一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種核反應堆非能動測溫裝置，具體涉及一種基于熱聲效應的核反應 堆非能動測溫裝置。
【背景技術】
[0002] 在全球能源領域中，核反應堆的發展意義重大，它不僅能量密度高，對環境的破壞 也相對較小。雖然核反應堆有著無與倫比的優勢，但是任何事都有兩面性，凡是有利就有 弊，一旦核反應堆出現事故，破壞也將是巨大的，在145年日本福島核事故后，核電站附近 的城鎮因為核輻射污染緣故人走城空，在未來幾十年里都將影響著周圍環境以及人們的生 命安全。
[0003] 在事后對此次事故的全面分析中發現，隨著海嘯淹沒了應急柴油發電機、電氣開 關、直流電源等，反應堆和安全殼的監測儀表均出現失效情況。雖然這一點并不是造成該事 故嚴重后果的決定因素，但使得工作人員難以獲得足夠的重要信息，影響了對事故演變的 判斷及對應措施的實施，進而導致了后續救援工作難以展開，從而導致了一些不必要的損 失。
[0004] 事故產生后，因為海嘯沖擊導致現用電源及備用電源損壞，核反應堆中需要用電 的設備均失去反應，緊急救援人員無法得到核反應堆內部情況，從而錯失良機。
[0005] 核事故在歷史上已發生多次了，維護核安全意義深遠。在1379年3月28日凌晨4 時位于美國賓夕法尼亞州三里島核電站發生了美國歷史上最嚴重外核事故，因此人們在此 之后對核電廠的設計中就已經進行了改進，增加了堆芯溫度等一系列監測儀表。福島核事 故中，大家最關注的是堆芯溫度，特別是燃料棒溫度，最不了解的也是堆芯溫度，這一方面 是因為Mark-I型反應堆沒有設置堆芯溫度測點，但另一方面說明了事故工況下堆芯溫度 監測的必要性。歷史上這兩次大事故都證明了堆芯溫度屬于事故工況下核電站最重要的安 全相關監測點。
[0006] 堆芯溫度中目前僅測量冷卻劑溫度，正常運行時燃料棒溫度可通過間接計算得 到。之所以不直接測量燃料棒溫度，主要原因在于存在較大的工程難度，且正常運行時不太 關注。但在事故狀態下，特別是堆芯裸露后，燃料棒溫度就成為至關重要的指標，并且無法 間接得到，所以燃料棒溫度的直接測量對于事故下監測具有非常重要的意義。
[0007] 目前核反應堆堆芯溫度測量儀表基本采用鎧裝熱電偶貫穿反應堆壓力容器的形 式。例如AP1000、LOVIISA、KWU、VVER-1000等壓水堆，熱電偶貫穿壓力容器后放置到燃料 組件出口位置處，測量堆芯出口冷卻劑溫度。
[0008] 但是熱電偶等儀表用于燃料棒溫度測量的工程難度在于：1、需要通過燃料棒內部 或包殼外表面進行溫度測量，而不能通過頂部和底部端塞；2、燃料棒作為第一道輻射防護 屏障，且內部壓力很高，特別是裝料后期，所以不允許向內部貫穿儀表進行測量；3、熱電偶 進RPV后包有防護套管，尺寸較大（因為熱電偶和線纜長度很長，在RPV內就達到數米），如 果把帶套管熱電偶放到燃料棒之間貼合包殼外表面進行測量，會對冷卻劑流動形成阻塞， 且顯著惡化燃料元件換熱性能。
[0009] 綜上所述，堆芯溫度中目前僅測量冷卻劑溫度，熱電偶等儀表用于燃料棒溫度測 量時存在工程難度，導致核反應堆正常運行時燃料棒溫度無法直接測量，不利于事故下燃 料棒溫度的直接監測。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的是為了解決堆芯溫度中目前僅測量冷卻劑溫度，熱電偶等儀表用于 燃料棒溫度測量時存在工程難度，由于熱電偶等是不具有完全意義的非能動特性的測量元 件，這類測量裝置在極端及缺電時可能會失效從而可靠性不高，導致核反應堆正常運行時 燃料棒溫度無法直接測量，不利于事故下燃料棒溫度的直接監測的問題。進而提供一種基 于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置。
[0011] 本發明的技術方案是：一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置核反應堆非 能動測溫裝置包括熱聲管、冷端封口、板疊和固定件，熱聲管的上部為熱端部，熱聲管的下 部為冷端部，冷端封口密封安裝在熱聲管的冷端部，熱聲管的熱端部內壁上開設承裝槽，板 疊無縫隙固定在承裝槽內，板疊在豎直方向上均布開設有多個通孔，熱聲管的熱端部與核 燃料棒之間通過固定件連接。
[0012] 本發明與現有技術相比具有以下效果：
[0013] 本發明利用熱聲學原理即：在熱聲測溫裝置內部的板疊熱端上，受到核燃料棒的 熱能供給，使冷熱端溫差不斷變大，當溫差達到一定值時（300K)熱聲測溫裝置內的氣流會 通過板疊產生震蕩，因為在管內，氣體震蕩頻率與溫度有關，故而經過模擬發現，氣體震蕩 產生的（半）波長維持在一個小范圍內變動（210mm-220mm)因此當熱聲測溫裝置總長為半 波長時，管內的聲波為駐波。駐波通過堆內介質傳到鋼殼7處被測聲儀器接收，因為不同 的熱端溫度產生的聲波頻率不同，熱端溫度越高，管內氣體震蕩頻率越大，根據測量的頻率 溫度振幅等關系圖通過電腦分析處理即可得到需要的測量參數，從而判斷出堆內燃料棒狀 態，如裂紋形成的程度和放射性產物所占的比重。由于無需電源、電路和信號線纜，能夠把 儀表整合到燃料棒頂部或底部端塞空隙中，并通過無線方式傳輸信號，相比傳統儀表極大 地降低了工程難度，提供了燃料棒溫度直接測量的可行方案。
