TWI573992B - 溫度感測器陣列、核反應器及用於監測核反應器之方法 - Google Patents

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Description

溫度感測器陣列、核反應器及用於監測核反應器之方法
圖1係可與實例性實施例及實例性方法一起使用之一習用核反應器壓力容器10之一圖解說明。舉例而言，反應器壓力容器10可係全世界照慣例用於發電之一100+MWe商用輕水式核反應器。照慣例，反應器壓力容器10含納於用以含有放射性之一圍路結構411內。環繞反應器容器10之一建築物(稱為具有乾井20之一主圍路411)用以裝納服務於該容器之裝備，諸如幫浦、排水溝、控制條棒驅動裝置等。
如圖1中所展示且如本文中所界定，至少一個儀錶管50延伸至容器10中，其中爐芯15含納核燃料。如存在於習用核動力反應器中且如本文中所界定，儀錶管圍封於容器10內且在容器10外部敞開，從而准許自容器10外部空間上接近靠近於爐芯15同時仍藉由儀錶管50而與反應器及爐芯之內部結構實體分離之位置。儀錶管50可係大體上圓柱形的且隨著容器10之高度而擴展；然而，在工業中通常遇到其他儀錶管幾何結構。
照慣例，儀錶管50准許透過乾井20中之一底部端處之一開口將中子偵測器插入其中。此等偵測器向上延伸穿過儀錶管50以在一所期望軸向位置處監測爐芯15中之中子通量。習用監測器類型之實例包含寬量程偵測器(WRNM)、源區段監測器(SRM)、中間區段監測器(IRM)及/或局部功率區段監測器(LPRM)。另外，在其中用液態水連續填充容器10之壓水式反應器中，一熱電偶監測器(稱作一爐芯 退出熱電偶(CET))可插入至儀錶管50之一頂部中以監測退出蒸汽產生器之反應器之液體之出口溫度。
如圖1中所展示，容器10可在與爐芯15分離之一環形空間中包含一降液管區域30，其中流體減速劑及/或冷卻劑可自一循環迴路進入且向下流動經過降液管區域30到達至爐芯15中之一底部進入點。照慣例，降液管區域30配備有准許降液管區域30中之一特定位準處之流體存在之量測之一或多個流體感測器。藉由量測降液管區域30中之一流體位準，電廠操作者可能夠靠近爐芯15中之一對應流體位準，此乃因爐芯15及降液管區域30係流體連接。自降液管區域30中之流體位準之此量測可用以適當地操作反應器10及/或回應於其中涉及爐芯15中之流體位準之損失之瞬變狀況。
實例性實施例包含用於藉助一或多個溫度感測器陣列監測核反應器之方法及系統。實例性實施例溫度感測器陣列包含沿一軸延伸之複數個溫度感測器，以便量測核反應器之一儀錶管內之數個軸向位置處之溫度。如此，實例性實施例經成形、經確定大小且由與插入至一儀錶管及操作核反應器環境中相容之材料製造。實例性實施例陣列可製作成數個不同實體組態且可包含連結所有溫度感測器及其用於資料輸出之引線之一條棒。溫度感測器可係能夠判定其各別軸向位置處之溫度之自供電熱電偶或其他類型之感測器。以此方式，可在數個軸向位置處偵測與冷卻劑缺乏或 爐芯未覆蓋相關聯之溫度以量測一或多個爐芯位置處之冷卻劑位準。實例性實施例可用於其中存在儀錶管且使溫度與冷卻劑及/或減速劑位準相關之任何反應器中。
實例性方法包含將多個溫度感測器安裝於一儀錶管內以准許監測一相關聯核反應器內之軸向溫度。可使用一個以上儀錶管，以使得可以實例性方法量測數個爐芯位置處之軸向溫度曲線。然後，可使所量測溫度與冷卻劑狀態或一般爐芯流體位準之一缺乏相關。電廠操作者可使用經判定爐芯位準來操作反應器或回應於突發狀況。
實例性實施例將藉由詳細闡述附圖而變得更加明瞭，其中相同元件由相同參考編號表示，該等參考編號係僅藉由圖解說明之方式給出且因此並不限制其所繪示之術語。
此係一專利文件，且應在閱讀及理解該專利文件時應用一般廣泛構建規則。此文件中所闡述及展示之所有事物係歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內之標的物之一實例。本文中所揭示之任何特定結構及功能細節係僅用於闡述如何做出及使用實例性實施例之目的。本文中未特定揭示之數個不同實施例歸屬於申請範疇；如此，申請專利範圍可以諸多替代形式體現且不應視為僅限制於本文中所陳述之實例性實施例。
