張媛媛，段天英，楊建偉

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

從1946 年在Los-Alamos 建立第一座快中子反應(yīng)堆Clementine 至今，世界范圍內(nèi)共建設(shè)了20 多座快堆，如美國的EBR-I、EBR-II、FFTF、CRBR，法國的Phoenix、SPX-1、EFR， 日 本 的JOYO、MONJU， 英 國 的DFR、PFR、CDFR，俄羅斯的BN-350、BN600 等。中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）已于2010 年07 月21 日臨界，并于2011 年7月21 日實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，這標(biāo)志著中國快堆技術(shù)取得重大突破，也是中國逐步實(shí)現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)志性事件。目前，600MW 示范快堆核電廠正在建設(shè)中。

在快堆技術(shù)的發(fā)展中，蒸汽發(fā)生器一直是最受重視的設(shè)備之一。鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器從結(jié)構(gòu)上來看，基本上有兩種類型：一種是整體式的，一種是分離式的。采用的管束形式有直管、螺旋型管、“U”形管和曲棍型管。既可以用單壁管，也可以采用雙壁管。但無論采用哪種類型，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即換熱管束組成壓力較高的水/水蒸汽的回路，管束外（殼側(cè)）構(gòu)成鈉回路。由于材料、制造和加工的問題，水/水蒸汽管路上會(huì)存在焊縫，管路材料本身存在微小缺陷；在鈉冷快堆運(yùn)行過程中，蒸汽發(fā)生器管路長期運(yùn)行在高溫、高壓、高流速液體沖刷以及鈉環(huán)境的惡劣條件下，這些因素均可能導(dǎo)致水/水蒸汽管路的泄漏。一旦泄漏發(fā)生，水和鈉便發(fā)生劇烈的鈉水反應(yīng)，并放出大量的熱，鈉水反應(yīng)區(qū)附近的溫度、壓力急劇升高，使漏孔腐蝕擴(kuò)大，造成泄漏的擴(kuò)大和蔓延。這不僅對(duì)蒸汽發(fā)生器管束造成破壞，而且嚴(yán)重威脅鈉冷快堆的正常運(yùn)行。

從快堆的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，發(fā)生鈉水反應(yīng)事故的概率較高。例如，俄羅斯的BN-600 在運(yùn)行的12 年中發(fā)生了12 次泄漏，其中一半出現(xiàn)在運(yùn)行的第一年[1]；英國的Dounreay 反應(yīng)堆在10 年間發(fā)生了37 次泄漏[2]。因此，蒸汽發(fā)生器管路泄漏是鈉冷快堆安全運(yùn)行的重大隱患，研究蒸汽發(fā)生器水/水蒸汽泄漏快速在線探測(cè)和定位技術(shù)是保證鈉冷快堆電廠安全運(yùn)行的重要措施。

1 探測(cè)技術(shù)

不同泄漏速度對(duì)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的損壞程度不同。為此，將泄漏速度劃分為微小泄漏（1g/s 以下）、小泄漏（1g/s ～10g/s）、中泄漏（10g/s ～1kg/s）和大泄漏（1kg/s 以上）4 個(gè)等級(jí)，針對(duì)不同程度的泄漏采取相應(yīng)的探測(cè)方法和手段。目前，鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器水/水蒸汽泄漏的主要探測(cè)技術(shù)包括：①氫計(jì)，主要用于探測(cè)微小泄漏、小泄漏和中泄漏；②氣泡噪聲探測(cè)器，主要用于探測(cè)小泄漏和中泄漏；③聲學(xué)探測(cè)方法，主要用于探測(cè)小泄漏和中泄漏；④壓力、流量、液位監(jiān)測(cè)，主要用于監(jiān)測(cè)大泄漏。

1.1 氫計(jì)

氫計(jì)包括擴(kuò)散型氫計(jì)和電化學(xué)氫計(jì)，其中擴(kuò)散式氫計(jì)技術(shù)較為成熟，其具有極高的靈敏度，但這種方法響應(yīng)時(shí)間較長，且整套系統(tǒng)龐大而復(fù)雜；電化學(xué)氫計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，但技術(shù)成熟度不高。

1.1.1 擴(kuò)散型氫計(jì)