[0014] 具體體現在：本發明利用堆內熱源條件，把溫度信息轉換為聲波信號，如圖8所 示，
[0015]
[0016] 橫坐標是聲波震蕩頻率，縱坐標是熱端溫度。在熱端溫度在600K-1000K之間變 化時，都有確定的聲波頻率與之對應，由于理想氣體的聲速和絕對溫度具有一一對應關系 (見公式a)，而聲速和熱聲振蕩頻率也一一對應（見公式b)，所以聲波振蕩頻率與空腔內氣 體溫度對應（見公式c)。公式中，R為氣體常數，M為平均分子質量。由于空腔內氣體（指 的是整個管子內的氣體）具有溫度梯度，因此此處氣體溫度為其等效溫度。
【主權項】
1. 一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征在于：所述核反應堆非能動 測溫裝置包括熱聲管（1)、冷端封口（2)、板疊（3)和固定件（4)，熱聲管（1)的上部為熱端 部，熱聲管（1)的下部為冷端部，冷端封口（2)密封安裝在熱聲管（1)的冷端部，熱聲管（1) 的熱端部內壁上開設承裝槽（1-1)，板疊（3)無縫隙固定在承裝槽（1-1)內，板疊（3)在豎 直方向上均布開設有多個通孔（3-1)，熱聲管（1)的熱端部與核燃料棒（5)之間通過固定件 (4)連接。
2. 根據權利要求1所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征在 于：所述冷端封口（2)為"凸"字形封口。
3. 根據權利要求2所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征在 于：冷端封口（2)為不銹鋼封口。
4. 根據權利要求3所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征在 于：槽體（4-1)的槽底厚度為0? 8mm-l. 2_。
5. 根據權利要求1或4所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征 在于：固定件（4)為陶瓷固定件。
6. 根據權利要求5所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征在 于：板疊（3)由蜂窩陶瓷制成。
7. 根據權利要求1或6所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征 在于：熱聲管（1)由不銹鋼制成。
8. 根據權利要求1所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征在 于：固定件⑷包括槽體（4-1)和倒L形外沿（4-2)，倒L形外沿（4-2)固定安裝在槽體 (4-1)的上端并制成一體，熱聲管（1)的熱端部固定插裝在倒L形外沿（4-2)的豎直端與槽 體（4-1)的外側壁之間。
9. 根據權利要求1所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征在 于：固定件（4)為開有內孔的圓柱形階梯管，且所述圓柱形階梯管的內側壁上設有內螺紋。
10. 根據權利要求9所述的一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，其特征在 于：固定件（4)的圓柱形階梯管的直徑由下至上依次遞減。
【專利摘要】一種基于熱聲效應的核反應堆非能動測溫裝置，它涉及一種核反應堆非能動測溫裝置。本發明為了解決堆芯溫度中目前僅測量冷卻劑溫度，熱電偶等儀表用于燃料棒溫度測量時存在工程難度，導致核反應堆正常運行時燃料棒溫度無法直接測量，以及由于熱電偶等是不具有完全意義的非能動特性的測量元件，這類測量裝置在極端及缺電時可能會失效從而可靠性不高，不利于事故下燃料棒溫度的直接監測的問題。本發明熱聲管的上部為熱端部，熱聲管的下部為冷端部，冷端封口密封安裝在熱聲管的冷端部，熱聲管的熱端部內壁上開設承裝槽，板疊無縫隙固定在承裝槽內，熱聲管的熱端部與核燃料棒之間通過固定件連接。本發明用于核反應堆核燃料棒測溫。
【IPC分類】G21C17-112
【公開號】CN104766639
【申請號】CN201510136951
【發明人】劉輝, 徐峻楠, 黎永耀, 李楚奇, 劉小晗, 孟穎超, 于達仁
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月26日