我國核燃料后處理儀表發(fā)展技術(shù)研究

吳 珂 張 博 李曉薇

(中國核電工程有限公司電儀所)

我國核燃料后處理儀表發(fā)展技術(shù)研究

吳 珂 張 博 李曉薇

(中國核電工程有限公司電儀所)

回顧了早期生產(chǎn)堆后處理廠中接觸式測量儀表的選用、安裝和維護(hù)方式；論述了動力堆后處理中試廠使用的非接觸式和間接式測量儀表的原理和優(yōu)勢；在分析智能儀表優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，給出了Profibus PA和FF總線儀表在后處理工程的應(yīng)用；最后，得出非接觸式和間接式的測量方案與智能儀表的組合是未來后處理廠最佳選擇的結(jié)論。

核燃料后處理 非接觸式測量儀表 吹氣測量儀表 熱電偶 模擬儀表 智能儀表

核燃料后處理處于燃料循環(huán)后端，其主要目的是：提取乏燃料中剩余的鈾、钚和可能存在的釷元素，并制造新的核燃料；去除乏燃料中的裂變產(chǎn)物和放射性物質(zhì)；將放射性物質(zhì)變?yōu)槟馨踩㈤L期貯存的形態(tài)[1]。

國內(nèi)的后處理技術(shù)研發(fā)始于20世紀(jì)40年代，由于國外具有該技術(shù)經(jīng)驗的國家一直對外保密，在公開的資料中很難查到相關(guān)信息，因此后處理廠的儀表測量技術(shù)也是經(jīng)過不斷的摸索才達(dá)到了現(xiàn)在的先進(jìn)水平。后處理廠生產(chǎn)過程中所用的工藝設(shè)備很多與一般化工廠類似，它對過程控制的要求在很多方面也等同于化工廠，主要檢測參數(shù)有壓力、壓差、溫度、液位、流量、界面及密度等。后處理廠的工藝反應(yīng)過程相對緩和，基本都是在常溫常壓條件下工作，但是由于物料中帶有放射性，測量儀表的選擇和安裝與一般化工廠還是有明顯差異。筆者回顧了早期為軍用服務(wù)的生產(chǎn)堆后處理廠和目前已經(jīng)運(yùn)行的動力堆后處理中間試驗廠中選用的主要測量儀表和方案，并對即將建設(shè)的民用商業(yè)后處理廠選用的測量儀表進(jìn)行展望。

1 生產(chǎn)堆后處理廠儀表

1.1 桿式測量儀表

早期的生產(chǎn)堆后處理廠中，測量放射性廢液儲槽的溫度、液位及界面等參數(shù)選用的儀表大多是桿式測量儀表，儀表直接接觸被測放射性介質(zhì)，其安裝示意圖如圖1所示。工藝設(shè)備布置在用厚實的屏蔽墻隔開的設(shè)備室里，操作人員不能接近設(shè)備，因此儀表需要從設(shè)備室上方的檢修大廳穿過設(shè)備室的厚頂板，再穿過設(shè)備上預(yù)留的儀表套管才能插入設(shè)備中到達(dá)安裝位置，一般來說設(shè)備頂部與設(shè)備室頂板之間還會有幾米的空間，每支桿式儀表的長度往往要達(dá)到8～10m甚至更長，這給儀表的安裝和維修增加了難度。