擴(kuò)散型氫計(jì)是根據(jù)氫通過薄壁鎳管的擴(kuò)散滲透原理工作，原理圖如圖1 所示。它由鎳管傳感器、連接管路、離子泵和質(zhì)譜儀等組成。它以薄壁鎳管作為傳感器，傳感器的一側(cè)與蒸汽發(fā)生器或過熱器的鈉管路/氬氣管路相連，另一側(cè)與真空系統(tǒng)相接。當(dāng)水/水蒸氣泄漏時(shí)，鈉水反應(yīng)生成氫氣（H2）和氫離子（H+），鈉（Na）和氬氣（Ar）中的氫濃度增加，氫便通過鎳管擴(kuò)散至真空系統(tǒng)，這樣真空系統(tǒng)中的氫分壓升高，與高真空系統(tǒng)相連的離子泵可以探測(cè)到此氫分壓增加引起的真空壓力變化，從而得知泄漏及泄漏率的大小。擴(kuò)散型氫計(jì)能探測(cè)出小至50mg/s 的微小泄漏，響應(yīng)時(shí)間一般在幾十秒的量級(jí)。

目前，在快堆核電廠蒸汽發(fā)生器的鈉水反應(yīng)診斷中，普遍采用擴(kuò)散型氫計(jì)。

圖1 擴(kuò)散型氫計(jì)原理圖Fig.1 Schematic of diffusion-type hydrogen meter

圖2 電化學(xué)氫計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of electrochemistry hydrogen meter

1.1.2 電化學(xué)氫計(jì)

由于擴(kuò)散型氫計(jì)帶有復(fù)雜的超高真空系統(tǒng)和昂貴的質(zhì)譜儀，近年來發(fā)展了一種以鈉中氫為電極、以CaCI2-CaH2為電解質(zhì)、以Li-LiH 為參考電極的電化學(xué)氫計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1.2 氣泡噪聲探測(cè)器

氣泡噪聲探測(cè)器通過監(jiān)測(cè)蒸汽發(fā)生器內(nèi)氣體（氫氣）體積份額的變化，判斷蒸汽發(fā)生器內(nèi)部是否有泄漏發(fā)生，其一次儀表結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

氣泡噪聲探測(cè)器一次儀表采用永磁鈉流量計(jì)原理獲取信號(hào)，永磁鐵的磁系統(tǒng)與置于垂直磁系統(tǒng)縫隙間磁通平面上的電極對(duì)形成電信號(hào)；采用紊流發(fā)生器產(chǎn)生渦流。鈉管道中有鈉流過時(shí)，在每對(duì)電極中產(chǎn)生準(zhǔn)諧波的輸出信號(hào)，其頻率和振幅與鈉流速有關(guān)，而且頻率是速度的線性函數(shù)。除紊流發(fā)生器給出的主諧波之外，傳感器的輸出信號(hào)中還有由鈉在管道中的自然紊流、鈉流的局部和整個(gè)管道的波動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。二次儀表的功能在于對(duì)經(jīng)前置放大器放大后的輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜處理分析，將噪聲信號(hào)從本底信號(hào)中提取出來，通過與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，判斷是否給出蒸汽發(fā)生器泄漏的報(bào)警信號(hào)。氣泡噪聲探測(cè)器的有效監(jiān)測(cè)泄漏率下限可達(dá)到0.1g/s。

圖3 氣泡噪聲探測(cè)器一次儀表結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of primary instrument of bubble noise detector in sodium

1.3 聲學(xué)探測(cè)

聲學(xué)泄漏探測(cè)技術(shù)利用聲頻信號(hào)的傳播，在蒸汽發(fā)生器外殼上設(shè)置傳感器，傳感器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并傳送到檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理以確定泄漏的發(fā)生，其原理示意圖如圖4 所示。聲學(xué)探測(cè)方法可以分為無源泄漏探測(cè)和有源泄漏探測(cè)。

1.3.1 無源泄漏探測(cè)法[3]

在無源泄漏探測(cè)方法中，探測(cè)器與焊在反應(yīng)器壁上的波導(dǎo)桿相連，探測(cè)器與電荷放大器相連接，電荷放大器又連接到磁帶記錄儀或數(shù)據(jù)采集器上，可將信號(hào)記錄在磁帶上或被采集于數(shù)據(jù)采集器中；然后，再由信號(hào)分析儀或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這種方法是利用安裝在蒸汽發(fā)生器上的接收傳感器直接檢測(cè)出發(fā)生“鈉水反應(yīng)”時(shí)產(chǎn)生的聲音。

這種方法響應(yīng)時(shí)間短、設(shè)備簡單，但泄漏信號(hào)往往被淹沒在背景噪聲之中，造成該方法的靈敏度不高。因此，需研究各種噪聲的機(jī)理，分析注水信號(hào)的特性和各種因素對(duì)注水信號(hào)的影響，對(duì)背景噪聲的時(shí)域和頻域特性采用有效的信號(hào)處理方法提取泄漏信號(hào)，從而提高探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。目前，無源泄漏探測(cè)法對(duì)于微小泄漏可靠的探測(cè)范圍信噪比可以達(dá)到-20dB。

1.3.2 有源泄漏探測(cè)方法[4]

