[发明专利]一种核电氢浓度检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及核电安全壳内氢浓度检测技术领域，特别是一种大范围多点分布式氢浓度在线检测装置。

背景技术

根据国家发改委的远景规划，计划到2020年底中国将新建多个百万千瓦级核电机组，核电总规模将达到3600万千瓦。核电国产化将会带动相关配套行业的快速发展，作为核电站配套设施部分的各种监测系统无疑将会有更为广阔的发展和使用空间。

核电的安全性是该行业发展最为关注的焦点。尽管核电站发生事故的频率极低，由于其后果相当严重，仍然不能忽视它的风险。在严重事故堆芯融化早期阶段，锆-水反应会产生大量氢气和热量。事故后期堆芯融熔物与混凝土的反应以及水的辐射分解也会产生大量氢气。如果安全壳内没有安装相应的氢浓度监测和消氢系统，局部区域的氢气积累可能引起剧燃和燃爆，产生超过安全壳结构设计能力的压力和温度负载状况，损坏安全壳，并使放射性物质泄漏到大气中，造成环境污染。因此为了保证安全壳的完整性，核电站的设计必须引入有效的、安全的氢气监测和控制手段。

作为特定环境条件下的核电站环境，氢浓度在线检测非常复杂。传统的氢气浓度分析通常采用气相色谱法、密度测量法、热传导法、化学催化法等。气相色谱法需要取样分析，不能实时检测；密度测量法管线较长、校准困难、精度低、速度慢；在核电站安全壳的事故状态下，热传导仪器会由于气体温度、压力等环境条件的急剧变化而失去作用；化学催化仪器在放射性环境下，催化剂会发生中毒反应，并丧失其测量功能。基于电化学的氢传感器，与系统的连接是通过金属铜线来完成，增加了载荷的重量、功率的消耗，更重要的是，对于多点检测，金属铜线潜在的电磁干扰和电火花可能会引起灾难性的后果。因此，迫切需要一种能在核电站环境下，在线多点监测的氢浓度检测系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的主要针对核电氢浓度监测和控制技术方面存在的问题，提出一种基于光纤传感技术的氢浓度检测装置，能够安全、实时的进行在线检测，且不干扰被测环境；能够抗化学腐蚀、无电磁干扰、适用恶劣环境温度，适用于大范围多点检测。

该核电氢浓度检测装置，包括：氢浓度传感器阵列、标准气室、光耦合器、光源、光电转换器、信号处理单元和计算机输出单元；

氢浓度传感器阵列由多个相同的溶锥型的光纤氢敏传感器S1～SN组成；光纤氢敏传感器中光纤溶锥区的外部涂覆钯金属形成钯膜；各光纤氢敏传感器以多点分布形式安装在核电安全壳内的各监测点处，并通过一根抗辐射光纤将各光纤氢敏传感器串联在一起；核电安全壳内的抗辐射光纤外部安装屏蔽铠甲；

标准气室、光耦合器、光源、光电转换器、信号处理单元和计算机输出单元设置在核电安全壳n外的仪器安装平台上；标准气室和光耦合器通过光纤相连，光源和光电转换器分别通过光纤与光耦合器3相连；

标准气室内部密封一只与核电安全壳内的光纤氢敏传感器相同的光纤氢敏传感器和已知浓度C₀的氢气；光源向光纤光路提供光脉冲；光电转换器将光路反馈的后向反射光强的光信号转换为电信号，通过信号处理单元的调理送入计算机输出单元；

计算机输出单元采集到标准气室和各光纤氢敏传感器的后向反射光强，从中获取标准气室后向反射光强的衰减强度h₀和各光纤氢敏传感器后向反射光强的衰减强度h_Sn，n为1到N的整数；计算光纤氢敏传感器Sn的氢气浓度C_Sn：

C_Sn＝C₀×h_Sn/h₀。

较佳地，所述计算机输出单元进一步用于在Sn的氢气浓度时，进一步利用校正因子k_Sn校正计算得到的氢气浓度，令C_Sn＝C_Sn/k_Sn。

较佳地，所述计算机输出单元进一步用于确定校正因子k_Sn，具体为：在核电氢浓度检测装置测试开始之前，各监测点处释放已知浓度C1的氢气；计算机输出单元测得各光纤氢敏传感器后向反射光强的衰减强度h_Sn’和标准气室后向反射光强的衰减强度h₀，计算各光纤氢敏传感器Sn的氢气浓度测量值C_Sn’＝C₀×h_Sn’/h₀；利用氢气浓度测量值和已知氢气浓度，计算校正因子k_Sn＝C_Sn’/C1；