一种核电站乏燃料水池监测装置的制作方法

本实用新型涉及核安全技术领域，特别涉及一种核电站乏燃料水池监测装置。

背景技术：

目前核电站大都建有贮存乏燃料水池，在反应堆的一个运行周期结束以后，就会将堆中约1/3堆芯的乏燃料组件卸到乏燃料水池中进行冷却。刚卸出的乏燃料组件有着较高的衰变热，在水池中冷却多年以后，衰变热降到足够低才可以将其运到后处理厂或永久贮存场。为保证乏燃料的正常冷却，乏池内的水必须是充足的。2011年3月，日本发生福岛核事故。根据反馈，福岛核电站超设计基准事故后乏燃料水池丧失正常冷却，乏燃料水池内的衰变热依靠池水的蒸发、沸腾带走，从而导致水池液位的快速下降。另外水池衬里以及与水池相连的管线也可能发生破口而导致水池液位的下降，由于乏池内无抗震功能的水位水温监测装置，其水位严重下降却不知，由此导致乏燃料厂房的核爆炸。因此，对乏燃料水池中的水位和温度进行实施监测是必需的。

公开号为CN204064399U一种分体式超声波物位计，由分体式超声波物位计主机和超声波探头构成，分体式超声波物位计主机与超声波探头之间采用数字方式进行信号通信，超声波探头内部包含有驱动超声波换能器工作的发射驱动电子单元、用于接收回波信号的回波信号处理电子单元及控制两个单元工作的单片机，超声波探头内部的超声波换能器为收发合一的单换能器。如图1所示，安装于测量罐内的超声波探头里含有单片机、驱动单元及信号接收单元等集成电路和运放等器件，此类电子元器件对核辐射极为敏感，一般仅能承受最大100Gy的辐射累积剂量，而核电乏燃料水池上部核辐射在极端条件下可达到近500KGy，现场安装后该导波雷达物位计测量系统很快就会失效。另外，该专利还存在以下缺陷：

1、超声波是机械波，因声波要靠振动发声，环境压力大时发声部件受影响；且其传播速度与传播媒介的状态密切相关，故受影响的条件(温度、压力等)较多；

2、超声波频率一般为几万赫兹，故其穿透能力差，在信号传输过程中，衰减较大，微弱的回波信号通过较长的信号电缆时会产生较大的衰减，使信号接收处理系统对其放大识别比较困难；

3、超声波回波信号容易受到外界电磁干扰而掺杂过大的噪声，外界强的电磁干扰噪声也可能淹没微弱的回波信号，造成回波的无法识别或将噪声放大，形成错误的测量值；

4、超声波液位计不能应用于真空、蒸汽含量过高或液面有泡沫等工况。

另外，公开号为CN204101129U导波雷达物位计系统是一种用于确定容纳在罐中的物品的填充物位的导波雷达物位计系统，该系统包括：罐，其具有内壁、顶部和底部；收发器，用于发射电磁发射信号并接收在物品的表面处反射的反射电磁信号；表面波导，其包括单导体传输线探针，表面波导连接至收发器、被布置成竖直延伸到罐中并且被配置成朝向表面导引电磁发射信号并将反射电磁信号导引回到收发器；处理电路，其连接至收发器并被配置成基于所接收的反射电磁信号确定填充物位；以及多个保持元件，其被布置成位于关于罐的内部的固定位置中并沿探针间隔开，其中，保持元件中的每个限定探针，并且被配置成允许探针相对于该保持元件在竖直方向上移动以及限制探针相对于该保持元件在水平方向上移动。

如图2所示，同样在被测量罐的顶部含有微处理器、发送器/接收器等集成电路器件，此类电子元器件对核辐射极为敏感，一般仅能承受最大100Gy的辐射累积剂量，而核电乏燃料水池上部核辐射在极端条件下可达到近500KGy，现场安装后该导波雷达物位计测量系统很快就会失效。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于，提供一种核电站乏燃料水池监测装置，包括液位测量模块和温度测量模块，以及分别与二者电连接的信号处理器。所述液位测量模块位于核电站乏燃料水池区域内，包括：导波头，通过一安装支架固定于核电站乏燃料水池液面上方；于导波头下方电连接的导波缆，其向下延伸的一端装配一重锤，于导波头上端通过同轴电缆延伸至远端信号处理器；