應理解，儘管術語「第一」、「第二」等可在本文中用以闡述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語僅用以將一個元件與另一元件區分開。舉例而言，一第 一元件可稱作一第二元件，且類似地，一第二元件可稱作一第一元件，此並不背離實例性實施例之範疇。如本文中所使用，術語「及/或」包含相關聯之所列舉物項中之一或多者之任何及所有組合。
應理解，當將一元件稱為「連接」、「耦合」、「配接」、「附接」或「固定」至另一元件時，可將其直接連接或耦合至其他元件，或者可存在介入元件。相比而言，當將一元件稱為「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件。用以闡述元件之間的關係之其他措辭應以一相似方式來解釋(例如，「在…之間」對「直接在…之間」、「毗鄰」對「直接毗鄰」等)。類似地，諸如「以通信方式連接」之一術語包含兩個裝置之間的資訊交換路線之所有變化形式，包含以無線方式或非無線方式連接之中間裝置、網路等。
如本文中所使用，單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」意欲包含單數及複數形式兩者，除非用如同「僅」、「單個」及/或「一個」等措辭另外做出語言明確指示。應進一步理解，術語「包括(comprises)」、「包括(comprising)」、「包含(includes)」及/或「包含(including)」當在本文中使用中時規定存在所述特徵、步驟、操作、元件、觀點及/或組件，但其並不排除存在或添加一或多個其他特徵、步驟、操作、元件、組件、觀點及/或其群組。
亦應注意，下文所論述之結構及操作可並非以圖中所闡 述及/或表明之次序出現。舉例而言，相繼展示之兩個操作及/或圖實際上可同時執行或有時可以顛倒次序執行，此取決於所涉及之功能性/動作。類似地，下文所闡述之實例性方法內之個別操作可重複地、個別地或順序地執行，以便提供除下文所闡述之單個操作以外之循環或其他系列操作。應設想到，具有下文所闡述之特徵及功能性之任何實施例(以任何可行組合)皆歸屬於實例性實施例之範疇內。
申請人已認識到，一爐芯(諸如，圖1中所展示之反應器10之爐芯15)內之冷卻劑位準係用於量測且回應於反應器操作及瞬變之一至關重要度量。一爐芯內之冷卻劑位準可指示是否應添加額外補償冷卻劑，及/或反應爐芯內之燃料變為未由冷卻劑覆蓋且經受過熱及/或損壞之可能性。申請人已進一步認識到，對一降液管區域內之流體位準之量測可由於關於反應器之流體冷卻劑阻塞、倒退至降液管區域中、過壓等而不準確或缺少所期望精確度。申請人已進一步認識到，透過量測多個爐芯軸向位置處之溫度而更直接或準確地量測一爐芯內之流體冷卻劑位準可比自一反應器內之一降液管區域量測流體位準更精確。下文所論述之實例性實施例及方法達成由申請人所明瞭之問題之此等及其他優點及解決方案。
圖2係一實例性實施例溫度感測器陣列100之一圖解說明。如圖2中所展示，實例性實施例溫度感測器陣列100包含陣列化於離散軸向位置處之複數個溫度感測器110。實 例性實施例溫度感測器陣列100可包含准許溫度感測器110作為一群組移動及/或維持於一(多個)所期望軸向間隔處之一軸向柱120或其他連接機構。舉例而言，軸向柱120可係一撓性金屬條棒、一教示線(taught wire)、一剛性聚合物等。類似地，軸向柱120可係具有約等於一儀錶管50之一長度之一總長度之一經分段或連續結構以使得陣列化於其上之溫度感測器110將在儀錶管50內之各種軸向位置處延伸。
實例性實施例溫度感測器陣列100可進一步包含將溫度感測器110以通信方式連接至用於讀取之一外部監測器之一或多個通信連接器130。舉例而言，通信連接器130可係固定至軸向柱120之一同軸電纜、光纖電纜、熱電偶引線、感測器輸出導線等。一單個通信連接器130可連接至多個溫度感測器110，及/或可在實例性實施例中使用連接器130與感測器110之間的一對一關係。如圖2中所展示，通信連接器130可自實例性實施例溫度感測器陣列100之一端子端延伸以便退出將一陣列插入至其中之一儀錶管50(圖1)且以通信方式連接至遠離一反應器容器10(圖1)且可能甚至在圍路411(圖1)外部之一監測器或讀取裝置。
