一種核電站乏燃料水池監測裝置的製作方法

2023-04-24 23:37:21

本實用新型涉及核安全技術領域，特別涉及一種核電站乏燃料水池監測裝置。

背景技術：

目前核電站大都建有貯存乏燃料水池，在反應堆的一個運行周期結束以後，就會將堆中約1/3堆芯的乏燃料組件卸到乏燃料水池中進行冷卻。剛卸出的乏燃料組件有著較高的衰變熱，在水池中冷卻多年以後，衰變熱降到足夠低才可以將其運到後處理廠或永久貯存場。為保證乏燃料的正常冷卻，乏池內的水必須是充足的。2011年3月，日本發生福島核事故。根據反饋，福島核電站超設計基準事故後乏燃料水池喪失正常冷卻，乏燃料水池內的衰變熱依靠池水的蒸發、沸騰帶走，從而導致水池液位的快速下降。另外水池襯裡以及與水池相連的管線也可能發生破口而導致水池液位的下降，由於乏池內無抗震功能的水位水溫監測裝置，其水位嚴重下降卻不知，由此導致乏燃料廠房的核爆炸。因此，對乏燃料水池中的水位和溫度進行實施監測是必需的。

公開號為CN204064399U一種分體式超聲波物位計，由分體式超聲波物位計主機和超聲波探頭構成，分體式超聲波物位計主機與超聲波探頭之間採用數字方式進行信號通信，超聲波探頭內部包含有驅動超聲波換能器工作的發射驅動電子單元、用於接收回波信號的回波信號處理電子單元及控制兩個單元工作的單片機，超聲波探頭內部的超聲波換能器為收發合一的單換能器。如圖1所示，安裝於測量罐內的超聲波探頭裡含有單片機、驅動單元及信號接收單元等集成電路和運放等器件，此類電子元器件對核輻射極為敏感，一般僅能承受最大100Gy的輻射累積劑量，而核電乏燃料水池上部核輻射在極端條件下可達到近500KGy，現場安裝後該導波雷達物位計測量系統很快就會失效。另外，該專利還存在以下缺陷：

1、超聲波是機械波，因聲波要靠振動發聲，環境壓力大時發聲部件受影響；且其傳播速度與傳播媒介的狀態密切相關，故受影響的條件(溫度、壓力等)較多；

2、超聲波頻率一般為幾萬赫茲，故其穿透能力差，在信號傳輸過程中，衰減較大，微弱的回波信號通過較長的信號電纜時會產生較大的衰減，使信號接收處理系統對其放大識別比較困難；

3、超聲波回波信號容易受到外界電磁幹擾而摻雜過大的噪聲，外界強的電磁幹擾噪聲也可能淹沒微弱的回波信號，造成回波的無法識別或將噪聲放大，形成錯誤的測量值；

4、超聲波液位計不能應用於真空、蒸汽含量過高或液面有泡沫等工況。

另外，公開號為CN204101129U導波雷達物位計系統是一種用於確定容納在罐中的物品的填充物位的導波雷達物位計系統，該系統包括：罐，其具有內壁、頂部和底部；收發器，用於發射電磁發射信號並接收在物品的表面處反射的反射電磁信號；表面波導，其包括單導體傳輸線探針，表面波導連接至收發器、被布置成豎直延伸到罐中並且被配置成朝向表面導引電磁發射信號並將反射電磁信號導引回到收發器；處理電路，其連接至收發器並被配置成基於所接收的反射電磁信號確定填充物位；以及多個保持元件，其被布置成位於關於罐的內部的固定位置中並沿探針間隔開，其中，保持元件中的每個限定探針，並且被配置成允許探針相對於該保持元件在豎直方向上移動以及限制探針相對於該保持元件在水平方向上移動。

如圖2所示，同樣在被測量罐的頂部含有微處理器、發送器/接收器等集成電路器件，此類電子元器件對核輻射極為敏感，一般僅能承受最大100Gy的輻射累積劑量，而核電乏燃料水池上部核輻射在極端條件下可達到近500KGy，現場安裝後該導波雷達物位計測量系統很快就會失效。