圖1 桿式儀表安裝示意圖

桿式儀表的安裝是利用檢修大廳的吊車自上而下垂直安裝的，設(shè)備上預(yù)留的儀表套管與設(shè)備室頂板上預(yù)留的儀表托盤安裝孔必須保證一定的垂直度，因此設(shè)備加工時除了考慮儀表的支撐外對加工精度的要求也很高，設(shè)備現(xiàn)場安裝也要與土建施工緊密配合。另外，這類儀表對安裝空間要求也較大，所以早期的后處理廠中大量的儀表是布置在檢修大廳里的，與其他工藝設(shè)備混布，不利于維修人員的檢修和日常維護(hù)。桿式儀表的維修和更換需要借助吊車將儀表從設(shè)備室中取出，為防止此過程中放射性物質(zhì)擴(kuò)散還專門設(shè)計了儀表檢修容器、儀表帽和儀表托盤。當(dāng)需要將儀表從設(shè)備室取出時，先將儀表檢修容器放置在相應(yīng)的位置上方并固定，然后將儀表帽打開，斷開電纜連接，用吊車一邊向上吊起儀表一邊對儀表進(jìn)行沖洗去污，沖洗的放射性廢液通過儀表托盤上的排液孔流回設(shè)備中，排液孔平時是用塞子堵住的。

1.2 流量測量儀表

流量的精確測量和控制對于連續(xù)的工藝過程是必不可少的。在許多情況下，流量的測量對于確定往過程中加入或從過程中抽出的各種物料間的正確比率是極為重要的，液位、溫度等參數(shù)維持穩(wěn)定常常直接取決于流量的精確測量和控制。

后處理廠的特點是液體和氣體的流量較小，因此，經(jīng)常要測量和控制的液流的流量為每分鐘幾個立方厘米。一般來講，可變落差流量計、可變截面流量計、渦輪式流量計及電磁流量計等均可用于后處理廠[2]。孔板式差壓流量計由于其結(jié)構(gòu)簡單在早期的后處理廠中被大量使用，它是利用檢測流體流經(jīng)管道內(nèi)節(jié)流件前后形成的壓差測得流量的大小，它接觸放射性介質(zhì)的部分可不考慮維修，但如果液流中含有固體顆粒，鄰近孔板的區(qū)域容易積聚固體顆粒沉積物，給將來去污帶來困難。

總的來說，早期后處理廠中選用的儀表在使用期限、可更換性及信號傳輸?shù)确矫娑际艿搅水?dāng)時測量技術(shù)和手段的局限，雖然設(shè)計中采取了必要的措施保護(hù)操作人員不受照射，但這些措施實施起來非常困難，可操作性不強(qiáng)。同時，這些桿式儀表在工廠退役后必須作為放射性固體廢物進(jìn)行處理，大量使用這類儀表必然增加廢物處理量，不符合放射性廢物最少化原則。

2 動力堆后處理中試廠儀表

2.1 吹氣測量儀表

中試廠采用的Purex流程使非接觸測量儀表大范圍使用成為可能，其中最具代表性的就是采用吹氣測量法對設(shè)備室內(nèi)放射性介質(zhì)的液位、界面及密度等參數(shù)進(jìn)行測量。測量原理如圖2所示。

圖2 吹氣儀表測量原理示意圖

該套儀表在1991年設(shè)計的中試廠中首次應(yīng)用。儀表專用的壓縮空氣經(jīng)吹氣裝置內(nèi)減壓過濾器減壓和穩(wěn)壓后，通過空氣小流量控制器、根閥和吹氣管吹入貯槽。當(dāng)吹氣管內(nèi)吹氣壓力高于吹氣管下端管口的靜壓時，壓縮空氣便從吹氣管的下端管口以氣泡形式逸出。調(diào)節(jié)吹氣裝置的空氣小流量控制器，使壓縮空氣以很小的流量均勻穩(wěn)定地吹入貯槽，這時測得的壓力幾乎接近下端管口處液位的壓力[3]。用這種吹氣法，一根吹氣管可同時用于多個測量回路，放射性介質(zhì)不與傳感器直接接觸，也不會通過管路擴(kuò)散，接觸放射性介質(zhì)的不銹鋼管屬于不易損壞件，不考慮檢修，除此之外設(shè)備室內(nèi)再無任何可動或需維修的部件。所有需要操作更換的部件可集中布置在設(shè)備室外專門的儀表安裝區(qū)，變送器在維修和更換時，只需將吹氣管上的閥門關(guān)閉后即可拆卸，方便維護(hù)和檢修。另外，吹氣管路安裝時可以在設(shè)備室中彎曲敷設(shè)，大幅降低了安裝要求。吹氣測量法由于結(jié)構(gòu)簡單和使用可靠因而在后處理廠中具有重要意義。但是，這種吹氣測量法只能應(yīng)用于常壓或接近于常壓的設(shè)備參數(shù)的測量，對于后處理廠中數(shù)量較少的高壓設(shè)備，這種方法是不可用的，目前仍需采用桿式儀表。

