CN103714869A - 基于光纤光栅传感的反应堆堆芯温度监测***及方法 - Google Patents

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胡辽林
薛瑞洋
王亚萍
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Abstract

基于光纤光栅传感的反应堆堆芯温度监测***及方法，包括监控中心，监控中心包括光源和光环行器，光环行器通过解调***与电脑连接；光环行器与标准通信光纤连接，标准通信光纤通过连接器与光纤光栅连接，光纤光栅置于堆芯内。其监测方法为，光源发出的光经过光环行器，通过标准通信光纤传进堆芯内，光纤光栅反射回来的光再经过光环行器，通过解调***解调，再经过电脑处理，计算出堆芯温度的变化。本发明通过光纤光栅传感直接测量反应堆堆芯温度，可以做分布式或多点测量，提高了对堆芯温度测量的精准度。

Description

基于光纤光栅传感的反应堆堆芯温度监测***及方法
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，还涉及这种监测***的监测方法。
背景技术
随着核电事业的发展，核辐射对人们生产生活环境产生的影响越来越大。而核反应堆堆芯是反应堆的心脏，装在压力容器中间，由燃料组件构成。核反应堆温度过高，造成燃料棒熔化并发生破损事故,是核电站可能发生的事故中最为严重的事态。因此，对核反堆堆芯温度的监测是至关重要的。
由于核反应堆堆芯温度很高，给测量带来很大的困难。传统的热电偶式和辐射式传感器易受外界电磁场的干扰及测量距离、黑度系数、辐射系数的影响，难以准确测量堆芯的温度，并且测量点很少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，解决现有技术难以对堆芯温度进行准确测量且测量点少的问题。
本发明的第二个目的在于提供上述监测***的监测方法。
本发明的技术方案是，基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，包括监控中心，监控中心包括光源和光环行器，光环行器通过解调***与电脑连接；光环行器与标准通信光纤连接，标准通信光纤通过连接器与光纤光栅连接，光纤光栅置于堆芯内。
本发明还有如下特点：
上述光纤光栅为刻在铜/碳涂覆光纤上的光栅。
上述铜/碳涂覆光纤为常规单模光纤的包层外加碳层和铜层。
上述连接器为FC/PC型连接器。
上述光源为宽带光源。
上述光纤光栅为耐高温光纤光栅。
上述基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***的监测方法，包括监控中心，监控中心包括光源和光环行器，光环行器通过解调***与电脑连接；光环行器与标准通信光纤连接，标准通信光纤通过连接器与光纤光栅连接，光纤光栅置于堆芯内；光源发出的光经过光环行器，通过标准通信光纤传进堆芯内，光纤光栅反射回来的光再经过光环行器，通过解调***解调，再经过电脑处理，计算出堆芯温度的变化。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出的基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，复用方式可采用波分复用，构建一个光纤光栅传感阵列，实现对在高温、高压、高辐射的环境下的多点温度监测，可有效提高堆芯温度的测量准确性。
2、本发明监测方法可通过光纤光栅传感直接测量反应堆堆芯温度，光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格反射波的中心波长的调制来获取传感信息的，属于一种波长调制型光纤传感器，可以做分布式或多点测量，提高了对堆芯温度测量的精准度。
3、本发明测量方法采用光纤光栅传感，不受电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、低损耗、抗辐射性能好，特别适用于极端恶劣环境。另外，传感信息用波长编码，波长参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响，很容易在一根光纤中连续制作多个光栅，通过结合时分复用和波分复用技术，适用于作为分布式传感元件放入材料和结构的内部，对温度实现多点测量。
4、本发明采用耐高温光纤光栅，可以满足核反应堆堆芯内600℃的工作温度，且具有良好的抗辐射性能。
5、本发明测量方法简单，成本低。
附图说明
图1为本发明基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***结构示意图。
图中，1.监控中心，2.光源，3.光环行器，4.解调***，5.电脑，6.光纤光栅，7.连接器，8.标准通信光纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
参见图1，基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，包括监控中心1，监控中心1包括光源2和光环行器3，光环行器3通过解调***4与电脑5连接；光环行器3与标准通信光纤8连接，标准通信光纤8通过连接器7与光纤光栅6连接，光纤光栅6置于堆芯内。
光纤光栅6为刻在铜/碳涂覆光纤的光栅，铜/碳涂覆光纤为常规单模光纤的包层外加碳层和铜层。
连接器7为FC/PC型连接器。
光源2为宽带光源。
光纤光栅6为耐高温光纤光栅。
上述基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***的监测方法，光源2发出的光经过光环行器3，通过标准通信光纤8传进堆芯内，光纤光栅6反射回来的光再经过光环行器3，通过解调***4解调，经过电脑5处理，计算出堆芯温度的变化。
一般情况下，光纤纤芯在刻写光栅的过程中发生折射率的正调制，即折射率变大，表现为中心反射波长在写入过程中缓慢地向长波方向移动。这类光栅为普通光栅，适用面最广，被称为Ⅰ型光纤光栅。然而，普通的光纤光栅传感器在高温下工作时，光栅结构在几个小时甚至几分钟内完全被擦除，这种现象称为光纤光栅的热衰退效应。因此，它们在持续高温测量场合没有使用价值。
Ⅱ型光纤光栅的制备需要能量密度较高的激光，制备过程中存在着对激光的非线性吸收效应，从而导致光纤中的玻璃晶格结构的熔融，产生较大的折射率调制，因此Ⅱ型光纤光栅具备优越的高温稳定性。下表总结了可用于较高温度的光纤：
光纤类型 可承受温度（℃） 每米的价格（＄）
聚酰亚胺涂覆光纤 300 0.7
铝涂覆光纤 450 15
铜/碳涂覆光纤 600 15
多模蓝宝石光纤 2050 1520
用飞秒激光器在多模水晶蓝宝石光纤上用相位掩模的方法制作的Ⅱ型光纤光栅，能够在1500℃的高温环境下正常工作而反射率无明显衰减，其温度灵敏度随着温度的上升而升高，在1200℃附近的温度灵敏度为25pm/℃。但蓝宝石光纤是多模光纤，连接损耗较大，价格较贵，且不能做分布式测量。常规的涂覆或护套在高温情况下会熔化，影响光纤的机械性能,所以不适用于核电站设备的监测。铜/碳涂覆可以承受较高的温度，且铜具有很好的抗辐射性，用逐点写入法在铜/碳涂覆光纤制作的光栅，可以满足核电站设备600℃以下的工作温度。综合考虑，选用在铜/碳涂覆光纤上制作光栅。
用飞秒激光器在铜/碳涂覆光纤上刻写的光栅，采用波分复用的方式构建成一个光纤光栅传感阵列，通过FC/PC型连接器与标准通信光纤连接，并将光纤光栅阵列置于堆芯内。如图1所示，光源发出的光经过光环行器，通过标准通信光纤传进铜/碳涂覆光纤上的光纤光栅中，如果堆芯的温度有变化，将造成铜/碳涂覆光纤上的光栅的中心波长的漂移，光纤光栅反射回来的光经过光环行器到达温度监控中心，通过解调***解调，再经过电脑处理，可以计算出温度的变化量。
光纤光栅周围温度场的变化对光纤纤芯的有效折射率neff和光栅周期（栅距）Λ均有影响，由光纤光栅方程
λB＝2neffΛ    （1）
得光栅所处环境温度变化时，将导致反射波长λB的漂移。
设温度变化为ΔT，与之相对应的FBG中心波长的变化可由式（2）给出，即
ΔλBT＝λB(1+ξ)ΔT    （2）
式中，ξ是光纤的热光系数。
当核反应堆堆芯温度变化时，经解调***和电脑处理可得布拉格反射波长的漂移量ΔλBT，即可计算温度的变化。