技術實現要素：

有鑑於此，本實用新型的主要目的在於，提供一種核電站乏燃料水池監測裝置，包括液位測量模塊和溫度測量模塊，以及分別與二者電連接的信號處理器。所述液位測量模塊位於核電站乏燃料水池區域內，包括：導波頭，通過一安裝支架固定於核電站乏燃料水池液面上方；於導波頭下方電連接的導波纜，其向下延伸的一端裝配一重錘，於導波頭上端通過同軸電纜延伸至遠端信號處理器；

所述溫度測量模塊位於核電站乏燃料水池區域內，包括：於所述安裝支架固定的鎧裝纜，鎧裝纜向下延伸電連接固定於所述重錘處的溫度探測器；所述鎧裝纜上端延伸至信號處理器；

所述信號處理器設於核電站乏燃料水池區域外的機櫃內，至少包含：導波頭液位信號處理器、溫度變送器、存儲裝置和顯示裝置。

由上，核電站乏燃料水池監測裝置現場測量部分安裝於乏燃料水池內部，通過遠程變送的測量方式，使對核輻射敏感的電子部件不再受到輻射幹擾；監測裝置實時獲取乏燃料水池內的液位以及溫度狀態，對可能出現的風險進行及時報警，從而杜絕安全隱患。

可選的，所述重錘上部設有第一緩衝裝置，其環繞所述重錘向外延伸呈傘型結構。

可選的，所述向外延伸出的邊緣卷邊設置。

由上，通過增加有效截面積，以增加下落阻力，降低下落加速度，從而實現降低發生碰撞的瞬時速度。

可選的，所述重錘下部設有第二緩衝裝置，包括：設於重錘底部，沿重錘圓周設置的多個底邊為導角的彈簧墊片。

由上，相比於一體設置的墊片，單個墊片所組成圓周，在重錘與底板接觸時刻，可以依接觸位置受力，從而進一步增加接觸時間。

可選的，所述安裝支架一端設有一與核電站乏燃料水池側壁厚度相匹配的凹槽，用於卡和核電站乏燃料水池側壁；另一端包括一平臺，所述導波頭通過法蘭盤固定於所述平臺上。

由上，通過所述安裝支架實現對於液位測量模塊及溫度測量模塊的固定，以實現導波纜和溫度測量元件對乏燃料水池內液位、溫度的測量、而無須在乏燃料水池內壁打孔安裝，保證了乏燃料水池內壁的完整性。

可選的，所述導波頭固定於所述法蘭盤上，其外圍設置一防塵防水殼體，所述防塵防水殼體與導波頭固定，藉助於法蘭盤固定於所述平臺上。

由上，殼體實現對於導波頭及電連接器的保護。

可選的，所述導波纜和所述鎧裝纜設於同一平面內，導波纜通過螺紋連接固定於導波頭上，鎧裝纜通過卡帽固定於所述法蘭盤。

當電磁波傳輸空間的橫截面全部被結晶的硼覆蓋後，會產生電磁波的極低虛假回波信號，而僅有部分硼結晶附著在部分線纜上則不會影響雷達液位回波，即不會產生液位虛假信號。因此，採用三根電纜設於同一平面內，相比於單根纜，可以更有效地避免虛假回波信號的產生。

