一种反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统的制作方法

本发明涉及反应堆及研究堆堆芯燃料元件运行行为参数测量领域，具体涉及一种反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统。

背景技术：

1、燃料元件是反应堆堆芯的核心部件，其性能与核动力装置的安全可靠性、寿期和安全性能密切相关。核燃料在反应堆运行过程中会发生链式裂变反应，裂变产物会对燃料以及包壳造成一定的影响，其中核燃料元件在辐照过程中产生的大量裂变气体，会造成燃料元件发生一定程度的肿胀。肿胀会随燃耗增加而增大，导致燃料与包壳之间的相互作用将变得更为强烈，燃料元件在堆内的运行危险性将上升。鉴于此，针对核燃料在堆内的裂变气体释放压力进行监测具有极其重要的意义及价值。

2、裂变气体的测量分为裂变气体压力测量以及裂变气体成分测量。针对裂变气体释放压力的测量可以采用背压法以及位移法。背压法主要使通过压力反冲来平衡裂变气体压力。在装置中采用了一个双级波纹管，当裂变气体压力增加时，波纹管中间的轴将会发生移动，推动电检测装置中的导电块运动。通过调节反冲气体的压力，在该压力与气体压力接近时，导电块与电接触块相连而使得电路连通。进而可以测量气体压力，不过该方法的劣势在于其响应时间相对较长。

3、另外一种有效测量气体压力的方法为采用lvdt结合波纹管进行测量。波纹管的上端是被固定的，且在波纹管中密封有一定压力的气体。燃料芯块释放的气体被端塞内的密封腔收集，随着气体释放压力的增加，波纹管会被进一步的压缩。波纹管的下端与lvdt的铁芯相连，随着波纹管被压缩，铁芯将会上移，从而在lvdt中产生感应信号而得到波纹管的伸缩量。依据波纹管的弹性特性以及其伸缩量可以得到波纹管内部气体的压力。同时，由于波纹管压缩，波纹管内部气体的压力将上升，根据体积变化可以推算得到内部气体的压力。结合波纹管的弹力以及内部气体的压力可以得到裂变气体的压力。

4、裂变气体成分的分析，常规的手段为采样法。为了便于将产生的气体携带出堆外，在系统中必须设置混气系统，混气系统中通以ne以及he，并且需要严格控制气体温度以使得流量精确控制。外加气体进入堆内的辐照装置并将产生的裂变气体带出堆外，经过颗粒物过滤等净化系统，从而进入检测装置。直接采样法的不足之处在于需要布置专门的混气系统，并且会产生大量废气。采用声波测量法，可以实现裂变气体在堆内的直接检测。该方法基于高频回波技术，主要利用声音传感器描记回波的形状，从而检测声波在气体中的回波速率以及回波的衰减程度。声波的速度依赖于裂变气体的成分，而声波的衰减程度与气体压力密切相关。通过检测回波的速率和衰减程度达到同时测量裂变气体成分以及压力的目的。

5、综上，现有核反应堆堆芯高温、高压、强核辐射恶劣工况下，燃料元件裂变气体释放压力测量手段与方法的不足，存在反应堆内恶劣工况下燃料芯块释放裂变气体压力测量手段受限、方法不足的工程技术难题。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，目的在于提供一种反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统，通过采用位移传感器结合波纹管进行测量，从而能解决现存的反应堆燃料裂变气体压力难以在线测量的问题，能够提高反应堆运行经济性、安全性，同时可为研究堆新燃料研发验证提供技术支持。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统，包括裂变气体释放压力测量机构、位移信号及数据处理系统和气体调节系统；

4、所述裂变气体释放压力测量机构包括位于反应堆压力容器内部的气体压力测量段，所述气体压力测量段位于反应堆压力容器堆芯活性区内；

5、所述气体压力测量段包括外套管，所述外套管下端和燃料包壳固定；所述外套管内侧一端到另一端方向依次固定有承压套管和线性位移传感器；所述承压套管朝向燃料包壳的一端开口，并和燃料芯块连通；

