向美瓊,劉艷陽(yáng),青先國(guó),吳 茜,王雪梅,鄧志光
(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610213)
核電廠是一個(gè)規(guī)模龐大且復(fù)雜的系統(tǒng),需要測(cè)量的參數(shù)眾多,例如溫度、壓力、流量、液位、振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等。傳統(tǒng)電學(xué)儀表已大量用于核電廠過程參數(shù)測(cè)量,但其自身原理決定了其在核電廠應(yīng)用時(shí)存在一定的局限性,特別是在抗電磁干擾、設(shè)備小型化、耐事故能力等方面的不足,導(dǎo)致了現(xiàn)有儀表性能與核電廠發(fā)展需求之間的矛盾日益突出。
光纖傳感技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代,是光電技術(shù)領(lǐng)域最活躍的分支之一。作為被測(cè)量信號(hào)載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖,具有一系列獨(dú)特的、其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點(diǎn),例如:具有抗電磁和原子輻射干擾的性能;徑細(xì)、質(zhì)軟、質(zhì)量輕的機(jī)械性能;絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能;耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等[1]。這些優(yōu)良性能使得光纖傳感器特別適用于易燃、易爆、空間嚴(yán)格受限制以及高溫、高壓、高濕、強(qiáng)電磁干擾等傳統(tǒng)電學(xué)傳感器不易發(fā)揮作用的場(chǎng)所及惡劣環(huán)境[2]。光纖傳感技術(shù)可以對(duì)位移、速度、加速度、壓力、液位、流量、振動(dòng)、水聲、溫度、電壓、電流、磁場(chǎng)、濃度、核輻射、氣體組分[3]等多達(dá)100多種物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,響應(yīng)時(shí)間快、精度和可靠性高。
光纖傳感器是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性,把被測(cè)量(溫度、應(yīng)變、壓力、流量等)轉(zhuǎn)換為光特性(強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長(zhǎng))的傳感器。光纖傳感器構(gòu)成如圖1所示。其基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過入射光纖送入傳感元件,光在傳感元件內(nèi)與外界被測(cè)量相互作用,使光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的光信號(hào),再經(jīng)出射光纖送入解調(diào)儀而獲得被測(cè)參數(shù)。
圖1 光纖傳感器構(gòu)成圖
光纖傳感器的種類繁多,同一種參量可以用不同類型的傳感器來測(cè)量,同一原理的傳感器又可以測(cè)量多種物理量。按照測(cè)量原理,可將光纖傳感器分為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器、偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器。按照測(cè)量范圍,其又可分為點(diǎn)式光纖傳感器、準(zhǔn)分布式光纖傳感器、分布式光纖傳感器。
(1)陣列復(fù)用傳感系統(tǒng)。
隨著光傳感和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步,智能結(jié)構(gòu)、大型構(gòu)件的出現(xiàn),人們對(duì)多點(diǎn)、多參量、大空間范圍的傳感網(wǎng)絡(luò)的需求日益迫切。陣列化光纖傳感系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)這一功能,是大規(guī)模光纖傳感發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。采用波分復(fù)用(wavelength division multiplexing,WDM)、空分復(fù)用(space division multiplexing,SDM)、時(shí)分復(fù)用(time division multiplexing,TDM)等方式,將單點(diǎn)光纖傳感器陣列化,實(shí)現(xiàn)空間多點(diǎn)或多參量的同時(shí)傳感,也稱為準(zhǔn)分布式系統(tǒng)。目前,應(yīng)用較為廣泛的是光纖光柵陣列和基于干涉結(jié)構(gòu)的陣列光纖傳感系統(tǒng),例如光纖布拉格光柵(fiber bragg grating,F(xiàn)BG)型陣列復(fù)用傳感系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和溫度的雙參量測(cè)量,應(yīng)用前景廣闊[4]。