圖4 聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of acoustic detection system

在有源泄漏探測(cè)方法中，預(yù)先給蒸汽發(fā)生器裝上信息收發(fā)傳感器，傳給蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的聲波將隨“鈉水反應(yīng)”產(chǎn)生的氫氣氣泡的增加而衰減，根據(jù)這種原理來檢測(cè)水泄漏。這種方法是法國提出的，日本電力中央研究所進(jìn)行了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，并開展信號(hào)處理法實(shí)用化的開發(fā)工作。實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)模型內(nèi)部聲波的傳播方式、所測(cè)氣泡的接收和發(fā)出的聲波及接收聲波的變化，開發(fā)出了能極其敏感地測(cè)出氣泡的信號(hào)處理法。而且為了進(jìn)一步對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的“鈉水反應(yīng)”以外的各種聲音對(duì)接收聲波帶來的影響進(jìn)行研究，還為模型制造了各種模擬雜音。

有源泄漏探測(cè)法的優(yōu)勢(shì)在于背景噪聲對(duì)于探測(cè)的影響很小，但此方法不能分辨覆蓋氣體氣泡與氫氣氣泡，這降低了泄漏探測(cè)的可靠性。

1.4 壓力、流量、液位監(jiān)測(cè)

發(fā)生蒸汽發(fā)生器管道大泄漏的主要原因是換熱管雙端斷裂，換熱管內(nèi)的水與殼側(cè)的鈉會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氫氣，使蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力迅速升高，從而引起鈉緩沖罐內(nèi)的壓力升高、液位變化，蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口鈉流量差變化顯著。因此，可以通過對(duì)鈉緩沖罐的壓力、液位，以及蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口流量差設(shè)定閾值，當(dāng)超過設(shè)定閾值時(shí)斷定發(fā)生大泄漏。其中，對(duì)于流量的監(jiān)測(cè)通常采用永磁流量計(jì)。

1.4.1 鈉流量計(jì)[5]

在蒸汽發(fā)生器鈉側(cè)進(jìn)出口設(shè)置有鈉流量計(jì)，一般為永磁式流量計(jì)，發(fā)生較大鈉水反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的、大小不同的氫氣泡，這將導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口流量計(jì)輸出信號(hào)偏差增大，當(dāng)偏差超出預(yù)定范圍時(shí)，即可判斷發(fā)生了鈉水反應(yīng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加硬件設(shè)備，但對(duì)小泄漏鈉水反應(yīng)其靈敏度不高，主要用于監(jiān)測(cè)大泄漏鈉水反應(yīng)。

1.4.2 爆破片

蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力持續(xù)增加，有可能導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器殼體的破壞，爆破片是發(fā)生大泄漏時(shí)的一個(gè)安全保護(hù)裝置，當(dāng)爆破片兩側(cè)由于鈉水反應(yīng)壓差升高到一定值時(shí)，爆破片破裂，緊急排鈉，以保護(hù)蒸汽發(fā)生器。爆破片爆破壓力低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，能夠保證蒸汽發(fā)生器發(fā)生大鈉水反應(yīng)時(shí)，不超過承受能力的極限，是蒸汽發(fā)生器發(fā)生鈉水反應(yīng)的最后一道保護(hù)屏障。

表1 鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器泄漏探測(cè)方法比較Table 1 Comparison of methods of leakage detection in steam generator of the sodium-cooled fast reactor

1.5 信號(hào)處理及分析方法[2]

選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)分析方法可以有效地從探測(cè)信號(hào)中提取泄漏信息，提高噪聲探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。信號(hào)處理方法主要有傅里葉變換和小波變換，信號(hào)分析方法主要有功率譜密度（PSD）法、振幅概率密度（APD）法、均方根（RMS）分析法、二次平方法、自適應(yīng)性信號(hào)處理方法、行列式和根軌跡法以及自回歸模型等。

在已知的泄漏探測(cè)技術(shù)研究中，信號(hào)處理多采用傳統(tǒng)的傅立葉變換，信號(hào)分析方法多采用功率譜密度法、均方根法和二次平方法。

2 結(jié)論

適用于鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器泄漏探測(cè)的方法及各種方法的適用范圍、特點(diǎn)見表1。目前，比較成熟的鈉冷快堆探測(cè)鈉水反應(yīng)的方法主要有兩種：氫計(jì)和壓力液位流量監(jiān)測(cè)。聲學(xué)探測(cè)仍處于研究中，有效提取分辨泄漏信號(hào)是此方法的瓶頸。國內(nèi)目前正在研制高性能的擴(kuò)散型氫計(jì)和氣泡噪聲探測(cè)器，可應(yīng)用于后續(xù)示范快堆工程中。