儘管實例性實施例溫度感測器陣列100在圖2中經展示而多個溫度感測器110位於具有用於每一溫度感測器110之個別通信連接器130之一軸向柱120上之規則間隔處，但應理解，可在實例性實施例中使用溫度感測器110之不同數目及位置。類似地，軸向柱120及/或通信連接器130可以任 何實體形式而變化或在實例性實施例中完全缺乏。舉例而言，裸溫度感測器110可在軸向間隔處連接至一儀錶管50且在實例性實施例中以無線方式連接至操作者監測裝置。
如圖3中所展示，實例性實施例溫度感測器陣列100經調整尺寸及成形以插入且配合於核反應器10之一儀錶管50內。舉例而言，儀錶管50可具有約1英吋之一內徑及若干碼之一長度，且實例性實施例溫度感測器陣列100可具有小於1英吋之一寬度及約若干碼之一長度。
實例性實施例溫度感測器陣列100進一步由實質上維持其在一操作核反應器環境中之物理特性之材料形成。舉例而言，具有較高熔融溫度及最小輻射吸收剖面之陶瓷複合物、碳鋼、不銹鋼及/或鋁合金在操作及甚至瞬變狀態期間可駐存於儀錶管50內而不會熔融、變為放射性或以其他方式出故障達一冗長時間週期。
溫度感測器110可係能夠在穩態及瞬變狀態兩者下量測且記錄/傳輸在操作核反應器時遇到之一範圍內之溫度之任何類型之儀器。舉例而言，溫度感測器110可係電阻溫度偵測器、熱阻器及/或熱電偶。舉例而言，溫度感測器110可(諸如)透過一電池而本地供電或(諸如)透過通信連接器130而遠端供電。某些溫度感測器(諸如熱電偶)可提供自供電且因此不需要外部電源之進一步之優點，同時仍係彈性的且能夠量測在核反應器環境中遇到之溫度範圍。
如圖3中所展示，實例性實施例溫度感測器陣列100插入至一儀錶管50中以使得溫度感測器110存在於爐芯15內及 外部之數個所期望軸向位置處。舉例而言，若一爐芯15之軸向長度係約4碼，則在一實例性實施例中可存在十二個溫度感測器110，一個溫度感測器位於爐芯15之每一英尺處以量測一英尺增量中之爐芯溫度。藉由量測周圍溫度或儀錶管50之溫度，溫度感測器110可能夠在特定軸向位置處直接量測且傳輸/記錄爐芯15之溫度。當然，溫度感測器110亦可存在於儀錶管50及實例性實施例內之非爐芯軸向位置處及任何間隔處。
實例性方法包含在核電廠中使用實例性實施例溫度感測器陣列100及/或其他溫度感測器陣列來監測。舉例而言，如圖3中所展示，溫度感測器陣列可插入或安裝於儀錶管50中。個別溫度感測器110可安裝於儀錶管50中，或在具有一聯合化且撓性軸向柱120之實例性實施例溫度感測器陣列100之例項中，可藉由將軸向柱120插入至一儀錶管50中而一起插入溫度感測器110以使得溫度感測器110在反應器10內具有所期望軸向位置。多個實例性實施例溫度感測器陣列可安裝於任何反應器內。舉例而言，至少一個陣列可安裝於一爐芯15之每一象限中之一儀錶管內以跨越數個徑向爐芯位置監測溫度及因此軸向冷卻劑位準。
實例性方法可進一步包含將溫度感測器以通信方式連接至一監測器或記錄裝置。舉例而言，通信連接器130可自溫度感測器110延續至一外部監測或記錄裝置以在數個軸向位置處記錄及/或判定一反應器內之溫度。另一選擇係，溫度感測器110可在本地儲存溫度或以無線方式傳輸 量測以使得無需使用實體通信連接器130。
實例性方法可進一步包含使用者監測或接收藉由溫度感測器在儀錶管50內之數個軸向位準處量測之溫度。該等溫度量測可用以判定反應器10內之流體位準。舉例而言，超過一冷卻劑沸點之迅速增加溫度可指示一反應器內之一特定軸向位置已變為未由冷卻劑覆蓋。類似地，超過一鋯合金潛變失效溫度之溫度可指示反應器內之一特定軸向位置可經受燃料破壞。作為一實例，可用於實例性實施例中之溫度感測器可具有約華氏100度至3000度之一範圍以偵測介於自低電力操作最高至鋯氧化溫度之範圍內之狀態。取決於溫度感測器之間的距離，在軸向位置之任何數目及粒度下可依據溫度判定一爐芯15及容器10內之流體位準以較佳地瞭解對冷卻劑注入之需要以避免對反應器組件之過熱損壞。類似地，在不同爐芯象限中之不同儀錶管中使用多個陣列可准許偵測變化之冷卻劑位準及潛在爐芯阻塞及/或在不同爐芯象限之間變化之損壞。