6、所述承压套管内固定有波纹管，所述波纹管两端的承压套管内分别带有调节气室和测量气室，所述波纹管朝向测量气室的一端开口，所述燃料芯块依次通过承压套管一端开口、测量气室、波纹管一端开口和波纹管内部连通；

7、所述波纹管另一端固定有导磁铁芯杆，所述导磁铁芯杆穿出承压套管另一端，并伸入到线性位移传感器绕线骨架内腔，所述导磁铁芯杆的导磁段中心置于线性位移传感器绕线骨架内腔轴向中心；

8、所述线性位移传感器的信号线缆穿出反应堆压力容器，并通过信号调理器和所述位移信号及数据处理系统连接；

9、所述气体调节系统用于向所述调节气室和测量气室输送惰性气体，并调节所述调节气室和测量气室的内部气压。

10、相对于现有技术中，现有核反应堆堆芯高温、高压、强核辐射恶劣工况下，燃料元件裂变气体释放压力测量手段与方法的不足的问题，本发明提供了一种耐高温、抗辐照反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统，适用于反应堆内恶劣工况，在线测量燃料元件裂变气体释放压力以评估燃料元件的健康状况，具备良好的实用性、先进性和广阔市场前景。具体方案中，波纹管一端开口，而另一端封闭，在波纹管一端带有测量气室，并和燃料芯块连通，燃料芯块产生的裂变气体会进入到测量气室内并推动波纹管另一端进行伸缩，从而带动导磁铁芯杆同步位移；波纹管另一端设置有调节气室，通过气体调节装置向调节气室内充入惰性气体，从而推动波纹管另一端进行伸缩，并带动导磁铁芯杆同步位移；故随着测量气室内裂变气体的增加，动态调节惰性气体的充入量，并保持波纹管的位移平衡，从而通过充入的惰性气体压力计算得到裂变气体释放压力p；另外，本装置结合位移信号测量波纹管位移，配合气体动态调节，保持波纹管保持在灵敏弹性限度内，提高测量精度。其中，核燃料芯块与裂变气体释放压力测量机构耦合安装于燃料组件内，裂变气体释放压力测量机构通过铠装信号线缆与气管分别连接至信号调理器和调气系统，信号调理器连接屏蔽信号线缆穿过安全壳贯穿件到达多通道数据处理及控制单元最终连接至上位监控分析系统；气管穿过安全壳贯穿件连接气体调节系统，进一步连接测控系统经通信线缆至上位监控分析系统进行气体调节控制调节及采集参数处理。

11、更进一步的方案，所述裂变气体释放压力测量机构还包括保护管、密封法兰和铠装线缆密封头，所述密封法兰设置于所述反应堆压力容器顶部出口处；所述外套管上端和所述保护管下端连接，所述保护管上端和所述密封法兰连接；所述线性位移传感器的信号线缆和气体调节系统的气管均通过保护管穿出所述密封法兰；所述铠装线缆密封头用于密封穿出所述密封法兰的铠装信号线缆。

12、更进一步的方案，还包括安全壳贯穿件，所述信号调理器通过屏蔽信号线缆和所述位移信号及数据处理系统连接，所述屏蔽信号线缆和所述气管均穿过所述安全壳贯穿件。

13、更进一步的方案，还包括用于密封所述波纹管另一端的波纹管封头，所述波纹管封头处固定有连接棒；所述承压套管另一端还开有和所述连接棒直径相适配的柱槽，所述连接棒远离所述波纹管的一端滑动伸入所述柱槽内，所述导磁铁芯杆设置于所述连接棒伸入所述柱槽的端部上。

14、更进一步的方案，所述波纹管一端通过固定支撑环焊接密封固定于所述承压套管内。

15、更进一步的方案，所述外套管另一端设有用于封闭自身端部的盖板，所述外套管内侧还设有用于固定所述线性位移传感器的固定支撑块；

16、所述气体调节系统的气管依次穿过盖板、固定支撑块和承压套管，并和所述承压套管内部连通。

17、更进一步的方案，所述气体调节装置包括用于分别向调节气室和测量气室输送惰性气体的高压气源瓶、用于和调节气室排气出口连接的尾气罐以及用于和测量气室排气出口连接的收集罐；其中尾气罐用于和高压气源瓶相互配合，动态调节调节气室内的气压；收集罐用于收集裂变气体，可转运进行成分分析。

