輻照孔道液位測量方法探討

馮艷明，呂仙鏡，王育坤，張勁松，斯俊平，孫 勝

（中國核動力研究設計院，成都 610213）

輻照生產液態同位素是將按一定工藝要求配比成的料液放入輻照裝置內，再將輻照裝置置于輻照孔道內，經過一定的時間和強度輻照后，再將料液從輻照裝置取出，從中分離提取同位素。根據工藝要求，堆內輻照裝置及配套系統建成后，需實現對輻照過程中輻照裝置內料液的液位進行監測，當料液高于或低于預設的液位時發出電信號。

1 液位測量方法分析

目前的液位測量技術方法多達20 多種，根據測量原理可以分為：①玻璃管法、玻璃板法、雙色水位法、人工檢尺法；②吹氣法、差壓法、HTG 法；③浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；④電容法、電阻法、電感法；⑤磁致伸縮法、超聲波法、調制型光學法、微波法；⑥磁翻板法、振動法、核輻射法、光纖傳感器法。其中，超聲波液位計、浮力式液位儀表已經在核電站廣泛應用，輻照孔道內料液的液位測量之所以成為難點，是由以下方面原因導致[1,3,4]：

1）輻照裝置的結構。輻照裝置為一個細長形的下細上粗的圓筒形結構，下細段與上粗段由喇叭形連接過渡，其最大處內徑為87mm，最小處內徑僅為55mm，頂蓋距底面達3307mm，且為密閉結構。此細長密閉結構導致通過浮力方式進行測量的液位計，如磁翻板液位計、浮筒超聲波液位計、磁致伸縮液位計等，由于浮球大而空間小導致無法安裝。雷達液位計等利用光波反射原理進行測量的液位測量儀表，由于體積大無法安裝或安裝后產生虛假回波而不能使用[1-5]。

2）料液的特點。料液為含有放射性物質的稀硝酸，稀硝酸一方面因具有腐蝕性導致一部分液位測量儀表無法正常工作或壽命縮短，如磁性液位開關；另一方面，稀硝酸揮發形成的酸霧導致一部分液位測量儀表，如雷達液位計和超聲波測量不準確。此外，料液內的放射性物質具有較強的放射性也會導致幾乎所有非全金屬制造的液位測量儀表，如利用壓力原理工作的壓變式液位傳感器無法進行測量或極大縮短其工作壽命[4]。此外，料液體積相對于輻照裝置容積太小，料液總體積不足4L，即使料液處于最高液位時距輻照裝置底部僅800mm，距頂蓋卻達2500mm，導致一部分液位測量儀器超出其工作量程范圍。

3）輻照裝置所處的環境。整個輻照裝置被安裝在位于反應堆堆芯處的輻照孔道內，輻照裝置與輻照孔道之間的空隙很小且由去離子水隔離，導致部分液位測量儀表，如利用連通器原理工作的玻璃管式液位計，及利用核輻射法原理工作的液位計無法安裝，或安裝后無法進行液位觀察[1,4]。此外，由于料液輻照周期較長，且料液在進行輻照時無法對輻照孔道內的液位測量裝置進行檢修，因而對輻照孔道內的料液進行液位測量時，還需具備極高的可靠性。

綜上所述，目前市面上還沒有一種液位儀表能夠同時滿足在細長密閉、高輻射、強腐蝕環境下輻照孔道內進行液位測量的要求。因此，需要對輻照裝置的液位測量進行設計，為此本文提出了3 種液位測量方案以滿足系統要求。

2 液位測量方案一

該液位測量利用稀硝酸的導電性進行測量，其液位測量原理如圖1。

圖1 液位測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of liquid level measurement

