聲學共鳴法實時測量高溫氣冷堆堆芯溫度機理研究

《聲學共鳴法實時測量高溫氣冷堆堆芯溫度機理研究》是依託清華大學，由任成擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：聲學共鳴法實時測量高溫氣冷堆堆芯溫度機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：任成
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

高溫氣冷堆堆芯溫度的實時測量是至今尚未解決的技術難題。由於高溫堆堆芯高輻照、高溫、高滲碳等條件，在全工況溫度範圍內，現有已知的測溫手段均無法勝任實時測溫的需求，存在溫度漂移及測溫失效等問題。本課題提出一種基於聲學共鳴法測量高溫堆堆芯及近堆芯處溫度的測量方法，其基本思路是採用與高溫堆完全相容的材料石墨和氦氣，製作測溫元件，安裝在堆芯或近堆芯石墨層內，通過測量由石墨構成的封閉腔內氦氣介質的聲速，獲得封閉系統的平均動能，從而獲得熱力學溫度。本課題將研究石墨材質聲學共鳴腔的聲學特性，探索其與氦氣工質之間的相互作用機理；對各類非理想擾動因素的作用機理分別進行理論和實驗分析刻畫，提出相應的抑制、消除擾動的修正方法。這種基於封閉共鳴腔內氣體系統平均動能的測溫方法能有效“迴避”高溫堆堆芯中的高輻照、高滲碳風險，不存在溫度漂移的問題，具有極大的優越性和重要的科學意義。

結題摘要

高溫氣冷堆堆芯溫度的實時直接測量是至今尚未解決的技術難題。由於高溫堆堆芯存在高輻照、高溫、高滲碳等問題，現有已知的測溫手段在長期運行中測溫元件受高溫滲碳腐蝕，普遍存在溫度漂移及測溫失效等問題，均無法勝任長期穩定測溫的需求。本課題提出一種基於聲學共鳴法測量高溫氣冷堆堆芯及近堆芯處溫度的測量方法，其基本思路是採用高溫堆堆芯自身結構材料“石墨”和“氦氣”，製作測溫元件本體，安裝在堆芯或近堆芯石墨層內，通過測量由石墨構成的封閉共鳴腔內氦氣介質的聲速，獲得封閉氣體系統的平均動能，從而獲得熱力學溫度。這種新式的測溫方法將能有效迴避高溫堆堆芯中的高溫滲碳風險，避免了測溫元件受腐蝕造成的溫度漂移及測溫失效問題，具有極大的優越性和重要的科學意義。 研究期間，本課題首先構建了高溫氣冷堆工況下聲學共鳴法溫度測量的理論模型，採用He國際標準狀態方程從理論上分析計算了He聲速隨溫度、壓力變化關係，從理論上分析了採用He聲速的熱力學關係測量高溫氣冷堆堆芯溫度的可行性，為實驗工作奠定了理論基礎。接下來，根據實際情況制訂了分階段的具體實驗實施方案，進行了第一階段實驗系統的詳細方案設計，完成了相應設備及材料的採購，並搭建了聲學共鳴法測量實驗系統。進一步，進行了多層次的實驗驗證，採用1 米長的兩根聲波導管，測量得到了無氧銅圓柱共鳴腔空氣中的聲學共振頻率，驗證了1 m長聲波導管內聲學衰減仍能獲得共振頻率；採用He在無氧銅腔體和1 m長聲波導管上測量了He常溫常壓的聲學共振頻率，證明了在密度很小、聲學共振頻率較高的He內，仍然能夠獲得聲學共振頻率；製作了石墨材質的聲學共鳴腔，採用He在石墨腔體和1 m長聲波導管上測量了He常溫常壓的聲學共振頻率，證明了石墨腔的腔體自振基本不會影響He低模式的聲學共振頻率的測量，從而最終證明了採用He結合石墨腔測量獲得聲學共振頻率以測量熱力學溫度的方案是可行的。