18、更进一步的方案，所述高压气源瓶的输出端连接有气源缓冲罐，所述高压气源瓶通过所述气源缓冲罐向所述调节气室和测量气室输送惰性气体；所述高压气源瓶和气源缓冲罐之间设置有减压阀；其中，将高压气源瓶通过不锈钢金属管路连接至减压阀，通过减压阀可将气体压力减压至需要的气压；减压阀通过不锈钢金属管路连接气源缓冲罐，可向气源缓冲罐内充入减压后的气体。

19、更进一步的方案，所述气源缓冲罐的输出端处依次设置有第一电动阀和第一气体质量流量计；所述第一气体质量流量计的输出端和所述调节气室之间设有第二电动阀；所述第一气体质量流量计的输出端和所述测量气室之间设有第三电动阀。

20、更进一步的方案，所述测量气室排气出口和所述收集罐之间设有第四电动阀；所述调节气室排气出口和所述尾气罐之间依次设有第五电动阀和第二气体质量流量计。

21、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

22、1.本发明提供了一种耐高温、抗辐照反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统，气体释放压力测量机构采用、波纹管(伸缩管)、承压套管、线性可变差压传感器(lvdt)构成。在气体压力在线测量中，释放的裂变气体包容在波纹管内，裂变气体压力转化为波纹管伸长后的内外压差与调节气压力之和，机构中的波纹管的伸长量通过线性可变差压传感器(lvdt)进行检测，可实现不直接接触高放射性裂变气体的情况下，通过采集线性可变差压传感器电信号得到裂变气体压力。

23、2.本发明提供了一种反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统，设置气体调节系统，与波纹管，承压套管构成调节气室，在裂变气体释放至一定高压时，波纹管压缩量接近弹性限度限值，可通过气体调节系统，增加调节气室压力，减小波纹管内外两侧的受力，从而保证波纹管始终有效工作在可压缩范围内可保障波纹管在伸缩弹性限度范围内增加装置对裂变气体的检测范围与精度，大幅度缩小波纹管体积，符合堆内狭小空间安装运用场景。该测量机构中同时设置调节气压以及波纹管的目的还在于提高对高压气体测量的响应速度，不需要频繁改变调节气压力来适应裂变气体压力，压力的小范围波动可以通过波纹管的伸缩量实时监测并显示，从而提高了测量机构裂变气体压力变化的响应速度和反应灵敏度。

24、3.本发明提供了一种反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统，气体压力测量机构可实现线性可变差压传感器线圈保护以及防止裂变气体泄露的效果，将导磁铁芯置于铅、钨等非导磁材料的承压套管内，将铁芯与线圈隔离。考虑到裂变过程产生的高放射性，由于裂变气体气室外壳以及调节气体气室外壳的存在，放射性粒子和射线将被多数限定在裂变气体气室以及调节气体气室内，从而减弱放射性对线性可变差压传感器的不利影响。同时，基于非正常情况，一旦波纹管破裂，波纹管内外两侧压力将相等，此时，线性可变差压传感器将无输出信号。同时裂变气体将被限包容在两个气室中，而不会泄漏至反应堆内部，并且考虑到非正常情况下裂变气体的排出，调节气室一侧还与尾气储存装置相连。

25、4.本发明提供了一种反应堆燃料元件裂变气体释放压力在线测量系统，气体调节系统通过位移信号及数据处理系统采集线性位移传感器位移量，气体压力变送器测量反馈压力，流量计测量反馈流量，并通过控制机柜内控制器控制主气路控制器、调节进气控制器、调节出气控制器驱动调节进气电动阀、调节出气电动阀开度，可实现调压气室与测量气室内气体压力自动平衡调节，提高裂变气体压力在线测量精度。

26、5.本发明提供的气体压力测量装置适用于研究堆及核电反应堆堆芯燃料元件裂变气体释放压力在线测量，各部件均能满足耐高温、高压及抗核辐射等优点。