2.2 抽芯式快速拆裝熱電偶

中試廠設(shè)備室內(nèi)的溫度測量不再使用桿式鉑熱電阻，改為抽芯式快速拆裝熱電偶。如圖3所示，熱電偶保護(hù)管穿過設(shè)備室混凝土屏蔽墻的弧形套管進(jìn)入設(shè)備室，與設(shè)備上預(yù)留的底端頭封死的套管管嘴焊接。鎧裝式熱電偶沿保護(hù)管內(nèi)孔插入到設(shè)備上溫度計套管的底端頭平面并用鎖緊裝置鎖死固定，更換時只需打開鎖緊就可以很快地將熱電偶從設(shè)備室中抽出。雖然熱電偶在低溫測量的準(zhǔn)確度上比熱電阻溫度計略低，但它具有的體積小、便于安裝、耐輻照損傷性能極佳等優(yōu)點使它在后處理廠中得以大量使用[4]。

圖3 抽芯式快速拆裝熱電偶安裝示意圖

2.3 空氣提升用質(zhì)量流量計

中試廠高放射性水平的料液輸送采用的是空氣提升方式，它是利用壓縮空氣的流體靜力學(xué)原理，用壓縮空氣提升液體。通過空氣升液器將靜止的液體提升到一定高度，被提升的液體流量與壓縮空氣流量成一定比例關(guān)系，因此流量測量由原來的直接測量改為通過氣體質(zhì)量流量計調(diào)節(jié)壓縮空氣流量[5]，從而控制液體流量，其測量原理如圖4所示。

這種測量方法在設(shè)備室內(nèi)沒有運(yùn)動部件，操作簡單，雖然效率較低，但其輸送能力完全能滿足中試廠的實際需求，并很好地解決了高放射性料液的定量輸送問題。

圖4 二級空氣提升系統(tǒng)示意圖

用非接觸式儀表代替桿式儀表應(yīng)用于后處理廠中，使整個廠房設(shè)計布局發(fā)生了革命性的變化，極為有效地降低了廠房高度，縮小了廠房空間，并由此引起連帶反應(yīng)，極大地優(yōu)化了工藝、設(shè)備、土建及暖通等有關(guān)工種設(shè)計，節(jié)省了巨額的工程資金。非接觸式儀表基本上是無故障、免維修的，與桿式儀表相比，它徹底拋棄了桿式儀表繁重、危險的檢修方法，省去了笨重的儀表檢修容器和清洗去污設(shè)備，由此節(jié)省的容器設(shè)備、清洗去污和運(yùn)行維修費(fèi)用以千萬元計。

3 智能儀表在后處理的應(yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì)，傳統(tǒng)的1～5V和4～20mA模擬信號制儀表取代了20～100kPa的氣壓信號儀表已有時日。由于模擬信號的傳輸需要一對一的物理連接，信號遠(yuǎn)程傳輸中的抗干擾能力較差，信號精度也相對較差。此外，隨著后處理工藝對自動化程度需求的提高和工程規(guī)模的增大，所需的電纜數(shù)量隨之增加，中試廠的總電纜長度達(dá)到了六十余萬米，在有限的廠房空間里，本已布置了各種設(shè)備和物料、水、蒸汽、暖通管道，還要布置大量電纜，一方面給電纜敷設(shè)設(shè)計帶來了難度，另一方面也給現(xiàn)場的安裝、調(diào)試和檢修帶來了較大困難。

