高温堆球床等效导热系数实验温度测量系统设计

李 睿，任 成，＊，李聪新，孙艳飞，刘志勇，杨星团

（1.清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084；2.环境保护部 核与辐射安全中心，北京 100088）

在1999年美国核学会年会上，美国能源部提出了4代核能系统划分的概念［1-2］，同时也选出了6种可能满足第4代核能系统要求的备选堆型［3］。超高温气冷堆由于经济性、固有安全性等特点被认为是最有可能满足第4代核能系统要求的堆型之一［4-5］。其固有安全性体现在：在任何情况下堆芯余热都能通过非能动的方式导出，其中堆芯球床结构的等效导热系数在余热导出过程中起主导作用［6］。“球床等效导热系数实验研究”是清华大学核能与新能源技术研究院（简称核研院）承担的国家重大科技专项“高温气冷堆核电站HTR-PM 中重要安全问题研究”课题的子课题研究内容。通过实验测量，获得更准确的球床等效导热系数，在HTRPM 安全分析报告中能更好地评价其安全性。

目前高温气冷堆球床等效导热系数的大型实验研究很少，缺少同类实验的设计参考。由于在高温、碳还原环境下存在诸多材料和结构等工程因素限制，已有的实验研究都停留在1 000 ℃以下。清华大学核研院此次实验研究计划将测试温度提升到1 600 ℃，将涵盖高温堆事故工况的主要温度范围（8 00～1 600 ℃）。在高温碳还原环境下，由于石墨对材料的渗碳反应，多数测温方式并不适用，必须解决高温碳还原环境下测温的稳定性问题。同时，在全尺寸实验研究中，球床规模较大，为能准确测量球床的温度场，需要大量的温度测点，因此测量系统的搭建尤为重要。

本文以HTR-PM 球床堆芯等效导热系数全尺寸实验研究为背景，搭建测量等效导热系数的温度测量系统，设计制作合适的前端传感器，并完成数据采集系统的硬件搭建及软件编写，为全尺寸等效导热系数实验做充分的准备。通过实验获得更准确的球床等效导热系数，从而提高中国模块式高温气冷堆设计计算和安全分析的能力。

1 实验装置

堆芯球床等效导热系数测量装置包括实验装置本体、实验台架、真空系统、冷却水系统、温度测量系统、电源系统、升降机构、控制系统等。其中，炉体主体、保温层、加热系统是测量装置本体设计中最重要的部分，其结构如图1所示。通过整套系统的运行，可模拟高温气冷堆的温度和气体氛围。通过测量环形球床区（图中未画出堆积石墨球）内的三维温度场信息，即可算得不同温度范围内的堆芯球床等效导热系数。

图1 炉体剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of furnace profile

实验装置内部通过真空系统可使炉体内处于真空环境，或在抽真空后充入氦气或氮气使其处于氦气或氮气环境。环形球床区内随机堆积着近七万个直径为60mm 的石墨球，石墨球直径及球床厚度均与真实反应堆堆芯尺寸一致，因此，构造出的球床结构是具有代表性的。实验装置的加热系统采用中心电阻式加热方式，热量由内向外扩散，通过均温、保温以及水冷等方式使球床测试区内达到相应的温度分布。理论估算表明，均温套筒外壁（环形球床区内壁）为测试区内最高温度，最高可达到1 600℃；温度沿球床径向逐步降低，到达侧保温层内壁（环形球床区外壁）时约1 400 ℃，球床区径向温降设计为200℃左右。上下保温层厚度远超侧保温层厚度，因此热量在球床区内近似一维径向流动。球床区域需监控三维温度场信息，采用热电偶作为测温元件，沿径向均匀分布6层，每一径向位置处周向再均匀分布5支，共30支热电偶。每支热电偶设计为一偶三芯方式，测点分为上、中、下3层，每层5×6个测点，共90个测点，测点分布如图2所示。球床区热电偶均从底部安装，在炉底板上采用密封圈进行真空密封。球床区是实验装置中最重要的温度监控区域，最高测试温度将达到1 600 ℃，涵盖了高温堆安全分析中的全部温度范围，且热电偶测点全部嵌入石墨球床中。此外，在炉体内上、中、下保温层内部以及各路冷却水回路中也将布置相应温度测点监控，这些地方的温度相对较低。加热系统通过与前端热电偶和采集系统的配合完成实验的测量任务。

图2 球床区测点布置Fig.2 Arrangement of measuring points in pebble bed area

2 前端传感器的选择

高温石墨环境下的温度测量是HTR-PM球床等效导热系数实验成败的关键。由于实验温度范围为0～1 600 ℃，因此要求所需的热电偶有较大的测温范围。当热电偶处于高温石墨环境中时，石墨对热电偶保护套管的强渗碳反应，会使热电偶保护套管气密性下降甚至破坏，造成热电偶电势漂移乃至丧失测量能力，因此对所需热电偶的长期稳定性也要有较高的要求。除承受1 600 ℃的高温石墨环境外，由于从底部安装，必须穿过下保温层到达指定测点位置，因此对其在高温条件下的机械强度要求较高。

