CN108511094A - 一种用于监测反应堆堆芯液位和空泡的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于监测反应堆堆芯液位和空泡的装置和方法，至少包括：并行连接到电磁波信号收发器的两个同轴导波雷达探头，所述同轴导波雷达探头包括导波杆和同轴套管；一个同轴导波雷达探头仅底部开口从而监测堆芯的真实液位H l ，并且另外的同轴导波雷达探头的同轴套管管壁开孔从而监测堆芯的混合液位H m ，由监测的真实液位H l 和混合液位H m 得到堆芯空泡份额。。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监测液位和空泡的技术，并且更具体地涉及一种用于监测反应堆堆芯液位和空泡的装置和方法。
背景技术
美国三里岛事故表明，在反应堆失水而引起事故的工况下，单纯的稳压器水位难以表征回路水装量及压力容器内液位状态，必须直接获取堆芯液位信息以辅助操作员判断堆芯失水情况并准确选择事故处理规程。
现有反应堆堆型中，普遍配备了用于压力容器液位监测的仪表***，并且提出了多种压力容器内液位测量的方法，其中的压差法[1]和温差法[2]是最为常见的两种方法。差压法是通过测量压力容器底部和顶部的压差来计算液位高度。压差式液位测量***至少需要配置3台压力变送器及多条引压管路，***结构相当复杂。实际应用的液位高度计算中，必须在***投入使用之前先反复校验调试以获取校准参数，而且还需要准确获取其它外部参数信息，例如反应堆厂房的压力、温度等等。总之，差压式液位测量受到诸多因素的影响，包括主泵运转状态、堆内冷却剂温度和安全壳内环境条件等等，并且测量不准确性较大。此外，差压法测量需要在压力容器底部开孔取压，存在引发堆芯冷却剂泄漏的危险，这明显不符合先进反应堆的设计理念及要求。温差法是根据金属体在汽（气）相和液相中换热能力的不同来判别汽（气）/液相进而监测关键点液位。温差式液位测量方法中的热传递（升温）需要一定的时间，即对液位变化的响应时间较长，而且关键部件电加热器在高压强辐照环境下存在使用寿命缩短的缺点。此外，温差式液位探测器只针对单个液位监测点，不能监测连续液位，而且在堆芯处于汽液两相流动的事故条件下，探测器可能失去作用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种用于监测堆芯液位和空泡的装置和方法，该装置和方法无需在反应堆压力容器底部开孔、结构简单、性能可靠、无需现场调试校验、能够在反应堆启停工况及事故工况下同时获取堆芯连续液位和空泡信息，并且还能够快速响应堆芯液位的变化，为操作员提供及时准确的信息。
根据本发明的一个方面，一种用于监测反应堆堆芯液位和空泡的装置，至少包括：电磁波信号收发器；并行布置的两个同轴导波雷达探头，其顶部与所述电磁波信号收发器连接，从而共用所述电磁波信号收发器，并且所述同轴导波雷达探头包括导波杆和同轴套管，其中一个同轴导波雷达探头仅底部开口从而监测堆芯的真实液位，并且另外的同轴导波雷达探头的同轴套管管壁开孔从而监测堆芯的混合液位。
根据本发明的另一方面，一种用于监测反应堆堆芯液位和空泡的方法，至少包括：使两个同轴导波雷达探头并行连接到电磁波信号收发器，所述同轴导波雷达探头包括导波杆和同轴套管；由所述两个同轴导波雷达探头中的第一同轴导波雷达探头监测堆芯的真实液位H l ，所述第一同轴导波雷达探头仅底部开口从而使同轴套管内的冷却剂为液相；由所述两个同轴导波雷达探头中的另外的第二同轴导波雷达探头监测堆芯的混合液位H m ，所述第二同轴导波雷达探头的同轴套管的管壁开孔从而使同轴套管内外的冷却剂流体连通；由堆芯的真实液位H l 和混合液位H m 得到堆芯空泡份额。
附图说明
图1是根据本发明的用于监测反应堆堆芯液位和空泡的装置的结构示意图；其中：1-信号变送器，2-电磁波信号收发器，3-安装支架，4-固定支架，5-第一同轴导波雷达探头，6-第二同轴导波雷达探头，7-同轴套管，8-导波杆，9-开孔。
具体实施方式
下面结合附图来详细地说明本发明。作为示例但并非限制，图1中所示的用于监测反应堆堆芯液位和空泡的装置包括两个同轴导波雷达探头5，6，该两个同轴导波雷达探头5，6优选地是等长的并且并行布置。所述同轴导波雷达探头5，6包括导波杆8和与导波杆8同轴的同轴套管7。同轴导波雷达探头5，6的导波杆8和同轴套管7形成类似于同轴传输线的电磁波传输结构。两个同轴导波雷达探头5，6的顶部连接电磁波信号收发器2，该电磁波信号收发器2可以发射和接收电磁波信号。电磁波信号收发器2的顶部连接有信号变送器1，信号变送器1和电磁波信号收发器2可采用一体化设计，布置在压力容器上封头外侧。两个同轴导波雷达探头5，6可共用电磁波信号收发器和信号变送器。根据如下原理来监测堆芯液位信息：当电磁波信号收发器2发射的电磁波在同轴导波雷达探头5，6中传输到达冷却剂液面时，电磁波的一部分会被冷却剂液面反射而反向传输回到信号收发器2，并且被信号收发器2接收，信号变送器1根据电磁波信号收发器2发射和接收到电磁波的时间差来得到堆芯液位信息。
