技术领域
[0001] 本
发明涉及反应堆堆芯
温度监控装置，具体涉及一种基于热声、热电效应的反应堆堆芯监控装置。
背景技术
[0002] 1979年美国三里岛事故、1986年苏联切尔诺贝利事故及2011年日本福岛事故引起国际组织和核设计单位越来越重视核堆安全问题。
[0003] 目前，非能动技术在
能源工业特别是在核能领域开始担当重要
角色，非能动技术被视为核电安全的救星。纵观核电技术发展趋势，采用非能动安全系统已成为下一代核电发展的先进理念和技术突破方向，是先进核电技术的主要标志，保障核电安全不可或缺的手段。不论是西屋公司开发的AP1000，瑞典提出的固有安全性堆PIUS、欧洲的EPP1000、日本的SPWR、还是中国的ACP1000等核电技术，其在安全性方面最显著的特征就是非能动安全系统。遗憾的是作为监测和控制反应堆运行眼睛(
传感器)一直采用二代核
电机组技术，通常采用集成
电路或者独立电源支持。这导致，严重事故情况下，电
力驱动的传感器设备是核安全系统中最薄弱的环节。为尽可能确保传感器工作的
稳定性，设计中通常采取多套独立的
数据采集和独立供电装置，给予极其夸张的设计
冗余度。尽管如此，当核动力装置处于极端危险环境时，特别是如日本福岛事故中海啸引起
海水倒灌导致电源供电系统破坏，将引起传感器示数出现偏差，甚至失效等严重后果。
[0004] 由于
核反应堆中温度较高(在出现事故时温度可达到
燃料棒的融化温度)，空间狭小(燃料棒间距为12.6mm)，导致无法采用直接测量的方式获取到。反应堆堆芯温度测量基本是通过铠装
热电偶穿过
压力容器顶盖，越过压紧部件顶板，通过
支撑筒和导向筒，测量堆芯出口
冷却液温度计算出堆芯温度。在严重事故状态下，特别是严重破口事故时将无法获取到燃料棒温度，失去数据准确且及时的反馈将严重危及反应堆安全运行，导致反应堆
熔化。为此，中国发明
专利201480080472.0公开了一种热声式核功率分布测量组件，通过声学遥感装置解析反应堆堆芯内的功率分布情况，但反应堆
安全壳内各种高温高压
流体、
辐射、
泵等强噪声背景下，根本无法对声音
信号进行识别，导致目前该技术还停留在实验室研究领域。中国发明专利201510136951.6公开了一种基于热声效应的核反应堆非能动测温装置，采用由声音的
频率与温度所存在的特定关系将温度信号转
化成声信号，通过测量声信号来反馈堆芯温度的技术路径，其与发明专利201480080472.0缺点一样，反应堆内部工作环境极其复杂，事故工况下复杂声场条件下，远程解析难度极大。另外，针对日本福岛事故，即发生一回路严重破口事故和断电时，热声传感器单独的声音警告并不能解决堆芯
过热问题，更进一步的，对于反应堆的监控，需要的不仅是非能动测温技术，更为重要的是能够极端破口事故条件下提供可靠的非能动堆芯冷却能力。
[0005] 有鉴于此，急需对现有的反应堆堆芯监控装置进行改进，增加其检测
精度及监控能力，并解决反应堆堆芯
温度控制能力弱的问题。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是现有的反应堆堆芯监控装置所存在的检测精度及监控能力差，事故工况下反应堆堆芯温度控制能力弱的问题。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于热声、热电效应的反应堆堆芯监控装置，包括
控制棒，所述控制棒内由靠近堆芯至远离堆芯依次设有：
[0008] 热声、热电装置，包括依次设置的谐振空腔、多孔
电极板、多孔介质和导热电极板，所述多孔电极板和所述导热电极板连接有无源显示器；
[0010] 在上述方案中，所述谐振空腔连通所述多孔电极板、多孔介质和导热电极板，所述谐振空腔、多孔电极板、多孔介质和导热电极板位于封闭的腔室内，所述腔室内填充有气体工质。
[0011] 在上述方案中，所述多孔电极板上通孔的直径大于0.5mm。