可選的，在所述導波頭與所述射頻同軸電纜之間，還包括雙通射頻頭和L型連接彎頭。

由上，不僅大大減少了現場安裝空間，而且避免了蒸汽凝露易進入連接部件，引起短路的風險。

可選的，所述液位測量模塊的絕緣材料均為聚醚醚酮。

可選的，所述鎧裝纜內的絕緣材料包括純度不低於99.5％的氧化鋁或純度不低於99.4％的氧化鎂。

由上，可以實現所述位於乏燃料廠房內的水池外的所有部件可耐受500KGy的核輻射劑量，位於水池內的部件可耐受1000KGy的核輻射劑量。

附圖說明

圖1為現有技術分體式超聲波物位計的原理示意圖；

圖2為現有技術導波雷達物位計系統的原理示意圖；

圖3為本實用新型核電站乏燃料水池監測裝置的電氣原理示意圖；

圖4為本實用新型核電站乏燃料水池監測裝置的安裝結構示意圖；

圖5(A)為現有技術導波頭與同軸電纜的連接示意圖；

圖5(B)為本實用新型導波頭與同軸電纜的連接示意圖；

圖6為本實用新型核電站乏燃料水池監測裝置中安裝支架的結構示意圖；

圖7為本實用新型核電站乏燃料水池監測裝置中緩衝裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為克服現有技術存在的缺陷，本實用新型提供一種核電站乏燃料水池監測裝置，安裝於乏燃料水池內部，通過遠程變送的測量方式，獲取乏燃料水池內的液位以及溫度狀態，對可能出現的風險進行及時報警，以杜絕安全隱患。

如圖3所示為核電站乏燃料水池監測裝置的電氣原理示意圖，包括液位測量模塊11和溫度測量模塊12，以及分別與二者電連接的信號處理櫃21，還包括與所述信號處理櫃21連接的遠程顯示櫃31。

所述液位測量模塊11用於檢測乏燃料水池的液位深度。如圖4所示，所述液位測量模塊11包括導波頭103、導波纜108和重錘109，所述重錘109用於保持導波纜108垂直。還包括遠端的液位信號處理器(未圖示)，所述液位信號處理器通過長距離耐核輻射同軸電纜與所述導波頭103電連接，設於信號處理櫃21中。

液位測量模塊11的工作原理為：液位信號處理器控制發射頻率為200M的電磁波信號，該信號經長距離耐核輻射同軸電纜傳輸，經導波頭103沿導波纜108表面與兩側溫度線纜構成的空間傳播，該信號遇到空氣與水交界面時，產生一反射信號，該反射信號通過導波纜108接收並傳播，最終被導波頭103所接收。再通過所述長距離耐輻照的同軸電纜將所採集到的反射信號輸出至液位信號處理器，由液位信號處理器將反射信號轉換成4～20mA的液位信號進行本地顯示並遠傳至遠程顯示櫃31。

本實施例中，液位測量模塊11內部各部件絕緣材料均為聚醚醚酮樹脂(PEEK)，該絕緣絕緣材料是一種性能優異的特種工程塑料，與其他特種工程塑料相比具有更多顯著優勢，耐正高溫260度、機械性能優異、自潤滑性好、耐化學品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨性、抗輻射。

所述同軸電纜為可耐受500KGy輻射的低衰減射頻同軸電纜，最遠傳輸距離為80m，同時該同軸電纜可在100℃、100％RH的高溫水蒸氣條件下正常工作。進一步的，如圖5(B)所示，本實施例中，在雙通射頻頭與所述同軸電纜之間設有L型連接彎頭，所述雙通射頻頭及L型連接彎頭上設有的聚醚醚酮樹脂絕緣材料以及矽橡膠的密封材料，可耐受500KGy輻照劑量。相比於圖5(A)所示的現有技術，上述方案可以避免輻射損壞和短路的風險。具體分析如下：

目前工業中用的雙通射頻頭內絕緣材料均不能耐受大劑量輻射，且其中一端直接連接同軸電纜，以致在高溫高溼的條件下，蒸汽凝露會沿著同軸電纜流入雙通射頻頭內，容易引起設備短路。本實施例技術方案，不僅增強了部件的耐輻照性能，而且由於L彎頭的存在，避免了蒸汽凝露易進入連接部件，引起短路的風險。