(2)分布式光纖傳感系統(tǒng)。
分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖自身既作為傳感單元又作為信號(hào)傳輸介質(zhì)的特點(diǎn),只要將一根普通光纖沿需要監(jiān)測(cè)的空間鋪設(shè),并用一臺(tái)測(cè)量?jī)x在光纖的一個(gè)端面采集、處理信號(hào),即可獲得沿光纖長(zhǎng)度方向上隨空間和時(shí)間連續(xù)變化的被測(cè)量信息。由于光信號(hào)在光纖中的傳輸損耗低、傳輸距離長(zhǎng),光纖跨距可達(dá)幾十千米,因此一根光纖可以覆蓋數(shù)十千米的監(jiān)測(cè)范圍,相當(dāng)于成千上萬(wàn)個(gè)普通傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用[5]。分布式傳感技術(shù)把信號(hào)感應(yīng)與信號(hào)傳輸合二為一,使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便。相比于準(zhǔn)分布式傳感器,其避免了大量分離傳感元件的使用,有效降低了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本,性價(jià)比高[6]。分布式光纖傳感器包括基于瑞利散射的振動(dòng)和裂紋傳感器、基于布里淵散射的應(yīng)變和溫度傳感器、基于拉曼散射的溫度傳感器。
(3)新材料光纖傳感器。
聚合物光纖的彈性模量是石英光纖的幾十分之一,具有良好的柔軟性,應(yīng)力和應(yīng)變的靈敏度高于石英光纖,可用于工程結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)、材料斷裂分析。在低溫應(yīng)用領(lǐng)域,通過在復(fù)合材料中嵌入聚合物涂層FBG實(shí)現(xiàn)了-180 ℃ 的溫度測(cè)量[7],閃爍聚合物光纖還能進(jìn)行輻射探測(cè)。紅外光纖由比石英透過率更好的材料制成,包括重金屬氧化物玻璃、鹵化物玻璃、硫族玻璃和鹵化物晶體。它工作在紅外波段。由于瑞利散射損耗與波長(zhǎng)的4次方成反比,因此紅外光纖的損耗極低,其中,氟化物玻璃光纖工作在3~4 μm時(shí),損耗僅為0.001 dB/km,相當(dāng)于普通石英光纖的百分之一。藍(lán)寶石光纖溫度計(jì)探頭由藍(lán)寶石制成,藍(lán)寶石為三氧化二鋁單晶,透明、無(wú)放射,熔點(diǎn)高達(dá)2 045 ℃,有極高的耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性,是目前在高溫環(huán)境中最實(shí)用的光波導(dǎo)材料之一。藍(lán)寶石光纖溫度計(jì)能連續(xù)測(cè)量1 900 ℃的高溫,瞬態(tài)可達(dá)2 000 ℃[8]。
(4)納米光纖傳感器。
納米光纖也稱為亞波長(zhǎng)直徑光纖,即光纖的直徑小于其所傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)。敏感光纖尺寸越小,傳感器的靈敏度越高,并且尺寸越小,響應(yīng)越快。用納米光纖制作的納米探針、光學(xué)鑷子等能對(duì)納米尺度的樣品進(jìn)行高分辨率研究,包括DNA、RNA、蛋白質(zhì)、病毒和其他分子,已用于醫(yī)學(xué)病原體、食物毒性、地下水污染、生化武器和環(huán)境樣品等的快速檢測(cè)。
在航空航天領(lǐng)域,非本征琺珀(extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)傳感器已用于機(jī)翼和航天級(jí)復(fù)合材料的應(yīng)變測(cè)量、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裂紋測(cè)量、發(fā)動(dòng)機(jī)高速燃燒室的壓力測(cè)量;其所構(gòu)成的傳感器陣列還能用于飛機(jī)飛行時(shí)的氣流壓力測(cè)量。FBG構(gòu)成的準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)可用于飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和火災(zāi)探測(cè)。