所述温度测量模块位于核电站乏燃料水池区域内，包括：于所述安装支架固定的铠装缆，铠装缆向下延伸电连接固定于所述重锤处的温度探测器；所述铠装缆上端延伸至信号处理器；

所述信号处理器设于核电站乏燃料水池区域外的机柜内，至少包含：导波头液位信号处理器、温度变送器、存储装置和显示装置。

由上，核电站乏燃料水池监测装置现场测量部分安装于乏燃料水池内部，通过远程变送的测量方式，使对核辐射敏感的电子部件不再受到辐射干扰；监测装置实时获取乏燃料水池内的液位以及温度状态，对可能出现的风险进行及时报警，从而杜绝安全隐患。

可选的，所述重锤上部设有第一缓冲装置，其环绕所述重锤向外延伸呈伞型结构。

可选的，所述向外延伸出的边缘卷边设置。

由上，通过增加有效截面积，以增加下落阻力，降低下落加速度，从而实现降低发生碰撞的瞬时速度。

可选的，所述重锤下部设有第二缓冲装置，包括：设于重锤底部，沿重锤圆周设置的多个底边为导角的弹簧垫片。

由上，相比于一体设置的垫片，单个垫片所组成圆周，在重锤与底板接触时刻，可以依接触位置受力，从而进一步增加接触时间。

可选的，所述安装支架一端设有一与核电站乏燃料水池侧壁厚度相匹配的凹槽，用于卡和核电站乏燃料水池侧壁；另一端包括一平台，所述导波头通过法兰盘固定于所述平台上。

由上，通过所述安装支架实现对于液位测量模块及温度测量模块的固定，以实现导波缆和温度测量元件对乏燃料水池内液位、温度的测量、而无须在乏燃料水池内壁打孔安装，保证了乏燃料水池内壁的完整性。

可选的，所述导波头固定于所述法兰盘上，其外围设置一防尘防水壳体，所述防尘防水壳体与导波头固定，借助于法兰盘固定于所述平台上。

由上，壳体实现对于导波头及电连接器的保护。

可选的，所述导波缆和所述铠装缆设于同一平面内，导波缆通过螺纹连接固定于导波头上，铠装缆通过卡帽固定于所述法兰盘。

当电磁波传输空间的横截面全部被结晶的硼覆盖后，会产生电磁波的极低虚假回波信号，而仅有部分硼结晶附着在部分线缆上则不会影响雷达液位回波，即不会产生液位虚假信号。因此，采用三根电缆设于同一平面内，相比于单根缆，可以更有效地避免虚假回波信号的产生。

可选的，在所述导波头与所述射频同轴电缆之间，还包括双通射频头和L型连接弯头。

由上，不仅大大减少了现场安装空间，而且避免了蒸汽凝露易进入连接部件，引起短路的风险。

可选的，所述液位测量模块的绝缘材料均为聚醚醚酮。

可选的，所述铠装缆内的绝缘材料包括纯度不低于99.5％的氧化铝或纯度不低于99.4％的氧化镁。

由上，可以实现所述位于乏燃料厂房内的水池外的所有部件可耐受500KGy的核辐射剂量，位于水池内的部件可耐受1000KGy的核辐射剂量。

附图说明

图1为现有技术分体式超声波物位计的原理示意图；

图2为现有技术导波雷达物位计系统的原理示意图；

图3为本实用新型核电站乏燃料水池监测装置的电气原理示意图；

图4为本实用新型核电站乏燃料水池监测装置的安装结构示意图；

图5(A)为现有技术导波头与同轴电缆的连接示意图；

图5(B)为本实用新型导波头与同轴电缆的连接示意图；

图6为本实用新型核电站乏燃料水池监测装置中安装支架的结构示意图；

图7为本实用新型核电站乏燃料水池监测装置中缓冲装置的结构示意图。

具体实施方式

为克服现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种核电站乏燃料水池监测装置，安装于乏燃料水池内部，通过远程变送的测量方式，获取乏燃料水池内的液位以及温度状态，对可能出现的风险进行及时报警，以杜绝安全隐患。

如图3所示为核电站乏燃料水池监测装置的电气原理示意图，包括液位测量模块11和温度测量模块12，以及分别与二者电连接的信号处理柜21，还包括与所述信号处理柜21连接的远程显示柜31。

所述液位测量模块11用于检测乏燃料水池的液位深度。如图4所示，所述液位测量模块11包括导波头103、导波缆108和重锤109，所述重锤109用于保持导波缆108垂直。还包括远端的液位信号处理器(未图示)，所述液位信号处理器通过长距离耐核辐射同轴电缆与所述导波头103电连接，设于信号处理柜21中。