图1中并行布置的两个同轴导波雷达探头5，6结构略有不同，其中第一同轴导波雷达探头5的同轴套管7的管壁不设流通孔，冷却剂仅能从底部开口进入，从而使得管内冷却剂为纯液相（液位为真实液位）；而第二同轴导波雷达探头6的同轴套管7的管壁设有沿轴向上连续的开孔9，开孔9用于管内外的流体连通，使得管内冷却剂状态与堆芯状态相同。所述开孔9优选地为纵向窄缝，从而在保证同轴套管7内外的冷却剂流体连通的同时稳定同轴套管7内的流场，防止***堆芯液位波动造成液位监测的不准确。
如图1中所示，两个同轴导波雷达探头5，6沿轴向上通过通多个固定支架4固定定位，探头顶端通过安装支架3固定在压力容器上封头上，满足抗震要求。同轴导波雷达探头5，6底端位于堆芯底部以下，满足压力容器内从堆芯底部液位到满液位的连续液位测量区间要求。探头主要材质为ZIRLO合金（锆铌合金，AP1000燃料包壳材料），或者为满足抗腐蚀耐辐照并在高温高压环境下长期工作的要求的其它材料。替代地，在能够实现探头功能且能够在堆芯环境中长期工作的情况下，也可另行选择其它材料制作探头。替代地，在能够满足连续液位测量区间及精度要求情况下，可以将杆式探头替换为缆式探头或将导波传感器替换成热电阻液位传感器等。
在事故情况下，堆芯及上部区域的冷却剂可呈两相流体状态（即汽（气）液混合状态），两相流体可以通过第二同轴导波雷达探头6的同轴套管7的管壁上的开孔9进入第二同轴导波雷达探头6，使得管内冷却剂状态与堆芯状态保持相同，因此第二同轴导波雷达探头6监测的堆芯的液位信息应为两相流体的混合液位信息。然而因为第一同轴导波雷达探头5的同轴套管7的管壁不设流通孔，所以监测的堆芯的液位信息应为纯液相状态的真实液位信息。在事故情况下，若假定第一同轴导波雷达探头5监测的堆芯的真实液位为H l ，第二同轴导波雷达探头6监测的堆芯的混合液位为H m ，则可以计算出堆芯空泡份额的大小。此空泡份额值表征堆芯总的空泡信息，与局部空泡份额、堆芯温度及流速分布不均无关。当堆芯不存在两相流的情况下，两探头的液位监测值相同，此时空泡份额值为0。
空泡信息获取的具体实现过程是：信号变送器1根据电磁波信号收发器2发射和接收到电磁波的时间差来得到堆芯液位信息。信号变送器1的数据处理模块通过对比第一同轴导波雷达探头5和第二同轴导波雷达探头6监测的堆芯液位信息来判断堆芯是否处于两相流动状态并计算空泡份额值。当两探头监测的液位值相等时，认为处于单相流动状态，空泡份额值为0；当第一同轴导波雷达探头5监测的液位值小于第二同轴导波雷达探头6监测的液位值（即堆芯真实液位小于混合液位）时，则判定堆芯处于两相流动状态。根据空泡份额计算式并结合第一和第二同轴导波雷达探头监测的液位值得出空泡份额值，处理生成4-20mA液位及空泡模拟信号。同时，信号变送器1基于用户预设的关键液位点，结合实时液位信息生成关键测点的报警信号。根据实际需求，可自由设定多组关键液位测点，例如热管段顶部、热管段底部、堆芯顶部和堆芯底部等，从而实现多个关键液位监测点的报警。
本文提出的监测堆芯液位和空泡的装置和方法能够简单且可靠地进行工作，使得无需在反应堆压力容器底部开孔，无需现场调试校验，并且能够在反应堆启停工况以及事故工况下同时获取堆芯连续液位及空泡信息并快速响应堆芯液位的变化。信号变送器同时提供关键测点的报警信号，进一步加强事故条件下事故进程监测，为操作员提供及时准确的信息。
虽然本公开已经描述了某些实施例和一般关联方法，但是这些实施例和方法的变化和替换对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，示例性实施例的以上描述并未限定或约束本公开。在不脱离如由以下权利要求定义的本公开的精神和范围的情况下，其它变更、替换以及变化也是可能的。
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Claims (17)
1.一种用于监测反应堆堆芯液位和空泡的装置，至少包括：
电磁波信号收发器；
并行布置的两个同轴导波雷达探头，其顶部与所述电磁波信号收发器连接，从而共用所述电磁波信号收发器，并且所述同轴导波雷达探头包括导波杆和同轴套管，其特征在于：
