紧急落棒时控制棒棒位监测装置原理论证

0 引言

控制棒是反应堆控制系统和安全保护系统的重要组成部分。反应堆在事故状态下操作人员需对控制棒进行紧急落棒操作，落棒棒位状态直接关系到反应堆的紧急停堆状态[1-4]。目前，针对压水堆反应堆控制棒监测的研究原理主要集中于电流信号监测、电磁感应监测、压水堆数字化监测等技术领域研究。以上研究正常情况下可较好地判断棒位状态，但现有研究主要采用设备内置式或设备固定式的设计方法，没有针对特定工况的棒位状态进行监测的研究[5-14]。充分考虑压水堆反应堆堆内构件检修频率低、外围工作空间小、工作环境恶劣、辐射剂量大等现实性问题，有必要加强针对压水堆反应堆紧急落棒时棒位状态监测的研究，以满足稳定性、准确性、便携性、耐辐照性、高通用性等技术要求。

1 控制棒棒位监测装置设计

本装置主要由专用声音采集夹具、声音放大装置、声音传输装置、声音图像转换装置、屏蔽装置、数据传输装置、终端显示装置等组成，结构简图如图1所示。

2 控制棒棒位监测装置理论原理论证

2.1 基本理论原理

利用控制棒在落棒时产生冲击声音的原理，采用鼓膜鼓腔原理将声音信号放大，采用导音管将放大后的声音信号传输至小计量场，通过相关信号处理软件完成信号提取及分析，实现对压水堆反应堆紧急落棒时棒位状态的监测。

2.2 设计原理验证

2.2.1 声学图像转换原理论证

图1 控制棒棒位监测装置结构简图

1. 声音采集夹具夹紧装置2.声音放大装置 3.声音采集夹具操作手柄 4. 声音传输装置 5. 传输装置与屏蔽装置接头 6.屏蔽装置 7.数据传输装置 8. 终端显示装置 9.声音图像转换装置

图2 声学图像转换验证结果

采用声音传感技术对声音信号进行可视化显示及数据存储。对声学图像转换原理进行了验证，结果表明：敲击现象产生的波形图效果明显，敲击效果波形图灵敏度较高，可准确判断敲击力度大小，实验效果如图2所示。

2.2.2 工程原理论证

对相对静音环境下及相对噪声环境下的落棒模拟试验进行了验证，验证结果表明，该监测方法结果直观、灵敏、稳定。实验结果图如图3、图4所示。

图3 静音环境落棒模拟结果图

3 试验装置原理实验论证

采用通用医用听诊器为声音放大装置，听诊器膜片与对称夹紧结构紧密接触，实现声音信号在对称夹紧结构与听诊器之间的稳定传输，结构如图5、图6所示；采用医用听诊器乳胶管为声音信号远传装置，该远传管一端与声音放大装置连接，另一端与便携式噪声计连接，将声音信号数值量化。

图4 噪声环境落棒模拟

图5 非标专用声音信号采集夹具

图6 听诊器及夹持结构

实验结果表明：在瞬时敲击过程中，无论在环境背景静音还是在有噪声环境下，敲击产生的瞬时声音信号均得到了较好的采集、放大、传输及显示，敲击产生的声音信号在终端显示器中相对数值变化较大，幅值明显高于环境背景声音数值，获得的敲击声音信号清晰、灵敏，实验效果如图7、图8所示。该研究以实验的方式对紧急落棒时控制棒棒位监测装置的原理合理性进行了验证。

4 结论

从控制棒棒位监测装置结构、基本理论原理论证、声学图像转换原理论证、工程应用原理论证、控制棒棒位监测装置原理模拟实验论证等方面对紧急落棒时控制棒棒位监测装置原理的合理性进行了论证。论证结果表明，该装置在原理上可实现紧急停堆时控制棒棒位状态的在线监测。