緊急落棒時控制棒棒位監測裝置原理論證

張克強，蘇志偉，李福春，趙文濤

（中國核動力研究設計院 第一研究所，成都610041）

0 引言

控制棒是反應堆控制系統和安全保護系統的重要組成部分。反應堆在事故狀態下操作人員需對控制棒進行緊急落棒操作，落棒棒位狀態直接關系到反應堆的緊急停堆狀態[1-4]。目前，針對壓水堆反應堆控制棒監測的研究原理主要集中于電流信號監測、電磁感應監測、壓水堆數字化監測等技術領域研究。以上研究正常情況下可較好地判斷棒位狀態，但現有研究主要采用設備內置式或設備固定式的設計方法，沒有針對特定工況的棒位狀態進行監測的研究[5-14]。充分考慮壓水堆反應堆堆內構件檢修頻率低、外圍工作空間小、工作環境惡劣、輻射劑量大等現實性問題，有必要加強針對壓水堆反應堆緊急落棒時棒位狀態監測的研究，以滿足穩定性、準確性、便攜性、耐輻照性、高通用性等技術要求。

1 控制棒棒位監測裝置設計

本裝置主要由專用聲音采集夾具、聲音放大裝置、聲音傳輸裝置、聲音圖像轉換裝置、屏蔽裝置、數據傳輸裝置、終端顯示裝置等組成，結構簡圖如圖1所示。

2 控制棒棒位監測裝置理論原理論證

2.1 基本理論原理

利用控制棒在落棒時產生沖擊聲音的原理，采用鼓膜鼓腔原理將聲音信號放大，采用導音管將放大后的聲音信號傳輸至小計量場，通過相關信號處理軟件完成信號提取及分析，實現對壓水堆反應堆緊急落棒時棒位狀態的監測。

2.2 設計原理驗證

2.2.1 聲學圖像轉換原理論證

圖1 控制棒棒位監測裝置結構簡圖

圖2 聲學圖像轉換驗證結果

采用聲音傳感技術對聲音信號進行可視化顯示及數據存儲。對聲學圖像轉換原理進行了驗證，結果表明：敲擊現象產生的波形圖效果明顯，敲擊效果波形圖靈敏度較高，可準確判斷敲擊力度大小，實驗效果如圖2所示。

2.2.2 工程原理論證

對相對靜音環境下及相對噪聲環境下的落棒模擬試驗進行了驗證，驗證結果表明，該監測方法結果直觀、靈敏、穩定。實驗結果圖如圖3、圖4所示。

圖3 靜音環境落棒模擬結果圖

3 試驗裝置原理實驗論證

采用通用醫用聽診器為聲音放大裝置，聽診器膜片與對稱夾緊結構緊密接觸，實現聲音信號在對稱夾緊結構與聽診器之間的穩定傳輸，結構如圖5、圖6所示；采用醫用聽診器乳膠管為聲音信號遠傳裝置，該遠傳管一端與聲音放大裝置連接，另一端與便攜式噪聲計連接，將聲音信號數值量化。

圖4 噪聲環境落棒模擬

圖5 非標專用聲音信號采集夾具

圖6 聽診器及夾持結構

實驗結果表明：在瞬時敲擊過程中，無論在環境背景靜音還是在有噪聲環境下，敲擊產生的瞬時聲音信號均得到了較好的采集、放大、傳輸及顯示，敲擊產生的聲音信號在終端顯示器中相對數值變化較大，幅值明顯高于環境背景聲音數值，獲得的敲擊聲音信號清晰、靈敏，實驗效果如圖7、圖8所示。該研究以實驗的方式對緊急落棒時控制棒棒位監測裝置的原理合理性進行了驗證。

4 結論

從控制棒棒位監測裝置結構、基本理論原理論證、聲學圖像轉換原理論證、工程應用原理論證、控制棒棒位監測裝置原理模擬實驗論證等方面對緊急落棒時控制棒棒位監測裝置原理的合理性進行了論證。論證結果表明，該裝置在原理上可實現緊急停堆時控制棒棒位狀態的在線監測。