高溫堆球床等效導熱系數實驗溫度測量系統設計

李 睿，任 成，＊，李聰新，孫艷飛，劉志勇，楊星團

（1.清華大學 核能與新能源技術研究院 先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084；2.環境保護部 核與輻射安全中心，北京 100088）

在1999年美國核學會年會上，美國能源部提出了4代核能系統劃分的概念［1-2］，同時也選出了6種可能滿足第4代核能系統要求的備選堆型［3］。超高溫氣冷堆由于經濟性、固有安全性等特點被認為是最有可能滿足第4代核能系統要求的堆型之一［4-5］。其固有安全性體現在：在任何情況下堆芯余熱都能通過非能動的方式導出，其中堆芯球床結構的等效導熱系數在余熱導出過程中起主導作用［6］。“球床等效導熱系數實驗研究”是清華大學核能與新能源技術研究院（簡稱核研院）承擔的國家重大科技專項“高溫氣冷堆核電站HTR-PM 中重要安全問題研究”課題的子課題研究內容。通過實驗測量，獲得更準確的球床等效導熱系數，在HTRPM 安全分析報告中能更好地評價其安全性。

目前高溫氣冷堆球床等效導熱系數的大型實驗研究很少，缺少同類實驗的設計參考。由于在高溫、碳還原環境下存在諸多材料和結構等工程因素限制，已有的實驗研究都停留在1 000 ℃以下。清華大學核研院此次實驗研究計劃將測試溫度提升到1 600 ℃，將涵蓋高溫堆事故工況的主要溫度范圍（8 00～1 600 ℃）。在高溫碳還原環境下，由于石墨對材料的滲碳反應，多數測溫方式并不適用，必須解決高溫碳還原環境下測溫的穩定性問題。同時，在全尺寸實驗研究中，球床規模較大，為能準確測量球床的溫度場，需要大量的溫度測點，因此測量系統的搭建尤為重要。

本文以HTR-PM 球床堆芯等效導熱系數全尺寸實驗研究為背景，搭建測量等效導熱系數的溫度測量系統，設計制作合適的前端傳感器，并完成數據采集系統的硬件搭建及軟件編寫，為全尺寸等效導熱系數實驗做充分的準備。通過實驗獲得更準確的球床等效導熱系數，從而提高中國模塊式高溫氣冷堆設計計算和安全分析的能力。

1 實驗裝置

堆芯球床等效導熱系數測量裝置包括實驗裝置本體、實驗臺架、真空系統、冷卻水系統、溫度測量系統、電源系統、升降機構、控制系統等。其中，爐體主體、保溫層、加熱系統是測量裝置本體設計中最重要的部分，其結構如圖1所示。通過整套系統的運行，可模擬高溫氣冷堆的溫度和氣體氛圍。通過測量環形球床區（圖中未畫出堆積石墨球）內的三維溫度場信息，即可算得不同溫度范圍內的堆芯球床等效導熱系數。

圖1 爐體剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of furnace profile

實驗裝置內部通過真空系統可使爐體內處于真空環境，或在抽真空后充入氦氣或氮氣使其處于氦氣或氮氣環境。環形球床區內隨機堆積著近七萬個直徑為60mm 的石墨球，石墨球直徑及球床厚度均與真實反應堆堆芯尺寸一致，因此，構造出的球床結構是具有代表性的。實驗裝置的加熱系統采用中心電阻式加熱方式，熱量由內向外擴散，通過均溫、保溫以及水冷等方式使球床測試區內達到相應的溫度分布。理論估算表明，均溫套筒外壁（環形球床區內壁）為測試區內最高溫度，最高可達到1 600℃；溫度沿球床徑向逐步降低，到達側保溫層內壁（環形球床區外壁）時約1 400 ℃，球床區徑向溫降設計為200℃左右。上下保溫層厚度遠超側保溫層厚度，因此熱量在球床區內近似一維徑向流動。球床區域需監控三維溫度場信息，采用熱電偶作為測溫元件，沿徑向均勻分布6層，每一徑向位置處周向再均勻分布5支，共30支熱電偶。每支熱電偶設計為一偶三芯方式，測點分為上、中、下3層，每層5×6個測點，共90個測點，測點分布如圖2所示。球床區熱電偶均從底部安裝，在爐底板上采用密封圈進行真空密封。球床區是實驗裝置中最重要的溫度監控區域，最高測試溫度將達到1 600 ℃，涵蓋了高溫堆安全分析中的全部溫度范圍，且熱電偶測點全部嵌入石墨球床中。此外，在爐體內上、中、下保溫層內部以及各路冷卻水回路中也將布置相應溫度測點監控，這些地方的溫度相對較低。加熱系統通過與前端熱電偶和采集系統的配合完成實驗的測量任務。

