基于嵌入式的乏燃料干貯存溫度監(jiān)測系統(tǒng)

張洪健，余 刃，劉笑凡，王天舒

(海軍工程大學(xué)， 武漢 430033)

基于嵌入式的乏燃料干貯存溫度監(jiān)測系統(tǒng)

張洪健，余 刃，劉笑凡，王天舒

(海軍工程大學(xué)， 武漢 430033)

由于乏燃料從堆芯卸載后將在很長時(shí)間內(nèi)存在衰變熱從而影響貯存安全，所以需要對其貯存期間進(jìn)行溫度監(jiān)測。為了確定合適溫度測點(diǎn)，對乏燃料貯存井內(nèi)的散熱情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上，基于Cortex-M4系列ARM單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套實(shí)現(xiàn)溫度信號采集、通信、上位機(jī)集中監(jiān)測和報(bào)警的分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)，在監(jiān)控室對乏燃料貯存井內(nèi)的溫度變化情況進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，研究了乏燃料干法貯存的科學(xué)管理。經(jīng)過裝機(jī)實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)能夠完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

乏燃料干法貯存；嵌入式；以太網(wǎng)；溫度采集

目前，核反應(yīng)堆乏燃料的處理普遍采用兩種策略，即進(jìn)行后處理和一次性通過(深埋長期貯存)[1]。在整個(gè)乏燃料后期處理過程中不可避免的要對乏燃料進(jìn)行貯存，而乏燃料本身具有的衰變熱和放射性的屬性影響了乏燃料貯存安全。目前世界上對乏燃料的貯存有兩種方式，一種是在水池內(nèi)進(jìn)行濕法貯存，另一種是干法貯存。一般情況下，首先將剛從堆芯卸載的乏燃料放入水池進(jìn)行濕法貯存，等到半衰期較短的放射性元素大部分衰變，乏燃料的總體放射性和衰變熱降低到一定程度再進(jìn)行下一步后處理。不論哪種貯存方式都需要防止發(fā)生意外臨界事故，并對乏燃料產(chǎn)生的衰變熱進(jìn)行有效導(dǎo)出，防止局部過熱造成放射性包容邊界破損，進(jìn)而引發(fā)放射性物質(zhì)泄漏的事故。在日本福島核事故中，由于乏燃料貯存水池冷卻存在問題使得溫度過高引發(fā)氫氣爆炸，造成放射性物質(zhì)外泄[2]。所以，對乏燃料的貯存必須確保有效散熱，并對乏燃料貯存容器表面的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)測和在線報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對乏燃料的科學(xué)化監(jiān)管。

本研究為解決貯存井內(nèi)乏燃料的散熱安全問題，在對乏燃料貯存井內(nèi)溫度分布進(jìn)行仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定了溫度傳感器的安裝位置，并設(shè)計(jì)開發(fā)了一套可以在監(jiān)控中心遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線監(jiān)測井內(nèi)溫度變化的系統(tǒng)，為乏燃料的安全監(jiān)測和科學(xué)管理提供保障。

1 溫度測點(diǎn)的選取

1.1 應(yīng)用背景

反應(yīng)堆達(dá)到設(shè)計(jì)壽期后，燃料經(jīng)過停堆卸料被放置到水池進(jìn)行濕法貯存若干年。待放射性降低到一定程度后，乏燃料元件經(jīng)過烘干處理放入乏燃料貯存罐密封，之后在乏燃料貯存井中進(jìn)行干法貯存，等待進(jìn)一步處理。整個(gè)貯存區(qū)域有數(shù)十個(gè)呈陣列分布的貯存井。每個(gè)貯存井內(nèi)容納一個(gè)貯存罐，冷卻空氣經(jīng)氣泵從底部注入，從上部出口排出，以便排除衰變熱。

為了實(shí)現(xiàn)對乏燃料熱工安全情況的監(jiān)控，便于預(yù)防和及時(shí)發(fā)現(xiàn)因冷卻失效造成井內(nèi)溫度過高，同時(shí)兼顧輻射防護(hù)原則，盡量減少工作人員在乏燃料貯存現(xiàn)場遭受輻照的劑量，在本應(yīng)用中，需要在較遠(yuǎn)距離的兩個(gè)集中監(jiān)控室實(shí)時(shí)對每個(gè)貯存井內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。為此，在每個(gè)乏燃料貯存井內(nèi)安裝一路鉑電阻溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)采集監(jiān)測貯存罐表面溫度變化，且溫度測點(diǎn)能夠反映井內(nèi)安全狀態(tài)，即測點(diǎn)位于最高溫度區(qū)域附近。設(shè)計(jì)上為防止高溫導(dǎo)致系統(tǒng)失靈，貯存現(xiàn)場線路采用耐高溫材料。另外，為提高遠(yuǎn)距離監(jiān)控的可靠性和溫度超限報(bào)警提示的及時(shí)性，采用光纖作為中間通信介質(zhì)。