基于總線技術(shù)的智能儀表不但可以解決上述問題，還能在控制室的計算機(jī)上對其工作狀態(tài)、故障狀態(tài)進(jìn)行診斷維護(hù)，因此，將它應(yīng)用于后處理工程中，可以最大限度地減少人員出入控制區(qū)，進(jìn)一步貫徹以人為本的理念。

隨著智能儀表技術(shù)越來越成熟并在國內(nèi)大型化工項目中的成功應(yīng)用，近些年的后處理項目中也開始逐步選用這類儀表，從簡單的用總線型智能儀表代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬儀表，到構(gòu)造以總線型智能儀表為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，智能儀表在后處理工程中的應(yīng)用日趨成熟。

3.1 Profibus PA總線智能儀表的應(yīng)用

與DP總線相比[6]，PA總線傳輸速率較慢，但該速率足以滿足應(yīng)用，更重要的是，PA不僅能為現(xiàn)場智能儀表傳輸信號，還能為掛接在該總線上的所有智能儀表提供電力，并且有防爆、本安區(qū)域的解決方案。

在某高放廢液處理工程中，PA總線智能儀表首次在后處理工程中廣泛應(yīng)用。在用于放射性常壓設(shè)備，如高放廢液大罐的液位、界面和密度測量方面，使用吹氣裝置配PA總線智能差壓變送器取代了吹氣裝置配4～20mA差壓變送器的測量方式。與傳統(tǒng)方式相比，一條Profibus PA總線為6～12臺智能差壓變送器傳送信號并供電，節(jié)省了AI板卡的數(shù)量和電纜量，采用基于曼特斯特比編碼的數(shù)字信號通信，從根源上消除了模擬信號傳輸過程中的干擾，提升了測量精度。此外，PA總線智能電磁流量計廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電流體的測量，PA總線智能溫度變送器、智能壓力變送器及智能導(dǎo)播雷達(dá)物位計等也得到了大量應(yīng)用。

3.2 FF總線智能儀表的應(yīng)用

后處理工藝處于化工流程，是典型的過程自動化領(lǐng)域，與PA總線相比，基金會現(xiàn)場總線(FF)在該領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。在周期性信息具有嚴(yán)格實時性要求的應(yīng)用場合，選用FF總線比較適合，反之選用Profibus總線比較好[7]。此外，與PA總線相比，F(xiàn)F總線還具有控制功能下放的優(yōu)勢。

2010年，F(xiàn)F總線智能儀表應(yīng)用于典型后處理特征的工藝試驗臺架中。使用吹氣裝置配FF總線智能差壓變送器的方式，測量萃取柱的擴(kuò)大段液位、界面、有機(jī)相密度、水相密度、柱重及液泛等參數(shù)，并首次實現(xiàn)了吹氣測量算法由控制器運(yùn)算到智能差壓變送器運(yùn)算的下放，智能差壓變送器的液晶表頭直接顯示如液位“402mm”、密度“1.22g/cm3”等最終測量值，改變了吹氣測量系統(tǒng)現(xiàn)場顯示終端僅能顯示壓差值的歷史。在以往的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，變送器測量值需遠(yuǎn)距離傳輸至控制室的AI模卡，由控制器運(yùn)算完成后再由AO模卡輸出，并再經(jīng)過同樣距離傳輸至閥門定位器才能完成一次調(diào)節(jié)。而在FF智能閥門定位器與FF智能壓力變送器構(gòu)成的脈沖萃取柱壓空緩沖罐壓力負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，實現(xiàn)了PID從控制器運(yùn)算至智能閥門定位器運(yùn)算的下放，信號不需要遠(yuǎn)距離傳輸至控制器，在現(xiàn)場即可完成調(diào)節(jié)，大幅縮短了調(diào)節(jié)時間，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，并且實現(xiàn)了徹底的分散控制，降低了系統(tǒng)風(fēng)險。