热电偶一般都是由偶丝、绝缘材料以及保护套管三部分组成。不同部分材料的性能指标对热电偶的性能也会产生影响，其中偶丝的选择是整个热电偶能否完成测量任务的关键。对于要求能在1 600 ℃碳还原环境中稳定工作，国际电工委员会推荐的标准热电偶并不能完全满足要求［7］。因此本文将非标准热电偶作为选择方案，测温方式为接触式的热电偶中温度最高的钨铼热电偶［8-9］。它可在2 000 ℃下长期稳定工作，测温范围满足所需的温度要求。

针对热电偶要求有大的测温范围、较高的机械强度以及高温石墨环境下有较高的稳定性这3个技术难点，本文做如下技术处理：

1）由于热电偶的测温范围与偶丝的直径相关，偶丝越粗，耐受温度越高，所以首先增大钨铼偶丝的直径，尽量提高其使用温度。

2）采用锻打钼管做保护套管，这种钼管和常用钼保护管的区别是通过锻打增加了金属钼的致密性，通过机械钻孔使钼棒形成厚壁钼管，从而增强其耐用性。

3）偶丝用高纯氧化铝柱绝缘，氩气填充保护套管间隙，减少高温条件下碳在介质中的扩散，尽量减少偶丝和碳元素的接触，增强其在高温碳还原环境下的长期稳定性。

4）由于球床导热系数测量装置中球床区的高温测点有90个，分上、中、下3层，为减少在炉体下端盖上的开孔数量，所以采用一偶三芯的设计方案。

在以上处理的基础上，自主设计并制作了特制的钨铼热电偶以满足实验需求，其结构设计如图3所示。与此同时对热电偶的内部结构也进行了设计，如图4所示。在偶丝的连接点处，除球形焊点外，增加了一个捆绑结构，即使焊点在高温条件下碳化导致2 种偶丝接触变差，通过保证2种偶丝的有效接触，也可增加热电偶信号的稳定。

图3 钨铼热电偶设计方案Fig.3 Design scheme of tungsten-rhenium thermocouple

图4 钨铼热电偶内部改进设计Fig.4 Improvement of tungsten-rhenium thermocouple internal design

最终采用锻打钼管作保护套管、采用粗偶丝提高使用寿命、焊点采用焊接加机械捆绑、绝缘采用高纯细氧化铝管、套管抽真空并充入氩气保护的设计方案。

3 数据采集系统

数据采集系统是进行后期实验数据分析的基础，为提高实验结果的精度和增加对实验过程的把控，所有实验项目均完全采用自主设计的数据采集系统。数据采集系统包括前端传感器、数据采集硬件和计算机软件三部分。球床等效导热系数测量装置数据采集的难点和重点是高温碳还原环境下的温度测量，第2节已解决了温度传感器的问题。本节重点讨论数据采集系统硬件和软件设计。

球床导热系数测量装置的数据采集系统硬件全部采用美国NI公司的数据采集系统，软件开发也采用NI数据采集系统相应的Lab-VIEW 软件。

3.1 采集系统硬件

基本设计思路是针对实验装置上提供的基本测控信号类型，对数据采集系统进行相应的设计和调试。同时，采集系统的设计必须具有一定的灵活性，以应对实验装置本体测控信号的变动。

经过设计分析，整个实验过程中的测控主要包括钨铼热电偶信号采集、K 型热电偶信号采集、模拟信号（加热功率、冷却水流量等的控制）的输出、模拟信号（冷却水流量、压力、真空度等）的输入、数字信号（加热系统超温、冷却水失压等报警信号）输入以及数字信号（控制一些开关量和继电器）的输出6类信号。

根据之前的思路设计和信号分析，所配置的硬件系统由一套标准信号采集设备PXI机箱和一套隔离信号（信号调理）采集设备SCXI机箱共同组成，系统结构、连接方式以及模块配置如图5所示。

图5 NI数据采集系统硬件构成Fig.5 Structure of NI data acquisition system hardware

硬件配置方面采用PXIe-1075机箱、PXIe-8108控制器、SCXI1001 信号调理机箱和其中的12 个SCXI-1125 隔 离 温 度 采 集 模 块、1 个PXIe-4353热电偶采集模块和PXIe-6363多功能卡。具体采集任务分配如下：

1）每个SCXI-1125板卡由8 个隔离温度采集通道组成，12 个模块采集96个钨铼热电偶的电压信号。

2）PXIe-4353板卡配置为K 型热电偶采集方式，可采集32个通道低温温度信号。

3）PXIe-6363多功能卡完成其他数据采集和控制任务，模拟输入输出均配置为差分输入方式，共有16个电压输入通道，加热系统电压、电流、真空压力、冷却水流量等采集可通过这些通道完成；4个模拟电压输出通道用于模拟量控制。该多功能卡的48个数值输入输出通道可分别配置为输入或输出，根据系统要求，具体将16个配置为数值输入通道；32个配置为数值输出通道。