一个同轴导波雷达探头仅底部开口从而监测堆芯的真实液位，并且另外的同轴导波雷达探头的同轴套管管壁开孔从而监测堆芯的混合液位。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括与电磁波信号收发器配合使用的信号变送器，以产生液位模拟信号、和/或空泡模拟信号、和/或关键液位监测点的警报信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述电磁波信号收发器与信号变送器采用一体化设计，并且被布置在压力容器上封头外侧。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述两个同轴导波雷达探头为长度相等的第一同轴导波雷达探头和第二同轴导波雷达探头，其中所述第一同轴导波雷达探头仅底部开口从而监测堆芯的真实液位并且所述第二同轴导波雷达探头的同轴套管的管壁设有沿轴向上连续的开孔从而可连续地监测堆芯的混合液位。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述连续的开孔为纵向窄缝，从而在保证同轴套管内外冷却剂流体连通的同时稳定管内流场，防止***堆芯液位波动的影响。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述两个同轴导波雷达探头沿轴向上通过多个固定支架固定定位，探头顶端通过安装支架固定在压力容器上封头上，满足抗震要求。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述同轴导波雷达探头底部在堆芯底部以下，从而满足在压力容器内从堆芯底部液位到满液位的连续液位监测。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：设定多组关键液位监测点从而实现多个关键液位监测点的警报。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述同轴导波雷达探头的主要材质为ZIRLO合金，或者为可抗腐蚀、耐辐照并可在高温高压环境下长期工作的其它材料。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在堆芯存在两相流的情况下，若所述第一同轴导波雷达探头监测的堆芯的真实液位为H l ，并且所述第二同轴导波雷达探头监测的堆芯的混合液位为H m ，则堆芯的空泡份额。
11.一种用于监测反应堆堆芯液位和空泡的方法，至少包括：
使两个同轴导波雷达探头并行连接到电磁波信号收发器，所述同轴导波雷达探头包括导波杆和同轴套管；
由所述两个同轴导波雷达探头中的第一同轴导波雷达探头监测堆芯的真实液位H l ，所述第一同轴导波雷达探头仅底部开口从而使同轴套管内的冷却剂为液相；
由所述两个同轴导波雷达探头中的另外的第二同轴导波雷达探头监测堆芯的混合液位H m ，所述第二同轴导波雷达探头的同轴套管的管壁开孔从而使同轴套管内外的冷却剂流体连通；
由堆芯的真实液位H l 和混合液位H m 得到堆芯的空泡份额 。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：还包括与电磁波信号收发器配合使用的信号变送器产生液位模拟信号、和/或空泡模拟信号、和/或关键液位监测点的警报信号。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述两个同轴导波雷达探头为长度相等的第一同轴导波雷达探头和第二同轴导波雷达探头，其中所述第一同轴导波雷达探头仅底部开口从而监测堆芯的真实液位并且所述第二同轴导波雷达探头的同轴套管的管壁设有沿轴向上连续的开孔从而可连续地监测堆芯的混合液位。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述连续的开孔为纵向窄缝，从而在保证同轴套管内外冷却剂流体连通的同时稳定管内流场，防止***堆芯液位波动的影响。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述两个同轴导波雷达探头沿轴向上通过通多个固定支架固定定位，探头顶端通过安装支架固定在压力容器上封头上，满足抗震要求。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述同轴导波雷达探头的底部在堆芯底部以下，从而满足在压力容器内从堆芯底部液位到满液位的连续液位监测。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：设定多组关键液位监测点从而实现多个关键液位监测点的警报。
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