PTC溫控技術(shù)在無源豐度檢測(cè)裝置中的應(yīng)用

王 欽，王建衛(wèi)

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000）

0 引言

核燃料元件生產(chǎn)過程中需要對(duì)燃料棒內(nèi)芯塊的豐度、間隙和破碎3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，CJNF 的豐度檢測(cè)采用無源豐度檢測(cè)技術(shù)。核燃料棒內(nèi)UO2燃料芯塊發(fā)出的伽瑪（Y）射線，經(jīng)過GAMA 探頭內(nèi)的BGO 晶體時(shí)產(chǎn)生光[1]，經(jīng)過光電倍增管放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料棒內(nèi)UO2燃料芯塊U235 豐度的無損檢測(cè)。BGO 晶體能譜檢測(cè)方式具有檢測(cè)效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度的要求很苛刻，使用溫度和調(diào)試溫度必須盡可能接近[2]，否則會(huì)造成能譜的峰值跑偏而產(chǎn)生檢測(cè)誤差。

生產(chǎn)線的廠房雖然采用了中央空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，但從實(shí)際監(jiān)測(cè)情況看，溫度的變化范圍在28.5℃±2℃，無法滿足無源豐度檢測(cè)的要求。溫度對(duì)豐度檢測(cè)的影響如圖1 所示。

圖1 記錄了2019 年3 月14 日～7 月14 日期間，在不同環(huán)境溫度下，4.45%豐度芯塊的檢測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)環(huán)境溫度變化超過±2℃時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的發(fā)散狀態(tài)，難以保證測(cè)量的穩(wěn)定性。因此，必須采取措施，確保GAMA 探頭的使用環(huán)境溫度保持穩(wěn)定。

圖1 沒有溫控系統(tǒng)之前的豐度檢測(cè)效果Fig.1 Abundance detection effect without temperature control system

1 溫度加熱器的功率選擇

靜態(tài)流體的加熱功率計(jì)算公式：

式中：P——加熱器的加熱功率，W；C——比熱，J/Kg·℃；M——空氣介質(zhì)的質(zhì)量，等于體積乘以空氣的密度，kg；ΔT——升溫的溫度差，℃；t——升溫時(shí)間，h；δ——加熱（保溫）效率，考慮到工作區(qū)域沒有專門的保溫和隔熱處理，取1.25。

現(xiàn)場(chǎng)的兩個(gè)溫度控制環(huán)境的條件如下：GAMA 探頭溫控區(qū)尺寸為1350mm×46mm×3180mm，相應(yīng)的容積為0.197m3，正常情況下的環(huán)境溫度為24℃，需要控制的溫度為27℃～28℃，升溫時(shí)間為20min，加熱介質(zhì)為空氣。將相關(guān)參數(shù)代入，得出空氣的加熱功率為650W，考慮到20%的功率裕量，則加熱器的加熱功率為800W。

2 加熱器類型選擇

加熱器類型選擇新型的PTC 加熱器。PTC 加熱器的專業(yè)名稱是正溫度系數(shù)熱敏電阻[3]，又叫PTC 發(fā)熱體，采用PTC 陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。其工作原理是：PTC 熱敏電阻加電后，自熱升溫使阻值進(jìn)入躍變區(qū)，從而使PTC 熱敏電阻表面溫度降低保持恒定[4]。它的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）PTC 加熱片具有自動(dòng)恒溫功能，用PTC 加熱器加熱冷風(fēng)時(shí)，即便在送風(fēng)風(fēng)扇故障情況下，也不會(huì)導(dǎo)致PTC加熱器損壞。

2）使用壽命長(zhǎng)，正常情況下，壽命可達(dá)10 年以上。

表1 設(shè)備和材料清單Table 1 List of equipment and materials

3）工作電壓非常寬，當(dāng)電壓變化兩倍時(shí)，表面溫度的變化非常小。

3 溫度控制系統(tǒng)組成及原理

整個(gè)無源豐度檢測(cè)包括兩套獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)，分別用于兩個(gè)溫區(qū)的溫度控制。溫度控制的原理圖如圖2 所示，系統(tǒng)所用設(shè)備和材料清單見表1。

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of temperature control system

如圖2 所示，溫控系統(tǒng)通電后，位于PTC 加熱器頂部的抽風(fēng)風(fēng)扇即會(huì)得電工作，按下啟動(dòng)按鈕后，底部的送風(fēng)風(fēng)扇得電工作，使GAMA 探測(cè)器所處溫區(qū)的空氣流動(dòng)循環(huán)起來。溫控儀1 作為主控儀表，它能夠根據(jù)檢測(cè)溫度和設(shè)定溫度的偏差輸出0V 或12V 的電壓信號(hào)至固態(tài)繼電器輸入端，控制它的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制PTC 加熱器的工作，使溫度保持在設(shè)定值附近。為了確保各種異常狀態(tài)不會(huì)對(duì)溫控系統(tǒng)和豐度檢測(cè)探頭的影響，專門設(shè)計(jì)了四重保護(hù)功能。當(dāng)溫控儀1 和溫控儀2 中任意一個(gè)出現(xiàn)示值高于報(bào)警設(shè)定值的情況時(shí)，或當(dāng)送風(fēng)電機(jī)和抽風(fēng)電機(jī)的供電回路出現(xiàn)故障時(shí)，又或者來自PLC 的保護(hù)信號(hào)動(dòng)作時(shí)，都會(huì)使中間繼電器KA1 線圈失電，斷開加熱器主回路的電源，確保事故狀態(tài)下，溫度控制系統(tǒng)的安全可靠性。

溫控儀參數(shù)設(shè)置見表2。

4 效果

采用PTC 溫控系統(tǒng)控制后，豐度檢測(cè)裝置的內(nèi)部溫度控制效果良好，豐度檢測(cè)的穩(wěn)定性也隨之大大提高，效果如圖3 所示。

5 結(jié)束語

采用自主設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，可以將GAMA 探頭的環(huán)境溫度控制在28.2℃±0.2℃的范圍內(nèi)。在確保控制精度的同時(shí)，由于采用了多重化的安全保護(hù)措施，加之PTC 加熱器的固有安全特性，大大提高了該溫度控制系統(tǒng)的安全可靠性。即便在最極端的條件下，也不會(huì)發(fā)生溫度超調(diào)的情況，確保了溫度控制的安全性。

表2 溫控儀參數(shù)設(shè)置Table 2 Temperature controller parameter settings

圖3 采用PTC溫控系統(tǒng)后的豐度檢測(cè)效果Fig.3 Abundance detection effect after using PTC temperature control system