本實施例中，所述導波纜108的材質為316L不鏽鋼，其耐腐蝕性能、耐氧化性能、耐海洋和侵蝕性大氣的侵蝕能力強，耐輻射性能優異，具有良好的耐熱性和焊接性。導波纜108可測液位深度達8.5m，覆蓋乏燃料水池的滿水位至乏燃料裸露水位，具有精度高、抗震性能好，耐輻照能力強等優點。

所述溫度測量模塊12用於檢測乏燃料水池內的溫度。如圖4所示，所述溫度測量模塊12包括溫度探測器(未圖示)、鎧裝纜107和溫度變送器(未圖示)。所述溫度探頭為鎧裝鉑電阻溫度探測器(RTD，Resistance Temperature Detector)，設於所述重錘109處，通過鎧裝纜107將溫度探測器所採集到的溫度數據輸出至溫度變送器，所述鎧裝纜107直接延伸到80m外信號處理櫃21中的溫度變送器連接。經過溫度變送器穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉換、恆流及反向保護等電路處理後，轉換成與溫度成線性關係的4～20mA電流信號輸出至遠程顯示櫃31。所述溫度變送器與信號處理櫃21為集成式設置。

本實施例中，鎧裝纜107的絕緣材料為陶瓷材料，耐輻照及高溫性能優異。本實施例中，陶瓷材料採用純度不低於99.5％的氧化鋁或純度不低於99.4％的氧化鎂，高純氧化鎂在高溫下具有優良的電絕緣性，熱膨脹係數和導熱率高。

溫度測量模塊12可測0～120℃，精度±1.5℃；穩定性高，抗震性能好，耐輻照總劑量>1MGy。

本實施例中，所述導波纜108和鎧裝纜107設於同一平面內，採用一根導波纜108及兩根鎧裝纜107，這樣做的目的在於避免乏燃料水池內硼結晶產生對於液位測量的精度影響。其原因在於：當電磁波傳輸空間的橫截面全部被結晶的硼覆蓋後，會產生電磁波的極低虛假回波信號。而僅有部分硼結晶附著在部分線纜上則不會影響雷達液位回波，即不會產生液位虛假信號。因此，採用三根電纜設於同一平面內，相比於單根纜，可以更有效地避免虛假回波信號的產生。

如圖4所示，本實施例中，所述液位測量模塊11和溫度測量模塊12設於核電站乏燃料水池內部，通過固定件進行固定。具體固定結構如下：通過如圖6所示的一安裝支架101將液位測量模塊11和溫度測量模塊12固定於核電站乏燃料水池上部。所述安裝支架101有一與核電站乏燃料水池池壁厚度相匹配的凹槽，安裝支架101通過該凹槽卡於水池池壁，並通過長螺栓加固，安裝支架101材質為316L不鏽鋼，對乏燃料廠房嚴重事故條件下的大劑量輻射不敏感，且通過抗震I級鑑定。該安裝支架101在朝向水池一側還包括一平臺，所述導波頭103通過螺紋固定於法蘭盤104上，在導波頭103外部，還設有一防水殼體102，以對導波頭103及電氣連接件進行保護。所述防水殼體102固定於導波頭103處。在所述平臺和法蘭盤104的對應位置設置有通孔，導波纜108和鎧裝纜107通過該通孔延伸至核電站乏燃料水池液體內部，所述導波纜108通過螺紋連接固定於導波頭上，溫度鎧裝纜107通過卡帽106固定於法蘭盤104上。

在所述導波纜108和鎧裝纜107的底部，通過重錘109保持線纜的垂直。在所述重錘109處，還設有一緩衝裝置110。如圖7所示為緩衝裝置110的結構示意圖，包括分別設於重錘109頂部和底部，通過壓入鉚釘603進行固定的第一、第二緩衝件。所述第一緩衝件601為擴口面結構，包括傘型結構或喇叭口型結構。第二緩衝件602為沿重錘109圓周設置的多個彈簧墊片，所述彈簧片的底邊全部為導角，無稜角或毛刺。