[0012] 在上述方案中，所述热声装置长度为
声波1/4
波长的整数倍。
[0013] 在上述方案中，所述无源显示器包括针型
电压计、频闪灯和变频
颜色灯，还包括可通过信号变送器实现显示或远程传输的元器件。
[0014] 在上述方案中，所述散热装置包括散热腔，所述散热腔内设有液体工质和外部设置有带有翅片的
风冷装置。
[0015] 在上述方案中，所述多孔介质与所述多孔电极板和所述导热电极板一体设置。
[0016] 在上述方案中，所述多孔介质包括多个堆叠设置的多孔介质
单体，所述多孔介质单体呈板状或管状。
[0017] 与
现有技术相比，本发明，在不改变反应堆整体设计和不增加额外开口的
基础上，通过直接在控制棒内设置一套基于热声、热电效应的反应堆堆芯监控装置实现对反应堆堆芯温度的监测和余热导出，解决了使用传统的热声传感器所存在的声频信号提取难度大、监测精度低和实际监测中操作性差的问题。
附图说明
[0018] 图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
[0019] 本发明提供了一种基于热声、热电效应的反应堆堆芯监控装置，本发明的目的在于提供一种不影响反应堆结构设计的堆芯温度传感装置，兼具极端事故下非能动堆芯热量导出功能的反应堆堆芯温度监控装置。
[0020] 本发明，在不改变反应堆整体设计和不增加额外开口的基础上，通过直接在控制棒内设置一套基于热声、热电效应的反应堆堆芯监控装置实现对反应堆堆芯温度的监测和余热导出，通过引入瞬态热电装置，可将温度信号以更加稳定的
电信号进行远程传输，由此解决了使用传统的热声传感器所存在的声频信号提取难度大和实际监测中操作性差的问题。下面结合
说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。
[0021] 如图1所示，本发明提供的一种基于热声、热电效应的反应堆堆芯监控装置，包括控制棒2，控制棒2内由靠近反应堆的堆芯1至远离堆芯1依次设有：热声、热电装置和散热装置5。散热装置5设置在导热电极板7上。热声、热电装置包括热声装置3和热电装置4。热声装置3包括依次远离堆芯1设置的谐振空腔9、多孔电极板8、多孔介质10和导热电极板7。热电装置4包括多孔电极板8、导热电极板7、无源显示器6，还包括复用于热声装置3的多孔介质10。无源显示器6包括针型电压计、频闪灯和变频颜色灯，还包括可通过信号变送器实现显示或远程传输的元器件。散热装置5包括散热腔，散热腔内封装有液体工质和带有翅片的风冷装置。本发明，热声、热电装置内设有封闭腔室，谐振空腔9连通多孔电极板8、多孔介质10和导热电极板7，谐振空腔9、多孔电极板8、多孔介质10和导热电极板7位于该封闭腔室内，该密封腔室的长度为声波在其内1/4波长的整数倍，且该封闭腔室内填充有用于传输热量的气体工质。
[0022] 优选的，多孔电极板8上通孔的直径大于0.5mm，多孔介质10由电热材料制成，多孔介质10包括多个堆叠设置的多孔介质单体，多孔介质单体呈板状或管状，可减少振荡气体的
流动阻力。
[0023] 本发明的监控原理为：利用热声效应将堆芯1的热量转化成脉冲性温度
波动，借助瞬态热电技术，使脉冲性振荡气体高频率作用于多孔介质10，由于气体的振荡频率与堆芯1传给控制棒2的热量相关，当谐振空腔9内振荡气体频率增加时，根据实验室在瞬态热电实验测试结果，发现当热量高频作用于热电材料时，特别是频率快于热电材料迟豫时间时，热声装置3输出的电信号会增强。另外，当反应堆处于事故工况时，堆芯1的温度骤升，热声装置3内气体将高频率低将堆芯1辐射给控制棒2的热量以装置所在地声速传递到散热装置5，通过散热装置5实现非能动余热导出。
[0024] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0025] (1)本发明直接在控制棒体内部设计一套热声电传感装置，通过控制棒的插入深度实现堆芯温度的非能动读取，解决了现有铠装热电偶穿过压力容器顶盖也仅能通过获取一回路出口温度推算堆芯温度的弊端；