圖2 球床區測點布置Fig.2 Arrangement of measuring points in pebble bed area

2 前端傳感器的選擇

高溫石墨環境下的溫度測量是HTR-PM球床等效導熱系數實驗成敗的關鍵。由于實驗溫度范圍為0～1 600 ℃，因此要求所需的熱電偶有較大的測溫范圍。當熱電偶處于高溫石墨環境中時，石墨對熱電偶保護套管的強滲碳反應，會使熱電偶保護套管氣密性下降甚至破壞，造成熱電偶電勢漂移乃至喪失測量能力，因此對所需熱電偶的長期穩定性也要有較高的要求。除承受1 600 ℃的高溫石墨環境外，由于從底部安裝，必須穿過下保溫層到達指定測點位置，因此對其在高溫條件下的機械強度要求較高。

熱電偶一般都是由偶絲、絕緣材料以及保護套管三部分組成。不同部分材料的性能指標對熱電偶的性能也會產生影響，其中偶絲的選擇是整個熱電偶能否完成測量任務的關鍵。對于要求能在1 600 ℃碳還原環境中穩定工作，國際電工委員會推薦的標準熱電偶并不能完全滿足要求［7］。因此本文將非標準熱電偶作為選擇方案，測溫方式為接觸式的熱電偶中溫度最高的鎢錸熱電偶［8-9］。它可在2 000 ℃下長期穩定工作，測溫范圍滿足所需的溫度要求。

針對熱電偶要求有大的測溫范圍、較高的機械強度以及高溫石墨環境下有較高的穩定性這3個技術難點，本文做如下技術處理：

1）由于熱電偶的測溫范圍與偶絲的直徑相關，偶絲越粗，耐受溫度越高，所以首先增大鎢錸偶絲的直徑，盡量提高其使用溫度。

2）采用鍛打鉬管做保護套管，這種鉬管和常用鉬保護管的區別是通過鍛打增加了金屬鉬的致密性，通過機械鉆孔使鉬棒形成厚壁鉬管，從而增強其耐用性。

3）偶絲用高純氧化鋁柱絕緣，氬氣填充保護套管間隙，減少高溫條件下碳在介質中的擴散，盡量減少偶絲和碳元素的接觸，增強其在高溫碳還原環境下的長期穩定性。

4）由于球床導熱系數測量裝置中球床區的高溫測點有90個，分上、中、下3層，為減少在爐體下端蓋上的開孔數量，所以采用一偶三芯的設計方案。

在以上處理的基礎上，自主設計并制作了特制的鎢錸熱電偶以滿足實驗需求，其結構設計如圖3所示。與此同時對熱電偶的內部結構也進行了設計，如圖4所示。在偶絲的連接點處，除球形焊點外，增加了一個捆綁結構，即使焊點在高溫條件下碳化導致2 種偶絲接觸變差，通過保證2種偶絲的有效接觸，也可增加熱電偶信號的穩定。

圖3 鎢錸熱電偶設計方案Fig.3 Design scheme of tungsten-rhenium thermocouple

圖4 鎢錸熱電偶內部改進設計Fig.4 Improvement of tungsten-rhenium thermocouple internal design

最終采用鍛打鉬管作保護套管、采用粗偶絲提高使用壽命、焊點采用焊接加機械捆綁、絕緣采用高純細氧化鋁管、套管抽真空并充入氬氣保護的設計方案。

3 數據采集系統

數據采集系統是進行后期實驗數據分析的基礎，為提高實驗結果的精度和增加對實驗過程的把控，所有實驗項目均完全采用自主設計的數據采集系統。數據采集系統包括前端傳感器、數據采集硬件和計算機軟件三部分。球床等效導熱系數測量裝置數據采集的難點和重點是高溫碳還原環境下的溫度測量，第2節已解決了溫度傳感器的問題。本節重點討論數據采集系統硬件和軟件設計。

球床導熱系數測量裝置的數據采集系統硬件全部采用美國NI公司的數據采集系統，軟件開發也采用NI數據采集系統相應的Lab-VIEW 軟件。

3.1 采集系統硬件

基本設計思路是針對實驗裝置上提供的基本測控信號類型，對數據采集系統進行相應的設計和調試。同時，采集系統的設計必須具有一定的靈活性，以應對實驗裝置本體測控信號的變動。