監測溫度及使溫度與冷卻劑位準、冷卻劑狀態、燃料損壞或由核反應器內之溫度指示之任何其他度量相關可(諸如)透過以通信方式連接至實例性實施例中之溫度感測器之控制室監測器而即時執行。類似地，自實例性實施例中之溫度感測器讀取量測可在歷史溫度資料之量測之後執行。舉例而言，在一簡單/被動實例性實施例中，熱電偶溫度感測器可顯示何時偵測到對應於冷卻劑缺乏之一溫度之標記；此等實例性實施例可自儀錶管撤消且基於需要藉 由檢驗來讀取，諸如在其中損失儀錶電力及/或在容器內出現損壞以使得降液管流體位準量測不可靠且其中容器冷卻劑位準係臨界之一突發狀況期間。類似地，溫度感測器可以通信方式連接至可在需要知曉反應器冷卻劑位準時之週期期間查閱之本地監測及/或記錄裝置。
如此，實例性實施例及方法准許相對直接地監測一核爐芯15及反應器10內之多個軸向位置及可能多個徑向/象限位置處之溫度狀態。使用儀錶管，實例性實施例及方法可與反應器內部構件分離以便保持相對不受影響且能夠在大部分突發狀況期間及/或遍及最終損壞儀錶管之大部分突發狀況點進行溫度量測。溫度可易於指示反應器內之冷卻劑位準、冷卻劑狀態及/或燃料破壞且補充或替換對可能不準確降液管流體位準量測之依賴。藉由透過實例性實施例及方法更準確地判定反應器狀態、損壞及/或冷卻劑位準，操作者可較佳地對各種操作情景作出回應及/或較佳地瞭解反應器損壞或反應器損壞之可能性。
儘管容器10圖解說明有通常在一商用沸水式反應器中找到之組件，但實例性實施例及方法可與具有儀錶管50或延伸至反應器中之其他接近管之數個不同類型之反應器一起使用。舉例而言，具有自低於100百萬瓦特電至數十億瓦特電之一額定功率且在不同於圖1中所展示之彼等位置之數個位置處具有儀錶管之壓水式反應器、重水式反應器、石墨減速式反應器等可與實例性實施例及方法一起使用。如此，可用於實例性方法中之儀錶管可係允許對各種類型 之反應器之經圍封接近以在該等反應器中進行溫度量測之繞爐芯之任何幾何結構。
因此闡述實例性實施例及方法，熟習此項技術者應明瞭，實例性實施例可係變化的且透過常式實驗代替而仍歸屬於以下申請專利範圍之範疇內。舉例而言，儘管關於相當直接地量測核反應器中之溫度之溫度感測器闡述某些實例性實施例，但藉由直接量測其他爐芯狀態(諸如材料膨脹或熱能輻射率)得出溫度之溫度感測器可用於實例性實施例及方法中。此外，應理解，實例性實施例及方法可結合其中儀錶管溫度可用以偵測諸如冷卻劑位準等反應器狀態之任何反應器來使用。此等變化形式不應視為背離以下申請專利範圍之範疇。
10‧‧‧習用核反應器壓力容器/反應器壓力容器/反應器容器/容器/反應器
15‧‧‧爐芯/核爐芯
20‧‧‧乾井
30‧‧‧降液管區域
50‧‧‧儀錶管
100‧‧‧實例性實施例溫度感測器陣列
110‧‧‧溫度感測器/感測器
120‧‧‧軸向柱
130‧‧‧通信連接器/連接器
411‧‧‧圍路結構
圖1係一習用商用核反應器之一圖解說明。
圖2係一實例性實施例溫度感測器陣列之一圖解說明。
圖3係使用一實例性實施例溫度感測器陣列之一實例性實施例反應器之一圖解說明。
10‧‧‧習用核反應器壓力容器/反應器壓力容器/反應器容器/容器/反應器
15‧‧‧爐芯/核爐芯
50‧‧‧儀錶管
100‧‧‧實例性實施例溫度感測器陣列
110‧‧‧溫度感測器/感測器
130‧‧‧通信連接器/連接器

Claims (19)

  1. 一種溫度感測器陣列，其包括：複數個溫度感測器，其包含十二個被動熱電偶，各該被動熱電偶在軸線上係彼此間隔至少一英尺且各具有一垂直於軸線之小於一英吋的寬度，其中該等溫度感測器經組態以插入至一核反應器內之一儀錶管中，以使該軸線在該儀錶管內延伸並使該等溫度感測器在該儀錶管中被間隔開，在約華氏100度至3000度之間量測儀錶管的溫度，及僅包含具有融化溫度及橫截面而使該溫度感測器在一操作或突發核反應器環境內不會失效的材料。