若因意外出現導波纜108和鎧裝纜107斷裂情況，根據力學公式F*t＝m*v(式中F表示重力作用力，t表示發生碰撞的接觸時間，m表示質量，v表示發生碰撞的瞬時速度)，第一緩衝件的主要作用為：降低發生碰撞的瞬時速度v：在重錘上部設一擴口面結構，以增加有效截面積，以增加下落阻力，降低下落加速度，從而實現降低發生碰撞的瞬時速度v。第二緩衝件的主要作用為：增加發生碰撞的接觸時間t：即在重錘109底部加裝彈簧墊片，延長重錘109下降觸底的作用時間，即降低接觸時的衝擊力/撞擊力。

利用仿真軟體對緩衝裝置110的建模分析結果表明，在不考慮水阻力的情況下，重錘109在跌落過程中碰撞區域應力超過其底部第二緩衝件中彈簧墊片的屈服強度，彈簧墊片對衝擊力起到緩衝效果；重錘109彈起後，底面有塑性變形與殘餘應力，但已變小，遠未達到材料的抗拉強度，不會導致底板破壞。重錘109頂部第一緩衝件增加的阻力，會進一步減小衝擊力，減少重錘109與底板的接觸應力，更不會導致底板破壞。

進一步的，在所述法蘭盤104處還固定一吊環105，通過機械手臂(未圖示)作用於吊環105，以實現調整安裝支架101的位置或定期檢修時提起測量裝置的作用。

信號處理櫃21分別與液位測量模塊11和溫度測量模塊12電連接，用於將所接收的液位信號和溫度信號進行轉換處理，進行本地顯示、報警，並輸出4-20mA標準模擬量。信號處理櫃21安裝於乏燃料水池廠房區域外側樓梯間處的電氣箱，通過螺栓固定在廠房牆壁上，其結構滿足抗震I類鑑定要求。由此，可以避免乏燃料水池內高達500KGy的核輻射，保證監測安全。

即，所述信號處理櫃21包括依次連接的主控晶片，以及分別與其連接的報警電路、顯示電路、存儲晶片和外部接口。所述主控晶片用於將液位測量模塊11和/或溫度測量模塊12輸出的4-20mA標準模擬量電流轉換為相應的溫度值或液位值輸出；報警電路用於依據預設的液位、溫度報警閾值進行報警，當所述主控晶片識別出的液位或溫度到達報警閾值時，便觸發報警，本實施例中，採用7路SPDT48VDC/220AC繼電器輸出，其中4路用於乏燃料水池液位報警信號，3路用於乏燃料水池溫度報警信號。顯示電路用於顯示主控晶片輸出的液位或溫度數據，其顯示方式為數字連續顯示。存儲晶片支持18個月測量數據存儲與回放。外部接口包括1路RS 485通訊接口、1路Ethernet接口、1路USB接口，易擴展連接設備。

信號處理櫃21的電磁兼容性符合RG 1.180、IEC6100-4系列標準要求；抗震等級滿足抗震I類；防護等級達到IP55。

較佳的，還包括一備用電源(未圖示)，用於向整個監測裝置供電。備用電源採用智能電源管理系統，正常情況下，一方面將動力電220VAC轉換成24VDC直流從而進行供電；另一方面利用動力電220VAC為自身的蓄電池充電，以時刻保持蓄電池為滿電狀態。在動力電喪失的情況下，蓄電池自動切入，保證系統供電不間斷。在正常情況下，至少可提供72h的供電；若嚴重事故條件下降低採樣頻率，則可提供至少7天的供電。

備用電源的額定輸入電壓範圍：100V AC～240V AC；輸入電壓頻率範圍：45Hz～65Hz；額定輸出電壓：24V DC±1％；在失去廠內交流電源供應時，備用電源自動切入，保證系統持續監測運行時間大於72h。

遠程顯示櫃31藉助信號電纜接收信號處理櫃21所輸出的信號，從而進行遠程顯示。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型。總之，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。