4 條含耐輻照絕緣層的耐酸腐蝕的導線如圖1 所示，通過輻照裝置頂部插入到液面以下高低不同位置，導線與輻照裝置用耐輻照耐腐蝕的橡膠絕緣且密封，導線與導線之間相互絕緣，將導線1 接交流電，根據其余導線的電信號的輸出情況就可以判斷液位情況。當液位處于最低液位時，此時液位均不與導線2、導線3、導線4 接觸，導線2、導線3、導線4 均無電信號輸出；當液位處于與導線1、導線2 接觸，不與導線3、導線4 接觸時，導線2 輸出電信號，導線3、導線4 無電信號輸出；當液位處于與導線1、導線2、導線3 接觸，未與導線4 接觸時，導線1、導線2、導線3 輸出電信號，導線4 無電信號輸出；當液位處于與導線1、導線2、導線3、導線4 接觸時，導線1、導線2、導線3、導線4 均有電信號輸出，此時液位處于高液位。

該液位測量屬于非連續測量，但可對液位進行監測，能夠滿足系統對耐輻照、耐腐蝕、可在狹小密閉空間內安裝的要求，具有安裝方便，可靠性高，結構簡單，體積小等優點。液態同位素生產試驗系統即采用該測量方法，此方法已申請實用新型專利。

3 液位測量方案二

該液位測量方法的原理是電阻定律，即在其余參數不變的情況下，電阻大小與導體的長度成正比，適用于測量溫度、濃度變化不大的導電溶液。測量方法主要由液位測量導體、電阻測量模塊、電信號處理單元等組成。液位測量導體處于輻照裝置中，電阻測量模塊與信號處理單元處于非放射性的常規環境中。液位測量導體的下部分浸在被測導電溶液中，上部分露出被測導電溶液。液位測量導體浸入導電溶液的長度，取決于被測導電溶液的液面變化范圍。液面變化范圍大時，液位測量導體浸入導電溶液的長度應增長，反之縮短。液位測量導體浸入導電溶液的截面周長，取決于被測導電溶液的電阻率。電阻率較小時，液位測量導體浸入導電溶液的截面周長應增大，反之減小。液位測量導體由電阻小，不與被測導電溶液反應的耐輻照、耐腐蝕、耐高低溫的材料制成，且浸在導電溶液中的液位測量導體的徑向截面為固定形狀、大小，不隨軸向路徑變化。連接方式根據存放被測導電溶液的容器或孔道是否屬于導體，分為兩種情形。情形一：存放導電溶液的容器或孔道屬于導體，電阻測量模塊一端通過電導線與液位測量導體和存放溶液的容器或孔道分別相連接，另一端通過電導線與信號處理單元相連接，液位測量導體與存放導電溶液的容器或孔道位置固定且絕緣，其原理圖如圖2。情形二：存放導電溶液的容器或孔道不屬于導體，電阻測量模塊一端通過電導線與兩支液位測量導體分別相連接，另一端通過電導線與信號處理單元相連接，兩支液位測量導體間位置固定且絕緣，其原理圖如圖3。

圖2 情形一原理圖Fig.2 Scenario 1 schematic

圖3 情形二原理圖Fig.3 Schematic diagram of the second case

該測量方法可以對液位進行連續測量，具有易于安裝，穩定可靠，可分區布置等優點，但當溶液溫度、濃度變化較大時測量存在一定誤差，可以應用在溶液溫度、濃度變化不大或對測量精度要求不高的場合，該測量方法已申請發明專利。