液位测量模块11的工作原理为：液位信号处理器控制发射频率为200M的电磁波信号，该信号经长距离耐核辐射同轴电缆传输，经导波头103沿导波缆108表面与两侧温度线缆构成的空间传播，该信号遇到空气与水交界面时，产生一反射信号，该反射信号通过导波缆108接收并传播，最终被导波头103所接收。再通过所述长距离耐辐照的同轴电缆将所采集到的反射信号输出至液位信号处理器，由液位信号处理器将反射信号转换成4～20mA的液位信号进行本地显示并远传至远程显示柜31。

本实施例中，液位测量模块11内部各部件绝缘材料均为聚醚醚酮树脂(PEEK)，该绝缘绝缘材料是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有更多显著优势，耐正高温260度、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、抗辐射。

所述同轴电缆为可耐受500KGy辐射的低衰减射频同轴电缆，最远传输距离为80m，同时该同轴电缆可在100℃、100％RH的高温水蒸气条件下正常工作。进一步的，如图5(B)所示，本实施例中，在双通射频头与所述同轴电缆之间设有L型连接弯头，所述双通射频头及L型连接弯头上设有的聚醚醚酮树脂绝缘材料以及硅橡胶的密封材料，可耐受500KGy辐照剂量。相比于图5(A)所示的现有技术，上述方案可以避免辐射损坏和短路的风险。具体分析如下：

目前工业中用的双通射频头内绝缘材料均不能耐受大剂量辐射，且其中一端直接连接同轴电缆，以致在高温高湿的条件下，蒸汽凝露会沿着同轴电缆流入双通射频头内，容易引起设备短路。本实施例技术方案，不仅增强了部件的耐辐照性能，而且由于L弯头的存在，避免了蒸汽凝露易进入连接部件，引起短路的风险。

本实施例中，所述导波缆108的材质为316L不锈钢，其耐腐蚀性能、耐氧化性能、耐海洋和侵蚀性大气的侵蚀能力强，耐辐射性能优异，具有良好的耐热性和焊接性。导波缆108可测液位深度达8.5m，覆盖乏燃料水池的满水位至乏燃料裸露水位，具有精度高、抗震性能好，耐辐照能力强等优点。

所述温度测量模块12用于检测乏燃料水池内的温度。如图4所示，所述温度测量模块12包括温度探测器(未图示)、铠装缆107和温度变送器(未图示)。所述温度探头为铠装铂电阻温度探测器(RTD，Resistance Temperature Detector)，设于所述重锤109处，通过铠装缆107将温度探测器所采集到的温度数据输出至温度变送器，所述铠装缆107直接延伸到80m外信号处理柜21中的温度变送器连接。经过温度变送器稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信号输出至远程显示柜31。所述温度变送器与信号处理柜21为集成式设置。

本实施例中，铠装缆107的绝缘材料为陶瓷材料，耐辐照及高温性能优异。本实施例中，陶瓷材料采用纯度不低于99.5％的氧化铝或纯度不低于99.4％的氧化镁，高纯氧化镁在高温下具有优良的电绝缘性，热膨胀系数和导热率高。

温度测量模块12可测0～120℃，精度±1.5℃；稳定性高，抗震性能好，耐辐照总剂量>1MGy。

本实施例中，所述导波缆108和铠装缆107设于同一平面内，采用一根导波缆108及两根铠装缆107，这样做的目的在于避免乏燃料水池内硼结晶产生对于液位测量的精度影响。其原因在于：当电磁波传输空间的横截面全部被结晶的硼覆盖后，会产生电磁波的极低虚假回波信号。而仅有部分硼结晶附着在部分线缆上则不会影响雷达液位回波，即不会产生液位虚假信号。因此，采用三根电缆设于同一平面内，相比于单根缆，可以更有效地避免虚假回波信号的产生。

如图4所示，本实施例中，所述液位测量模块11和温度测量模块12设于核电站乏燃料水池内部，通过固定件进行固定。具体固定结构如下：通过如图6所示的一安装支架101将液位测量模块11和温度测量模块12固定于核电站乏燃料水池上部。所述安装支架101有一与核电站乏燃料水池池壁厚度相匹配的凹槽，安装支架101通过该凹槽卡于水池池壁，并通过长螺栓加固，安装支架101材质为316L不锈钢，对乏燃料厂房严重事故条件下的大剂量辐射不敏感，且通过抗震I级鉴定。该安装支架101在朝向水池一侧还包括一平台，所述导波头103通过螺纹固定于法兰盘104上，在导波头103外部，还设有一防水壳体102，以对导波头103及电气连接件进行保护。所述防水壳体102固定于导波头103处。在所述平台和法兰盘104的对应位置设置有通孔，导波缆108和铠装缆107通过该通孔延伸至核电站乏燃料水池液体内部，所述导波缆108通过螺纹连接固定于导波头上，温度铠装缆107通过卡帽106固定于法兰盘104上。