在電力系統(tǒng)中,用FBG網(wǎng)絡(luò)對(duì)高壓變壓器、高壓開關(guān)柜、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器等進(jìn)行溫度、振動(dòng)監(jiān)測(cè)[9]。借助FBG、相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)(Φ-optical time domain reflectometer,Φ-OTDR)及基于拉曼散射的分布式溫度傳感器(raman distributed temperature sensor,RDTS),可對(duì)高壓輸電線路的健康進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析導(dǎo)線舞動(dòng)過程中輸電塔架和輸電導(dǎo)線的溫度和應(yīng)變特征[10]。在石油系統(tǒng)中,RDTS已用于井下溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。據(jù)殼牌公司報(bào)道,目前已有1 200套系統(tǒng)應(yīng)用在各大油田中。FBG還用于井下溫度和壓力的同時(shí)監(jiān)測(cè)?;诠饫w光柵原理的傳感器能測(cè)量很多參數(shù),例如持水率、持氣率和流速的測(cè)量,輸油氣管道、基建等設(shè)備的應(yīng)力檢測(cè)和地震波的檢測(cè)(在海底石油勘探中采用光纖水聽器進(jìn)行地震波檢測(cè))。
國(guó)外光纖傳感器在核電廠的實(shí)際應(yīng)用還未見報(bào)道,但早在20世紀(jì)90年代,國(guó)外就開展了光纖傳感器在核電廠的應(yīng)用研究,進(jìn)行了相應(yīng)的高劑量γ和中子輻照試驗(yàn),加快了光纖傳感器在核電廠應(yīng)用的研究進(jìn)度。例如:1996年,Jensen Fredrik B.H.等研究了RDTS用于核電廠冷卻劑回路泄漏監(jiān)測(cè)[11];2005年,M.Aleixandre研究了光纖傳感器用于核廢物儲(chǔ)存室的氫氣濃度測(cè)量[12];2011年,Kyoung Won Jang研究了光纖傳感器用于γ輻照環(huán)境下的熱中子探測(cè)[13];2011年,Ph.Moreau研究了光纖傳感器用于托卡馬克裝置中等離子體電流測(cè)量[14];2012年,Gerrit J.deVilliers研究了FBG陣列用于球床堆堆芯溫度測(cè)量[15];2016年,Rinah Kim研究了光纖傳感器用于乏燃料池水溫、水位、輻射的同時(shí)監(jiān)測(cè)[16]。
國(guó)內(nèi)對(duì)光纖傳感器在核電廠的應(yīng)用研究起步較晚:2016年,國(guó)核工程有限公司的嚴(yán)振杰首次將分布式光纖溫度傳感器用于AP1000核電廠中1E級(jí)與非1E級(jí)電纜橋架火災(zāi)探測(cè)[17];2017年,大連理工大學(xué)的李金珂設(shè)計(jì)了一套用于核電站安全殼健康監(jiān)測(cè)的光纖傳感系統(tǒng),他在一座剛建成的核電站安全殼布置了FBG、白光干涉?zhèn)鞲衅鳌⒉祭餃Y分布式傳感器,三種傳感器組合用于對(duì)整個(gè)安全殼的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量[18];2017年,清華大學(xué)的白召樂研究了閃爍體光纖探測(cè)系統(tǒng)用于反應(yīng)堆內(nèi)相對(duì)中子通量密度在線測(cè)量,并在啟明星1#裝置上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試運(yùn)用[19]。除此以外,國(guó)內(nèi)對(duì)光纖傳感器在核電廠的應(yīng)用研究甚少。
結(jié)合核電廠過程參數(shù)測(cè)量需求和光纖傳感器的優(yōu)勢(shì),本文設(shè)計(jì)的光纖傳感器在核電廠的應(yīng)用路線如下。
(1)堆芯。
核電廠堆芯溫度高達(dá)上千度,因此需要測(cè)溫上限較高的傳感器。藍(lán)寶石光纖光柵高溫傳感器利用飛秒激光器將布拉格光柵寫入藍(lán)寶石光纖中。當(dāng)光柵所處環(huán)境溫度變化時(shí),反射波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變,通過對(duì)反射波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)而得到溫度值。該傳感器的量程達(dá)10~1 900 ℃,響應(yīng)時(shí)間250 ms,分辨率為0.04~0.9 ℃,精度小于2 ℃。該傳感器還能通過并聯(lián)、疊加和級(jí)聯(lián)等復(fù)用方式,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、準(zhǔn)分布式光纖傳感。但由于堆芯具有很高的γ和中子輻照,所以應(yīng)重點(diǎn)研究藍(lán)寶石光纖的抗輻照性能,從材料、工藝、封裝等多方面加以提高。