1.2 溫度測點(diǎn)的確定

為了確保貯存過程中的熱工安全，溫度測點(diǎn)應(yīng)該位于井內(nèi)最高溫度位置，即選擇溫度最大點(diǎn)作為溫度傳感器的安裝位置。為此，使用FLUENT軟件對貯存井內(nèi)的空氣流場和溫度分布情況進(jìn)行仿真計(jì)算，確定溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)的位置區(qū)域。

1) 建立導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型

使用FLUENT軟件進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，首先需對乏燃料罐和貯存井進(jìn)行建模。在對乏燃料罐進(jìn)行建模時(shí)，為了簡化計(jì)算，將乏燃料貯存罐等效成內(nèi)部材料均勻的圓柱體，并在此基礎(chǔ)上建立圓柱坐標(biāo)系，采用一般形式的導(dǎo)熱微分方程[3]

(1)

假設(shè)貯存井壁面絕熱，冷卻空氣為25 ℃，其中乏燃料衰變熱的功率計(jì)算公式如下

(2)

式中：t0為反應(yīng)堆停堆天數(shù)；T0為反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行天數(shù)；P為反應(yīng)堆額定滿功率(MW)。

采用第三類邊界條件

(3)

式中：h為換熱系數(shù)(W/(m2·K))；tW為壁面溫度(K)；tf為冷卻空氣溫度(K)。

2) 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

罐體表面溫度分布的仿真計(jì)算結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，罐體表面溫度分布呈現(xiàn)從下到上逐步升高的特點(diǎn)，最高溫度出現(xiàn)在罐體上端面。由于冷卻氣流量較小，在靠近出風(fēng)口一側(cè)，呈現(xiàn)出一個(gè)自出風(fēng)口上沿開始向上的倒三角熱區(qū)。為兼顧溫度測量的有效性和傳感器安裝的方便性，將溫度測點(diǎn)定位于貯存罐接近上端面的側(cè)面位置。

2 分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由鉑電阻溫度傳感器、信號傳輸線路、現(xiàn)場溫度巡檢儀、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通信設(shè)備和上位機(jī)組成，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。鉑電阻溫度傳感器采集到的溫度信號在現(xiàn)場溫度巡檢儀中進(jìn)行變換、處理和就地顯示，并按照標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信協(xié)議，經(jīng)現(xiàn)場光端機(jī)轉(zhuǎn)換成兩路光信號，通過光纖分別與兩個(gè)監(jiān)控室的光端機(jī)相連，還原為電信號，實(shí)現(xiàn)與2臺上位機(jī)通信。整個(gè)系統(tǒng)分為兩級：就地監(jiān)測級，安裝放置在乏燃料貯存現(xiàn)場，包括溫度傳感器、巡檢儀和光端機(jī)；遠(yuǎn)程集中監(jiān)控級，包括兩路光端機(jī)和上位機(jī)。兩個(gè)集中監(jiān)測點(diǎn)互為冗余，能夠同時(shí)接收到來自現(xiàn)場的信號，使系統(tǒng)具有更高的可靠性。在上位機(jī)一端，采用組態(tài)軟件開發(fā)用于溫度監(jiān)測的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)溫度分布顯示、柱狀圖顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、上下限報(bào)警、參數(shù)設(shè)置等功能。

圖1 罐體表面溫度分布云圖

圖2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

3 溫度巡檢儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

溫度巡檢儀用于就地進(jìn)行溫度傳感器信號的采集、變換、顯示和傳輸，巡檢儀原理如圖3所示，采用ARM系列 Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407ZET6為控制核心，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，其硬件設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)模塊：電源模塊、ARM核心板模塊、USB電路、多路溫度信號采集電路、10.1寸彩色TFT觸摸LCD、EEPRAM電路、蜂鳴器模塊、ADC轉(zhuǎn)換電路、以太網(wǎng)通訊電路、SD卡存儲電路。

圖3 巡檢儀原理框圖

電源模塊接入220 V交流電，輸出5 V、24 V兩種形式的直流電，其中5 V電源用于對嵌入式系統(tǒng)供電，24 V電源用于外接的光端機(jī)供電。

鉑電阻溫度傳感器采用三線制接法，電路如圖4 所示。PT100轉(zhuǎn)換電路通過調(diào)節(jié)校準(zhǔn)電位器輸出2.55 mA的電流，再通過一路正向比例放大器和一路差動(dòng)放大器使輸出電壓與PT100的溫度變化的轉(zhuǎn)化率為100 mV/℃。通過F/V轉(zhuǎn)換電路將Vref的電壓調(diào)整至2.55 V，抵消PT100在0 ℃時(shí)產(chǎn)生的2.55 V的電壓。