在所述导波缆108和铠装缆107的底部，通过重锤109保持线缆的垂直。在所述重锤109处，还设有一缓冲装置110。如图7所示为缓冲装置110的结构示意图，包括分别设于重锤109顶部和底部，通过压入铆钉603进行固定的第一、第二缓冲件。所述第一缓冲件601为扩口面结构，包括伞型结构或喇叭口型结构。第二缓冲件602为沿重锤109圆周设置的多个弹簧垫片，所述弹簧片的底边全部为导角，无棱角或毛刺。

若因意外出现导波缆108和铠装缆107断裂情况，根据力学公式F*t＝m*v(式中F表示重力作用力，t表示发生碰撞的接触时间，m表示质量，v表示发生碰撞的瞬时速度)，第一缓冲件的主要作用为：降低发生碰撞的瞬时速度v：在重锤上部设一扩口面结构，以增加有效截面积，以增加下落阻力，降低下落加速度，从而实现降低发生碰撞的瞬时速度v。第二缓冲件的主要作用为：增加发生碰撞的接触时间t：即在重锤109底部加装弹簧垫片，延长重锤109下降触底的作用时间，即降低接触时的冲击力/撞击力。

利用仿真软件对缓冲装置110的建模分析结果表明，在不考虑水阻力的情况下，重锤109在跌落过程中碰撞区域应力超过其底部第二缓冲件中弹簧垫片的屈服强度，弹簧垫片对冲击力起到缓冲效果；重锤109弹起后，底面有塑性变形与残余应力，但已变小，远未达到材料的抗拉强度，不会导致底板破坏。重锤109顶部第一缓冲件增加的阻力，会进一步减小冲击力，减少重锤109与底板的接触应力，更不会导致底板破坏。

进一步的，在所述法兰盘104处还固定一吊环105，通过机械手臂(未图示)作用于吊环105，以实现调整安装支架101的位置或定期检修时提起测量装置的作用。

信号处理柜21分别与液位测量模块11和温度测量模块12电连接，用于将所接收的液位信号和温度信号进行转换处理，进行本地显示、报警，并输出4-20mA标准模拟量。信号处理柜21安装于乏燃料水池厂房区域外侧楼梯间处的电气箱，通过螺栓固定在厂房墙壁上，其结构满足抗震I类鉴定要求。由此，可以避免乏燃料水池内高达500KGy的核辐射，保证监测安全。

即，所述信号处理柜21包括依次连接的主控芯片，以及分别与其连接的报警电路、显示电路、存储芯片和外部接口。所述主控芯片用于将液位测量模块11和/或温度测量模块12输出的4-20mA标准模拟量电流转换为相应的温度值或液位值输出；报警电路用于依据预设的液位、温度报警阈值进行报警，当所述主控芯片识别出的液位或温度到达报警阈值时，便触发报警，本实施例中，采用7路SPDT48VDC/220AC继电器输出，其中4路用于乏燃料水池液位报警信号，3路用于乏燃料水池温度报警信号。显示电路用于显示主控芯片输出的液位或温度数据，其显示方式为数字连续显示。存储芯片支持18个月测量数据存储与回放。外部接口包括1路RS 485通讯接口、1路Ethernet接口、1路USB接口，易扩展连接设备。

信号处理柜21的电磁兼容性符合RG 1.180、IEC6100-4系列标准要求；抗震等级满足抗震I类；防护等级达到IP55。

较佳的，还包括一备用电源(未图示)，用于向整个监测装置供电。备用电源采用智能电源管理系统，正常情况下，一方面将动力电220VAC转换成24VDC直流从而进行供电；另一方面利用动力电220VAC为自身的蓄电池充电，以时刻保持蓄电池为满电状态。在动力电丧失的情况下，蓄电池自动切入，保证系统供电不间断。在正常情况下，至少可提供72h的供电；若严重事故条件下降低采样频率，则可提供至少7天的供电。

备用电源的额定输入电压范围：100V AC～240V AC；输入电压频率范围：45Hz～65Hz；额定输出电压：24V DC±1％；在失去厂内交流电源供应时，备用电源自动切入，保证系统持续监测运行时间大于72h。

远程显示柜31借助信号电缆接收信号处理柜21所输出的信号，从而进行远程显示。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型。总之，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。