此外，AMS儀表設(shè)備管理系統(tǒng)得到首次應(yīng)用。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對全部FF總線智能儀表的統(tǒng)一管理。可自動顯示儀表連接視圖，并顯示所選儀表的生產(chǎn)廠商、設(shè)備型號、版本、當(dāng)前連接的系統(tǒng)I/O地址及儀表位號等信息；實現(xiàn)了儀表電子巡檢報警功能，當(dāng)現(xiàn)場儀表出現(xiàn)故障時，可以在操作站上彈出報警；可對智能儀表內(nèi)部參數(shù)修改(如零點、量程及單位等)并存儲記錄；采用比較功能可將任意時間的歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前參數(shù)對照，并且能夠恢復(fù)部分或全部歷史記錄。總之，儀表設(shè)備管理系統(tǒng)的應(yīng)用，將智能儀表與控制系統(tǒng)一體化集成，形成了自底層至上層的完整儀控網(wǎng)絡(luò)。

3.3 智能儀表將是未來后處理自動化的趨勢

數(shù)字通信是一種趨勢，它代表了技術(shù)的進(jìn)步，以數(shù)字化控制技術(shù)為基礎(chǔ)的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制的優(yōu)越性是傳統(tǒng)模擬信號制通信無法比擬的。智能儀表以現(xiàn)場總線為通信媒介，解決了過去長時間使用的底層儀表模擬傳輸、DCS系統(tǒng)數(shù)字化運(yùn)算的模擬-數(shù)字混搭系統(tǒng)，進(jìn)而將整個工廠的所有儀控設(shè)備和系統(tǒng)連接成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)從最高決策層到最底設(shè)備層的綜合管理和控制[8]。將它應(yīng)用于未來商業(yè)規(guī)模的后處理廠，可以極大地提升數(shù)字化水平和管控水平，真正實現(xiàn)數(shù)字化工廠。

4 總結(jié)與展望

中國的后處理技術(shù)經(jīng)過幾十年的探索，已逐步從科研走向商業(yè)化，現(xiàn)代化大型商業(yè)后處理廠運(yùn)行所產(chǎn)生的信息交換量是以前的后處理廠的數(shù)十倍，需要更先進(jìn)的技術(shù)解決。另外，核工程的生命周期不能僅考慮生產(chǎn)運(yùn)行的幾十年，還應(yīng)包括停產(chǎn)后工廠的退役階段，由于資金、政策及后續(xù)廢物處理能力等原因， 這一過程可能會再持續(xù)幾十年，因此為保證人員安全采用非接觸式測量手段配合智能儀表將是未來后處理工程自動化的趨勢。

[1] Manson Benedict,Thomas H.Pigford and Hans Wolfgang Levi.Nuclear Chemical Engineering[M].New York:McGraw Hill Book Company,1957.

[2] 任鳳儀,周鎮(zhèn)興.國外核燃料后處理[M].北京:原子能出版社,2006.

[3] 袁世頤.乏燃料后處理中試廠間接式和非接觸式測量儀表的研究及應(yīng)用[C].中國核學(xué)會核化工分會后處理專業(yè)委員會年會.蘭州:中核集團(tuán)公司四〇四廠科學(xué)技術(shù)委員會,2005:24～32.

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StudyofNuclearFuelReprocessingInstrumentDevelopmentinChina

WU Ke, ZHANG Bo, LI Xiao-wei

(Electrical and Instrument Institute, China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.)

The selection, installation and maintenance of the contact measurement instrument applied in the earlier nuclear fuel reprocessing plant were reviewed; and the principle and advantages of non-contact and indirect measuring methods used in pilot plants were discussed. On the basis of analyzing advantages of the smart instrument, the application of Profibus PA and FF instrument was presented. The results show that, the combination of non-contact or indirect measuring methods with the smart instrument is the best choice for the future reprocessing plant.

nuclear fuel reprocessing, non-contact measurement instrument, aerated measuring instrument, thermocouple, analog instrument, smart instrument

TH822

A

1000-3932(2017)05-0427-05

吳珂(1978-)，高級工程師，從事核化工工程儀控設(shè)計工作，cocopandl@sohu.com。

2016-10-07，

2017-02-23)