經過設計分析，整個實驗過程中的測控主要包括鎢錸熱電偶信號采集、K 型熱電偶信號采集、模擬信號（加熱功率、冷卻水流量等的控制）的輸出、模擬信號（冷卻水流量、壓力、真空度等）的輸入、數字信號（加熱系統超溫、冷卻水失壓等報警信號）輸入以及數字信號（控制一些開關量和繼電器）的輸出6類信號。

根據之前的思路設計和信號分析，所配置的硬件系統由一套標準信號采集設備PXI機箱和一套隔離信號（信號調理）采集設備SCXI機箱共同組成，系統結構、連接方式以及模塊配置如圖5所示。

圖5 NI數據采集系統硬件構成Fig.5 Structure of NI data acquisition system hardware

硬件配置方面采用PXIe-1075機箱、PXIe-8108控制器、SCXI1001 信號調理機箱和其中的12 個SCXI-1125 隔 離 溫 度 采 集 模 塊、1 個PXIe-4353熱電偶采集模塊和PXIe-6363多功能卡。具體采集任務分配如下：

1）每個SCXI-1125板卡由8 個隔離溫度采集通道組成，12 個模塊采集96個鎢錸熱電偶的電壓信號。

2）PXIe-4353板卡配置為K 型熱電偶采集方式，可采集32個通道低溫溫度信號。

3）PXIe-6363多功能卡完成其他數據采集和控制任務，模擬輸入輸出均配置為差分輸入方式，共有16個電壓輸入通道，加熱系統電壓、電流、真空壓力、冷卻水流量等采集可通過這些通道完成；4個模擬電壓輸出通道用于模擬量控制。該多功能卡的48個數值輸入輸出通道可分別配置為輸入或輸出，根據系統要求，具體將16個配置為數值輸入通道；32個配置為數值輸出通道。

在配置了采集信號類型對應的物理通道以后，測量裝置中的測量信號只需接入相應的通道即可完成測量，并可根據實驗需求隨時增加、減少所需測量的量。所有采集參數根據具體采集個數按照順序存儲，每列為1個時間點，每行為1個采集時刻。在采集時間記錄方面，除記錄采集絕對時間的字符串外，還記錄1個與實驗開始時刻相關的相對時間，該時間采用相對開始時刻的秒數記錄，精確到毫秒，以方便數據處理。

3.2 采集系統軟件設計

設計模式是軟件實踐中通用的程序框架，本質是一種對相似問題進行總結的代表性程序開發規范。由于球床導熱系數實驗裝置測控系統的復雜性和程序的通用性，軟件設計過程中充分考慮了設計模式。在LabVIEW 程序編寫中，主要采用了生產者／消費者模式與隊列模式相結合。數據采集和存儲采用了基于數據隊列的生產者／消費者模式，保證數據采集存儲功能的完成?？刂谱兞枯敵雠c用戶界面操作相關，由于輸出時間的隨機性，將輸出時間與用戶界面的其他操作一起，采用了消息隊列結構。

設計完成后的軟件主要由主顯示界面、通道配置界面、控制和狀態顯示界面、存儲文件查看界面4部分組成。

主顯示界面如圖6所示。在主顯示界面的左側有3個數據表，分別顯示球床導熱系數測量裝置球床中的上、中、下3層熱電偶，每個數據表的每行為1組徑向溫度測量，共5組，代表周向的5組測點。在數據表的右側為與測點對應的繪圖選擇標記，若需繪圖則打鉤，每層熱電偶用1種顏色表示，在右側繪圖區域中動態顯示打鉤的測點溫度變化。同理，K 型熱電偶單獨編為1組，也采用同樣的方式進行數據顯示和繪圖。

圖6 采集系統主界面Fig.6 Main interface of acquisition system

主顯示界面下方為加熱系統、真空系統和冷卻系統的主要參數顯示，這些參數是系統運行過程中的主要關心參數。

右下角為實驗的基本操作，為使軟件運行過程中無過多外界干預，只有系統自檢、開始實驗和退出幾個按鈕。

通道配置界面如圖7所示。存儲設置包括采集速率、存儲路徑和單個文件長度。其余為6種信號的配置信息表，所有通道均有一個默認名稱，在通道存儲名稱不單獨進行設置時，可直接采用默認名稱存儲。根據信號不同，設置的內容也不相同，鎢錸熱電偶、K型熱電偶、數值輸入輸出通道只需設置通道數目和存儲名稱即可，模擬輸入輸出通道需設置相應的量程變換。

