行导热，那么就会导致电加热器10的热量无法有效传导给加热热电偶，处于电加热器10加热段100的加热热电偶80温度将无法满足堆芯水位的测量要求，因此本发明实施例所采用的导热块16将电加热器10产生的热量快速传导到传感器外壳上，电加热器10穿过导热块16并且与导热块16的外壁紧密贴合，测点的热电偶8穿入导热块16内部并与之紧密贴合，导热块16外表面紧贴着传感器的外壳，从而能够保证电加热器10产生的热量能够快速地传导到堆芯冷却剂中，从而保证水位探测器的温差裕度能够堆芯水位测量的要求。

同样，在贴壁热电偶18和19上也设置有导热块。可以理解的是，上述导热块16可以快速将电加热器10的热量传导到贴壁热电偶上，以缩短贴壁热电偶的响应时间，以提高测量效率及测量精度。

更加具体地，在一个实施例中，所述多个自给能探测器的灵敏段中心位置按照燃料组件格架相对位置进行布置，以使自给能探测器活性段完全位于燃料组件内部，其测量的中子注量率能够准确反映反应堆运行情况。在本发明的实施例中，通过将多个自给能中子探测器沿堆芯轴心自下而上，以螺旋式上升的方式进行固定，使得内部元件的排布更为合理，提高了自给能探测器的定位精度，从而提高堆芯中子注量率的测量精准度，也可以更好地掌握堆芯功率密度的三维分布信息，为反应堆的控制提供数据支撑。

实施本发明实施例，具有如下的有益效果：

在本发明实施例提供的一体化的反应堆堆芯测量探测器组件中，将核反应堆堆芯中子注量率、核反应堆堆芯燃料冷却剂出口温度及核反应堆堆芯水位测量三种功能集成于一体，实现了一个组件可同时测量核反应堆堆芯中子注量率、核反应堆堆芯温度及核反应堆堆芯水位等核反应堆运行状态的目的；

同时，在本实施例中，可以减少核反应堆压力容器的开孔数量和测量孔道布置，节省了堆芯探测器需要布置的空间，能保护核反应堆冷却剂压力边界的安全，降低冷却剂泄漏的风险，保证核反应堆的运行安全；而且可以通过减少探测器组件的数量来节省反应堆的建设成本，提高核电站的经济效益；

在本发明实施例中，通过设置热电偶导热结构，将各类热电偶与外壳紧密贴合，提高了热传导效率，解决了目前核电站堆芯温度与水位在线测量响应慢与精度不高的问题，实现了核反应堆堆芯温度与水位的在线精确测量；

在本发明实施例中，将多个自给能中子探测器沿探测器组件中心轴线，由下往上按照反应堆燃料栅格位置螺旋向上布置，可以实现对堆芯中子注量率的精确测量，从而提高堆芯中子注量率与堆芯功率分布的测量准确度；

在本发明实施例中，在一体化探测器主体外壳的保护结构基础上，通过设置内部密封接头，与内部元件一同焊接，在出现承压外壳破损后能够起到二次密封作用，能够防止核反应堆压力容器发生泄漏。

上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求范围，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其特征在于，其至少包括依次设置的接插件、转接插座管焊装、转接封装管、内部密封接头、组件密封外壳、承压外壳、底部固定套管以及堵头，其中：

在承压外壳内壁设置有用于测量上封头及堆芯出口温度的贴壁热电偶；

在承压外壳中段设置有电加热器，所述电加热器间隔设置有加热段和非加热段；在所述承压外壳内壁设置有水位测量元件，所述水位测量元件包括多个间隔设置的加热热电偶以及多个不加热热电偶，所述每一个加热热电偶设置于所述电加热器的加热段，不加热热电偶设置于所述电加热器的非加热段；

在所述承压外壳下段设置有多个用于测量反应堆堆芯中子注量率的自给能探测器，所述多个自给能探测器以承压外壳中心轴为轴，自下而上以螺旋式布置；每一个自给能探测器尾部连接有尾部固定丝与所述底部固定套管焊接，以实现对所述自给能探测器的定位；

所述多个自给能中子探测器、贴壁热电偶、不加热热电偶、加热热电偶以及电加热器的信号传输电缆经内部密封接头固定排布后引出，延伸至接插件处，并与所述接插件的插针固定连接。

2.如权利要求1所述的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其特征在于，所述承压外壳为管状结构，其一端与所述堵头焊接固定，另一端与所述组件密封外壳的一端焊接固定；而内部密封接头焊接在所述组件密封外壳与所述转接封装管之间，而转接插座管焊装两端分别与所述接插件和转接封装管相焊接；所述底部固定套管设置于所述承压外壳内部，与所述堵头相固定。

3.如权利要求2所述的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其特征在于，在所述承压外壳内部进一步设置有多个导热块，每一导热块与所述承压外壳内壁相贴合，另一侧与所述电加热器相贴合，所述每一贴壁热电偶、加热热电偶、不加热热电偶均卡设在一个导热块内部。

4.如权利要求3所述的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其特征在于，所述电加热器为铠装电缆结构，在其加热段的内部设置有电加热丝，所述电加热丝两端连接有供电线；在其非加热段设置有供电线。

5.如权利要求4所述的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其特征在于，所述贴壁热电偶设置于反应堆压力容器上封头或堆芯出口处，位于电加热器的非加热段。

6.如权利要求1至5任一项所述的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其特征在于，在转接插座管焊装中设置有恒温铜套，形成恒温腔；在所述恒温腔中设置有PT100温度传感器，所述PT100温度传感器与所述接插件的插针相固定，对所述贴壁热电偶、不加热热电偶、加热热电偶进行冷端补偿。

7.如权利要求6所述的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其特征在于，所述多个自给能探测器的灵敏段中心位置按照燃料组件格架相对位置进行布置，以使所述自给能探测器活性段完全位于燃料组件内部。

8.如权利要求7所述的一种反应堆堆芯测量功能一体化的探测器组件，其特征在于，所述多个自给能中子探测器组的排布方式为螺旋上升而形成的圆柱形排布结构。

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