Claims (10)

1.基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，其特征在于：包括监控中心（1），监控中心（1）包括光源（2）和光环行器（3），光环行器（3）通过解调***（4）与电脑（5）连接；光环行器（3）与标准通信光纤（8）连接，标准通信光纤（8）通过连接器（7）与光纤光栅（6）连接，光纤光栅（6）置于堆芯内。 
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，其特征在于：所述光纤光栅（6）为刻在铜/碳涂覆光纤上的光纤光栅。 
3.如权利要求2所述的基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，其特征在于：所述铜/碳涂覆光纤为常规单模光纤的包层外加碳层和铜层。 
4.如权利要求1-3任一项所述的基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，其特征在于：所述连接器（7）为FC/PC型连接器。 
5.如权利要求1-3任一项所述的基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，其特征在于：所述光源（2）为宽带光源。 
6.如权利要求1-3任一项所述的基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***，其特征在于：所述光纤光栅（6）为耐高温光纤光栅。 
7.基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***的监测方法，其特征在于：包括监控中心（1），监控中心（1）包括光源（2） 和光环行器（3），光环行器（3）通过解调***（4）与电脑（5）连接；光环行器（3）与标准通信光纤（8）连接，标准通信光纤（8）通过连接器（7）与光纤光栅（6）连接，光纤光栅（6）置于堆芯内；光源（2）发出的光经过光环行器（3），通过标准通信光纤（8）传进堆芯内，光纤光栅（6）反射回来的光再经过光环行器（3），通过解调***（4）解调，再经过电脑（5）处理，计算出堆芯温度的变化。 
8.如权利要求7所述的基于光纤光栅传感器的反应堆堆芯温度监测***的监测方法，其特征在于：所述光纤光栅（6）为刻在铜/碳涂覆光纤上的光纤光栅。 
9.如权利要求8所述的基于光纤光栅传感的核反应堆堆芯温度监测***的监测方法，其特征在于：所述铜/碳涂覆光纤为常规单模光纤的包层外加碳层和铜层。 
10.如权利要求7-9任一项所述的基于光纤光栅传感的核反应堆堆芯温度监测***的监测方法，其特征在于：所述连接器（7）为FC/PC型连接器。 
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