[0026] (2)本发明不同于现有技术中公开的热声传感技术，热声效应在本发明中仅为了产生高频脉冲的温度波动，用于热电装置的高频输入，进而利用热电材料的迟豫效应获取更大的电信号输出，解析电信号的精度以及响应精度都远高于传统的声波信号的解析；
[0027] (3)本发明通过将
热能以声
波速度快速传递至散热装置，利用
热管的超高
传热性能，在反应堆事故工况下，不仅能利用热电装置实时监测堆芯温度，还可利用散热装置实现堆芯热量的非能动高速排出。
[0028] 本发明，按照对堆芯1的监控功能可将控制棒2视为左右两部分，左侧为热声装置3和热电装置4，右侧为散热装置5，多孔电极板8的两侧分别为谐振空腔9和多孔介质10。其中，热声装置3包括谐振空腔9，还包括复用于热电装置4的多孔介质10，热电装置4包括多孔电极板8、导热电极板7、无源显示器6，还包括复用于热声装置3的多孔介质10。本发明，控制棒2与堆芯1间存在一定距离，通过驱动控制棒2的插入深度监测堆芯1内不同
位置的温度。多孔介质10作为热电装置4中的热电材料，可将多孔电极板8和导热电极板7之间的温差直接转化成
电能输出，优选的，多孔介质10应具有较好的
导电性能，以减少热电转化过程中的内部
电阻，多孔介质10应具有较差的导热系数，以提高热电材料的迟豫时间，增强热电转化效率。多孔电极板8应处于
反应堆压力容器外部，便于多孔电极板8和导热电极板7间电信号的引出，优选的，多孔电极板和8多孔介质10可以为结构和材质相同的材料。本发明，无源显示器可以直接将热电装置4的电信号进行解析，无需外部电力供给。
[0029] 本发明中各装置的工作原理为：
[0030] 热声装置3：堆芯1将热量传输给谐振空腔9内的气体工质，一方面使气体工质局部受热后膨胀，向外激发出微扰波动，并以热声装置3的所在位置处的声速向外传播，直到被腔壁反射回来。另一方面，膨胀的气团进入到多孔介质10中，并与较冷的壁面换热而收缩，形成方向相反的另一扰动，最终表现为多个温度波动的
叠加、增强。堆芯1持续加热，实现对热波的不断压缩，经若干个周期的重复加强后，达到饱和，而后形成持续的谐振波动。热声装置3将堆芯1的热量转变成气体工质的高频脉冲热波，其中，在波峰时气体工质温度最高，波谷时温度最低。
[0031] 热电装置4：热声装置3工作的过程中形成高频脉冲热波，并作用于多孔介质10，会在多孔介质10的内部表现出明显的温度波动特性，前期实验结果表明，高频脉冲的瞬态热电效率明显高于稳态热电效率，也就是说将堆芯1热量通过声波振荡方式作用在热电装置4上，可实现对传统的热电信号放大的作用，而电信号中携带有振荡频率信号和强度信号，对于后者，是传统热声传感器难以获取的参数，且电信号的输出精度和响应时间是光速级，可见，热电装置4优于传统热声传感器中的声场信号解析。
[0032] 无源显示器6，作为热电装置4的接收端，可以为频闪灯，且频闪灯的频率和
亮度都能作为远程监测信号；也可以为远程传感器，可以进一步转成特殊信号后传至终端进行解析。
[0033] 散热装置5：正常工况下，散热装置5服务于传感器，作为传感器的冷端将部分热量导出；事故工况下，散热装置5服务于堆芯1，将热量直接通过控制棒2导出，以缓解堆芯1的温度急速上升，为后续核应急延长时间。
[0034] 与现有技术相比，本发明，在不改变反应堆整体设计和不增加额外开口的基础上，通过直接在控制棒内设置一套基于热声、热电效应的反应堆堆芯监控装置实现对反应堆堆芯温度的监测和余热导出，解决了使用传统的热声传感器所存在的声频信号提取难度大、监测精度低和实际监测中操作性差的问题。
[0035] 本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