堆芯中子通量測(cè)量可采用閃爍體光纖傳感器,在光纖頂端安裝或涂覆特殊物質(zhì),該物質(zhì)與中子發(fā)生作用后產(chǎn)生閃爍光,使用光電倍增管探測(cè)閃爍光子信息可獲得探頭所在位置處的中子通量密度。清華大學(xué)的白召樂開發(fā)了一套閃爍體中子探測(cè)系統(tǒng)。該套系統(tǒng)由五種探頭組成,分別為6LIF+ZnS(Ag)、23ThO2+ZnS(Ag)、238UO2+ZnS(Ag)、9Be+ZnS(Ag)以及BGO(Bi2O3+GeO2)晶體。其中,摻有6LiF的探頭用于熱中子的測(cè)量,BGO探頭用于γ測(cè)量,其余三種探頭用于快中子的測(cè)量。但在試驗(yàn)中該傳感器測(cè)得的中子通量密度僅為10-3cm2·s-1,與核電廠堆芯中子通量密度(1013cm-2·s-1)相差甚遠(yuǎn),下一步應(yīng)研究測(cè)量范圍拓寬的問題。
(2)一回路。
一回路需要測(cè)量的參數(shù)主要有溫度、壓力、流量、液位、管道泄漏等。
主泵、主管道、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器中冷卻劑溫度測(cè)量可采用FBG。它屬于波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器,它的波長(zhǎng)受溫度和應(yīng)力的調(diào)制。為避免溫度和應(yīng)力的交叉敏感,可用不銹鋼管對(duì)傳感器探頭進(jìn)行封裝,該傳感器測(cè)量范圍達(dá)0~400 ℃,響應(yīng)時(shí)間在2 s以內(nèi)。
穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器中壓力測(cè)量可采用琺珀傳感器,外界壓力將影響該傳感器琺珀腔長(zhǎng)度,腔長(zhǎng)的變化又會(huì)引起干涉條紋的變化,通過解調(diào)干涉條紋獲得外界壓力,測(cè)量范圍達(dá)0~30 MPa。但這種大量程壓力傳感器的靈敏度較低,僅為200 pm/MPa,下一步應(yīng)研究提高靈敏度的方法,可從琺珀腔結(jié)構(gòu)和尺寸入手。
主泵、主管道中冷卻劑流量可通過測(cè)差壓的方式測(cè)量,F(xiàn)BG的反射波長(zhǎng)不僅對(duì)溫度敏感,也對(duì)應(yīng)力敏感。為避免溫度和應(yīng)力交叉敏感,可在一張石英膜片兩側(cè)分別粘貼布拉格光柵。兩片光柵所處溫度相同,因此可在消除溫度影響的情況下實(shí)現(xiàn)差壓測(cè)量。與傳統(tǒng)方式相比,這種方式只是在差壓測(cè)量部分使用了光纖傳感器,同樣需要引壓管等裝置。流量測(cè)量還可以采用光纖光柵渦輪流量傳感器。它既可通過測(cè)量漩渦頻率獲得流速,也可采用光纖光柵靶式流量傳感器[20],能通過測(cè)量靶的應(yīng)變獲得流速。
穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器液位測(cè)量也可采用FBG測(cè)差壓的方式實(shí)現(xiàn)。除此以外,還可采用基于受抑全內(nèi)反射原理或基于菲涅爾反射原理的光纖液位傳感器。這兩種傳感器都是利用光在液體和空氣中的反射率不同來實(shí)現(xiàn)的,可進(jìn)行點(diǎn)式測(cè)量和連續(xù)性測(cè)量[21-22]。
主管道冷卻劑泄漏可通過測(cè)量管道表面的裂紋和溫度來實(shí)現(xiàn)。分布式光纖振動(dòng)傳感器基于瑞利散射效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù),可以對(duì)管道表面裂紋進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量并定位。分布式光纖溫度傳感器基于拉曼散射效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù),可以對(duì)管道表面溫度進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量并定位。因此,通過測(cè)量管道表面裂紋和高能流體泄漏時(shí)的溫度異??杀O(jiān)測(cè)破前漏事故。但相比于FBG和光纖琺珻(Fabry-Perot,FP),這兩種分布式傳感器的耐輻照性能較差,下一步應(yīng)重點(diǎn)研究抗輻照加固措施。
(3)安全殼。