控制和其他參數顯示界面如圖8所示，該界面中顯示的通道數目與參數設計界面中設置的通道數目自動保持一致。輸出值的設置改變后，立即發送數值改變消息將相應控制變量輸出。

圖7 采集系統配置參數界面Fig.7 Acquisition system interface for configuration parameter

圖8 采集系統控制界面Fig.8 Control interface of acquisition system

存儲文件查看界面如圖9所示，主要便于查看已存儲的實驗數據。文件存儲列表中列出所有存儲的文件，選擇相應文件，通道選擇列表即列出該文件中存儲的所有測量通道數據。通道選擇是一個復選框，可選擇多個通道數據繪圖。

波形圖中繪出相應通道數據隨時間的變化。

圖9 存儲文件查看界面Fig.9 Interface for storing files

3.3 實驗驗證結果

球床等效導熱系數實驗裝置是一項大型實驗工程，規模較大，建設周期較長，目前仍在建設之中。為驗證理論設計的可行性，前期建造了一個比例縮小的驗證實驗裝置，用于對實驗中將用到的材料、結構、設備等關鍵設計進行先期考驗驗證。驗證裝置的結構與最終實驗裝置基本相同，如圖10a所示，僅在徑向尺寸上有所縮小，內部所用材料、氣體氛圍、試驗參數與最終設計一致，圖中T0～T13為溫度測點。驗證實驗結果如圖10b所示。由圖10b可見，均溫套筒及環形測試區內溫度達到了設計溫度1 600 ℃，保溫層內形成了穩定的溫度梯度。實驗過程經歷了升溫、保溫、降溫全過程，溫度測量系統運行穩定。

圖10 驗證實驗結果Fig.10 Result of validation experiment

4 結束語

本文以HTR-PM 球床堆芯等效導熱系數全尺度實驗研究為背景，采用穩妥的技術路線完成了對高溫氣冷堆等效導熱系數實驗溫度測量系統的設計，解決了高溫（1 600 ℃）石墨環境下導熱系數測量中存在的諸多工程技術問題，完成了數據采集系統硬件搭建、軟件編寫，為全尺寸等效導熱系數實驗做好了充分的準備。為通過實驗獲得更為準確的球床等效導熱系數，從而提高中國模塊式高溫氣冷堆設計計算和安全分析的能力奠定了基礎。

［1］ 吳宗鑫，張作義.先進核能系統和高溫氣冷堆［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［2］ Current status and future development of modular high temperature gas cooled reactor technology，IAEA-TECDOC-1198［R］.Vienna：IAEA，1999.

［3］ ABRAM T，ION S.Generation-Ⅳnuclear power：A review of the state of the science［J］.Energy Policy，2008，36（12）：4 323-4 330.

［4］ 王大中，呂應運.我國能源前景與高溫氣冷堆［J］.核科學與工程，1993，13（4）：2-7.WANG Dazhong，LV Yingyun.Our energy fu-ture and high temperature gas cooled reactor［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，1993，13（4）：2-7（in Chinese）.

［5］ RENNIE C A.Achievements of the dragon project［J］.Annals of Nuclear Energy，1978，5（8）：305-320.

［6］ ELBARADEI M. Nuclear technology review 2013［R］.Vienna：IAEA，2013

［7］ 蔣曉玲.工業用熱電偶的選擇與安裝［J］.品牌與標準化，2009（16）：27.JIANG Xiaoling.The selection and installation of thermocouple used in industry［J］.Brand and Standardization，2009（16）：27（in Chinese）.

［8］ 譚拴斌，郭讓民，楊升紅，等.鉬錸合金的結構和性能［J］.稀有金屬，2003，27（6）：788-793.TAN Shuanbin，GUO Rangmin，YANG Shenghong，et al.The structure and properties of molybdenum rhenium alloy［J］.Rare Metal，2003，27（6）：788-793（in Chinese）.

［9］ 王魁漢，付忠林，寧安超，等.鎧裝熱電偶的分流誤差［J］.儀器儀表標準化與計量，2004（4）：29-31.WANG Kuihan，FU Zhonglin，NING Anchao，et al.The split armoured thermocouple errors［J］.Instrument Standardization and Metrology，2004（4）：29-31（in Chinese）.