在配置了采集信号类型对应的物理通道以后，测量装置中的测量信号只需接入相应的通道即可完成测量，并可根据实验需求随时增加、减少所需测量的量。所有采集参数根据具体采集个数按照顺序存储，每列为1个时间点，每行为1个采集时刻。在采集时间记录方面，除记录采集绝对时间的字符串外，还记录1个与实验开始时刻相关的相对时间，该时间采用相对开始时刻的秒数记录，精确到毫秒，以方便数据处理。

3.2 采集系统软件设计

设计模式是软件实践中通用的程序框架，本质是一种对相似问题进行总结的代表性程序开发规范。由于球床导热系数实验装置测控系统的复杂性和程序的通用性，软件设计过程中充分考虑了设计模式。在LabVIEW 程序编写中，主要采用了生产者／消费者模式与队列模式相结合。数据采集和存储采用了基于数据队列的生产者／消费者模式，保证数据采集存储功能的完成。控制变量输出与用户界面操作相关，由于输出时间的随机性，将输出时间与用户界面的其他操作一起，采用了消息队列结构。

设计完成后的软件主要由主显示界面、通道配置界面、控制和状态显示界面、存储文件查看界面4部分组成。

主显示界面如图6所示。在主显示界面的左侧有3个数据表，分别显示球床导热系数测量装置球床中的上、中、下3层热电偶，每个数据表的每行为1组径向温度测量，共5组，代表周向的5组测点。在数据表的右侧为与测点对应的绘图选择标记，若需绘图则打钩，每层热电偶用1种颜色表示，在右侧绘图区域中动态显示打钩的测点温度变化。同理，K 型热电偶单独编为1组，也采用同样的方式进行数据显示和绘图。

图6 采集系统主界面Fig.6 Main interface of acquisition system

主显示界面下方为加热系统、真空系统和冷却系统的主要参数显示，这些参数是系统运行过程中的主要关心参数。

右下角为实验的基本操作，为使软件运行过程中无过多外界干预，只有系统自检、开始实验和退出几个按钮。

通道配置界面如图7所示。存储设置包括采集速率、存储路径和单个文件长度。其余为6种信号的配置信息表，所有通道均有一个默认名称，在通道存储名称不单独进行设置时，可直接采用默认名称存储。根据信号不同，设置的内容也不相同，钨铼热电偶、K型热电偶、数值输入输出通道只需设置通道数目和存储名称即可，模拟输入输出通道需设置相应的量程变换。

控制和其他参数显示界面如图8所示，该界面中显示的通道数目与参数设计界面中设置的通道数目自动保持一致。输出值的设置改变后，立即发送数值改变消息将相应控制变量输出。

图7 采集系统配置参数界面Fig.7 Acquisition system interface for configuration parameter

图8 采集系统控制界面Fig.8 Control interface of acquisition system

存储文件查看界面如图9所示，主要便于查看已存储的实验数据。文件存储列表中列出所有存储的文件，选择相应文件，通道选择列表即列出该文件中存储的所有测量通道数据。通道选择是一个复选框，可选择多个通道数据绘图。

波形图中绘出相应通道数据随时间的变化。

图9 存储文件查看界面Fig.9 Interface for storing files

3.3 实验验证结果

球床等效导热系数实验装置是一项大型实验工程，规模较大，建设周期较长，目前仍在建设之中。为验证理论设计的可行性，前期建造了一个比例缩小的验证实验装置，用于对实验中将用到的材料、结构、设备等关键设计进行先期考验验证。验证装置的结构与最终实验装置基本相同，如图10a所示，仅在径向尺寸上有所缩小，内部所用材料、气体氛围、试验参数与最终设计一致，图中T0～T13为温度测点。验证实验结果如图10b所示。由图10b可见，均温套筒及环形测试区内温度达到了设计温度1 600 ℃，保温层内形成了稳定的温度梯度。实验过程经历了升温、保温、降温全过程，温度测量系统运行稳定。

图10 验证实验结果Fig.10 Result of validation experiment

4 结束语

本文以HTR-PM 球床堆芯等效导热系数全尺度实验研究为背景，采用稳妥的技术路线完成了对高温气冷堆等效导热系数实验温度测量系统的设计，解决了高温（1 600 ℃）石墨环境下导热系数测量中存在的诸多工程技术问题，完成了数据采集系统硬件搭建、软件编写，为全尺寸等效导热系数实验做好了充分的准备。为通过实验获得更为准确的球床等效导热系数，从而提高中国模块式高温气冷堆设计计算和安全分析的能力奠定了基础。

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