安全殼的測(cè)量參數(shù)主要有溫度、壓力、輻射、濕度、氫氣濃度等。溫度測(cè)量可采用分布式光纖拉曼溫度傳感器;壓力測(cè)量采用陣列式FBG,其測(cè)量小壓力時(shí)靈敏度高;輻射測(cè)量采用閃爍體光纖探測(cè)器或吸收型光纖傳感器[23-24]。由于輻射損傷效應(yīng)使傳輸光光強(qiáng)減弱,吸收型光纖傳感器通過測(cè)量光強(qiáng)的變化獲得輻射劑量。濕度測(cè)量采用基于氧化石墨烯的干涉型光纖濕度傳感器[25],氧化石墨烯吸附或釋出水分子后,其折射率會(huì)變化,導(dǎo)致干涉條紋強(qiáng)度變化,通過測(cè)量干涉條紋獲得濕度信息。氫氣測(cè)量采用干涉型光纖氫氣傳感器,在馬赫-曾德爾干涉儀的一條光路上鍍一層鈀膜,另一條光路不作處理。鈀膜吸收氫氣體積膨脹,從而使兩條光路的光程差變化,導(dǎo)致干涉條紋變化;也可用光纖光柵型氫氣傳感器[26],在光柵上鍍一層鈀膜,鈀吸收氫氣體積膨脹,使得反射波波長(zhǎng)改變。
由此可見,光纖傳感器幾乎能覆蓋核電廠各種參數(shù)的測(cè)量,理論上可以構(gòu)建一個(gè)全光纖傳感系統(tǒng),從而充分發(fā)揮光纖傳感器所具有的精度高、小型化、分布式、抗電磁干擾、本質(zhì)安全等優(yōu)勢(shì)。
核領(lǐng)域相對(duì)于其他領(lǐng)域突出的特點(diǎn)是核輻射,應(yīng)用于核電廠的各種設(shè)備需要考慮輻照問題。試驗(yàn)表明,光纖中的傳輸光在輻照環(huán)境下的衰減很大。這是因?yàn)楣饫w內(nèi)部存在雜質(zhì)和缺陷,在γ射線等高能輻照環(huán)境下,γ射線通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)使光纖內(nèi)原子電離出電子-空穴對(duì)[27]。當(dāng)電子-空穴對(duì)被缺陷和雜質(zhì)俘獲后形成色心,色心對(duì)應(yīng)著一系列電子能級(jí),對(duì)傳輸光有很強(qiáng)的吸收作用[28]。這一過程稱為光纖的輻射損傷效應(yīng),能降低光纖中傳輸光光強(qiáng)。因此,它對(duì)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的影響較大,對(duì)其他四種類型的光纖傳感器影響略小。但要將光纖傳感器用于核電廠的過程參數(shù)測(cè)量,輻射損傷是一個(gè)亟需解決的問題。
國(guó)內(nèi)外已對(duì)光纖抗輻照性能作了一些研究,目前總結(jié)幾條光纖抗輻照加固措施:①?gòu)牟牧仙?,選擇纖芯為純二氧化硅、包層為摻氟二氧化硅的光纖;②從光源的波長(zhǎng)選擇上,在輻照環(huán)境下,長(zhǎng)波長(zhǎng)的光比短波長(zhǎng)的光衰減小,一般選擇波長(zhǎng)為1 550 nm;③從處理方法上,有預(yù)輻照、熱退火、光褪色等方法。預(yù)輻照是指對(duì)光纖進(jìn)行較高劑量的輻照后,光纖再次受到輻照時(shí)敏感性降低,也稱為輻射硬化[29]。熱退火是指光纖受輻照后形成的不穩(wěn)定色心在熱驅(qū)動(dòng)下發(fā)生退化,溫度越高,熱退火效應(yīng)越顯著。光褪色是指光纖中傳輸?shù)墓馐共环€(wěn)定色心退化,光功率越強(qiáng),光褪色效果越明顯[30]。因此,對(duì)光纖進(jìn)行多次預(yù)輻照并退火可提高光纖的抗輻照性能。
盡管已有一些方法來提高光纖的抗輻照性能,但目前仍然還沒有能用于核電廠輻照環(huán)境下的光纖傳感器。因此,為了加快光纖傳感器在核電廠的應(yīng)用研究進(jìn)度,本文提出幾點(diǎn)思路:①在安全殼外的非輻照區(qū)域進(jìn)行光纖傳感器的試點(diǎn)應(yīng)用;②由于波長(zhǎng)調(diào)制型FBG和相位調(diào)制型FP的抗輻照性能較好,因此可開展在安全殼內(nèi)部的一回路用FBG進(jìn)行冷卻劑溫度測(cè)量,用FP進(jìn)行冷卻劑壓力測(cè)量的研究;③開展高γ輻照和中子輻照試驗(yàn),從材料、工藝、封裝、校準(zhǔn)方法等方面提高光纖的抗輻照性能,以滿足堆芯測(cè)量的需求。
相比于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器,光纖傳感器具有精度高、損耗低、小型化、絕緣、抗電磁干擾、本質(zhì)安全等一系列優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)100多種參數(shù)的測(cè)量,并且能完全滿足核電廠的測(cè)量需求。因此,應(yīng)盡快開展光纖傳感器在核電廠的應(yīng)用研究,逐步解決輻照損傷等問題,實(shí)現(xiàn)核電廠的全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。