  2. 如請求項1之陣列，其進一步包括：一軸向柱，該複數個溫度感測器係附接至該軸向柱，其中該軸向柱經組態以插入至該儀錶管中。
  3. 如請求項2之陣列，其中該軸向柱係一連續且具可撓性之金屬條棒。
  4. 如請求項1之陣列，其進一步包括：至少一個通信連接器，其經組態以將來自該等溫度感測器中之至少一者之資料傳輸至一遠端監測器。
  5. 如請求項1之陣列，其中該複數個溫度感測器係經組態以在無一外部電源之情況下量測溫度之熱電偶。
  6. 如請求項1之陣列，其中該複數個溫度感測器沿著該軸線係裸露的。
  7. 如請求項1之陣列，其中該核反應器係一沸水式反應 器。
  8. 如請求項1之陣列，其中該等溫度感測器進一步經組態以量測一溫度範圍，該溫度範圍包含該核反應器之正常操作溫度及與該核反應器之一突發狀況中之缺乏冷卻劑相關聯之溫度。
  9. 一種核反應器，其包括：一爐芯，其含納核燃料；一儀錶管，其延伸至該爐芯中，其中該儀錶管具有在該反應器外部之一開口以准許對該爐芯之經圍封接近；及一溫度感測器陣列，其延伸至該儀錶管中，其中該溫度感測器陣列包含複數個溫度感測器，該複數個溫度感測器包含十二個被動熱電偶，各該被動熱電偶在該儀錶管的不同軸向位置處對準且彼此分開至少一英尺，且各該被動熱電偶具有一垂直於該儀錶管之小於一英吋的寬度，而且其中該溫度感測器並未絕緣於該儀錶管，以測量該反應器之熱溫度。
  10. 如請求項9之核反應器，其中該溫度感測器陣列進一步包含，一軸向柱，該複數個溫度感測器在該等不同軸向位置處附接至該軸向柱，及至少一個通信連接器，其在該儀錶管外部延伸且經組態以將來自該等溫度感測器中之至少一者之資料傳輸至一遠端監測器。
  11. 如請求項10之核反應器，其中該複數個溫度感測器沿該軸向柱對準且隔開，以便存在於該爐芯內之複數個軸向位準處。
  12. 如請求項9之核反應器，其中該複數個溫度感測器係被動熱電偶，該被動熱電偶經組態以量測包含該核反應器之正常操作溫度及與該核反應器之一突發狀況中之缺乏冷卻劑相關聯之溫度之一溫度範圍。
  13. 如請求項12之核反應器，其中該核反應器係一沸水式反應器，且其中該反應器進一步包含：複數個儀錶管，其延伸至該爐芯中，其中各該儀錶管具有在該反應器外部之一開口以准許對該爐芯之經圍封接近；及複數個溫度感測器陣列，其各延伸至該複數個儀錶管之一各別儀錶管中，其中該溫度之範圍約在華氏100至3000度之間。
  14. 一種用於監測核反應器之方法，該方法包含：安裝複數個溫度感測器，該複數個溫度感測器包含十二個被動熱電偶，各該被動熱電偶在該核反應器之該儀錶管的內不同軸向位置處彼此分開至少一英尺，且各該被動熱電偶具有一垂直於該儀錶管之小於一英吋的寬度，其中該溫度感測器測量該儀錶管的一溫度，該溫度的範圍在該核反應器的正常操作溫度與該核反應器之一突發狀況中之冷卻劑之缺乏相關聯的溫度之間。
  15. 如請求項14之方法，其中該溫度之範圍約在華氏100至3000 度之間，該方法進一步包含：藉複數個溫度感測器測量所得的溫度決定該核反應器的一冷卻劑位準。
  16. 如請求項15之方法，其中該決定步驟包含使一臨界溫度關聯於一缺乏冷卻劑狀態，再將藉複數個溫渡感測器所測得的該溫度與該臨界溫度比較。
  17. 如請求項15之方法，其中該決定步驟係於即時執行並決定該核反應器中之現時冷卻劑位準。
  18. 如請求項14之方法，其中該安裝步驟包含將一包含有在不同軸向位置對準的該複數個溫度感測器的溫度感測器陣列插入該儀錶管中。
  19. 如請求項14之方法，其中該等溫度感測器並未絕緣於該儀錶管，且該等溫度感測器測量被動地與僅由該反應器所施加之熱的範圍各處的溫度。
TW101148142A 2011-12-30 2012-12-18 溫度感測器陣列、核反應器及用於監測核反應器之方法 TWI573992B (zh)

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