4 液位測量方案三

該測量方法是利用氣體不溶于料液結合氣動技術測量的，主要由氣源、過濾器、減壓閥、干燥器、金屬氣管、壓力開關/壓力繼電器、電信號處理單元、單向閥等組成，其原理圖如圖4。盛放液體的密閉容器或孔道位于放射性區域中，其余元器件位于通常環境中。用于測量液位的金屬管分別伸入密閉容器或孔道中不同長度，其數量和伸入密閉容器或孔道的高度根據實際要求決定，并與密閉容器或孔道密封。金屬管（進氣管）依次通過5 單向閥、4 干燥器、3 減壓閥、2 過濾器與1 氣源相連通，金屬管（出氣管A、B、C）則分別通過17-19 單向閥與廢氣處理中心相連通，14-16 壓力開關/壓力繼電器的壓力輸入端旁接于17-19 單向閥之前的金屬管路中，輸出端則與電信號處理單元相連接。14-16 壓力開關/壓力繼電器均設置為相同初始狀態，即無氣壓觸發時為常開或常閉狀態。進行液位測量時關閉控制7、8 料液進、出管的6、9 截止閥，使整個容器或孔道為密閉狀態。一定流量、壓力的氣體依次通過1 氣源、2 過濾器、3 減壓閥、4 干燥器、5 單向閥由11 金屬管（進氣管）進入到容器或孔道內。該氣體為不溶或難溶于被測液體且不與被測液體起反應的氣體，經3 減壓閥后的氣體壓力大于5、17、18、19 單向閥的開啟壓力和14、15、16 壓力開關/壓力繼電器的觸發壓力。當液面位于11 金屬管（出氣管A）以上時，即最高液位位置時，11 金屬管（出氣管A）、12 金屬管（出氣管B）、13金屬管（出氣管C）管內均無氣體排出，14-16 壓力開關/壓力繼電器均為初始狀態，不動作，均無開關量信號輸出。當液位位于11 金屬管（出氣管A）以下，12 金屬管（出氣管B）以上時，11 金屬管（出氣管A）內有氣體排出，對應的14 壓力開關/壓力繼電器A 輸出開關量信號，12 金屬管（出氣管B）、13 金屬管（出氣管C）內無氣體排出，15 壓力開關/壓力繼電器A、16 壓力開關/壓力繼電器B 無開關量信號輸出。當液位位于12 金屬管（出氣管B）以下，13 金屬管（出氣管C）以上時，11 金屬管（出氣管A）和12 金屬管（出氣管B）內有氣體排出，對應的14 壓力開關/壓力繼電器A 和15 壓力開關/壓力繼電器B 輸出開關量信號，13 金屬管（出氣管C）內無氣體排出，16 壓力開關/壓力繼電器B 無開關量信號輸出。當液位位于13 金屬管（出氣管C）以下時，11 金屬管（出氣管A）、12 金屬管（出氣管B）和13 金屬管（出氣管C）內均有氣體排出，對應的14 壓力開關/壓力繼電器A、15 壓力開關/壓力繼電器B、16 壓力開關/壓力繼電器C 均輸出開關量信號。

圖4 方案三原理圖Fig.4 Schematic diagram of scheme three

電信號處理單元根據上述14 壓力開關/壓力繼電器A、15 壓力開關/壓力繼電器B、16 壓力開關/壓力繼電器C 輸出的開關量信號情況即可邏輯判斷輸出相應的液位狀態。若需增加或減少測量的液位狀態，只需根據情況增加或減少金屬管（出氣管）和對應的單向閥、壓力開關/壓力繼電器的數量即可。

該測量方法可以進行非連續測量，無須對料液進行通電操作，無須采用絕緣材料和密封材料，可使輻照裝置內部僅安裝除金屬管外再無其它金屬或非金屬零部件，使得該測量方法壽命更長，安裝更簡單。若液態同位素生產試驗系統采用該測量方法可不再增設氫氣稀釋系統，簡化了系統。該測量方法具有安裝簡單，性能穩定可靠，壽命長等優點，目前已申請發明專利。

5 結論

本文通過對目前市面上的液位測量方法及原理和工程實際進行了對比，梳理總結了目前市面上的液位測量方法不能勝任輻照孔道內液位測量的原因。為解決工程實際，提出了3 種輻照孔道內液位測量的方案，方案均具有可行性、創新性，具有進一步研究、推廣應用價值。其中，方案一已應用于生產試驗中，能夠滿足工程實際要求。