圖4 溫度信號采集電路

采集到的溫度信號接到由4個(gè)TLC2543芯片構(gòu)成的AD轉(zhuǎn)換電路，每個(gè)芯片對應(yīng)11個(gè)模擬輸入通道，完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于采用的是串行輸入結(jié)構(gòu)，節(jié)省了單片機(jī)I/O資源，且分辨率較高。

查表得到數(shù)據(jù)對應(yīng)的溫度值，之后將溫度數(shù)值通過TFT觸摸LCD進(jìn)行顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)打包為標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議上傳至上位機(jī)。

溫度值數(shù)據(jù)可通過SD卡電路儲存到SD卡中，方便用戶通過人機(jī)界面對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。USB電路提供了外接U盤將數(shù)據(jù)導(dǎo)出的功能。

以太網(wǎng)通訊電路是采用WIZnet W5500芯片的以太網(wǎng)模塊。模塊集成硬件化TCP/IP協(xié)議，通過SPI與單片機(jī)系統(tǒng)通訊，內(nèi)部具有32k字節(jié)緩存空間，支持較高的傳輸速率。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

溫度巡檢儀軟件主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、觸摸屏人機(jī)界面顯示等多個(gè)任務(wù)。設(shè)計(jì)基于μC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)，通過μC/GUI軟件開發(fā)出多種溫度顯示界面，包括陣列分布顯示、柱狀圖顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢顯示等圖形畫面。程序集成了中文漢字庫，可以進(jìn)行一般文本的輸入編輯。系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程

用戶可以點(diǎn)擊界面上相關(guān)按鈕完成報(bào)警限值、采樣掃描的時(shí)間周期等相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)窗口菜單提供了方便不同顯示界面切換的功能。

4 上位機(jī)畫面

上位機(jī)監(jiān)控軟件安裝于暫存庫監(jiān)控計(jì)算機(jī)和主控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)中，用于監(jiān)視豎井內(nèi)貯存罐表面的實(shí)時(shí)溫度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

監(jiān)控軟件采用MCGS組態(tài)軟件作為平臺開發(fā)，通過簡單的設(shè)備連接，建立相關(guān)數(shù)據(jù)變量表，繪制并設(shè)置相關(guān)構(gòu)件屬性參數(shù)，完成軟件工程的設(shè)計(jì)調(diào)試。監(jiān)控軟件具備溫度數(shù)值的陣列分布、柱狀圖、列表、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線等多種顯示方式，可設(shè)置報(bào)警閾值，越限時(shí)自動(dòng)報(bào)警提醒。同時(shí)可以查詢到存儲一年的歷史數(shù)據(jù)，并提供方便的檢索查詢功能。具體功能如圖 6所示。

上位機(jī)操作界面具有較好的人機(jī)交互性能，能夠方便直觀地查看相應(yīng)溫度值及其變化趨勢。

圖6 位機(jī)監(jiān)控軟件功能模塊組成

5 結(jié)論

針對乏燃料在存在的放射性和衰變熱等安全性問題，使用FLUENT軟件對乏燃料貯存井溫度分布進(jìn)行仿真計(jì)算，據(jù)此確定溫度測點(diǎn)為靠近貯存罐頂部的壁面。設(shè)計(jì)了分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)了基于STM32F407ZET6的嵌入式單片機(jī)的溫度巡檢儀。系統(tǒng)具有硬件相對簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，并支持以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)控室對乏燃料貯存井溫度遠(yuǎn)距離監(jiān)控，可滿足乏燃料干貯存熱工安全狀態(tài)監(jiān)控的要求。

[1] 吳英,穆強(qiáng),馬續(xù)波,等.2050年前中國壓水堆核燃料循環(huán)幾種假定情景分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2012(21)：19-25.

[2] 于紅.濕法貯存乏燃料核電廠的應(yīng)急分級[J].核動(dòng)力工程,2016(5):58-62.

[3] 楊世銘.細(xì)長豎圓柱外及豎圓管內(nèi)的自然對流傳熱[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1980(3):119-135.

(責(zé)任編輯楊繼森)

TemperatureMonitoringSystemforSpentNuclearFuelDryStorageBasedonEmbeddedTechnology

ZHANG Hongjian， YU Ren, LIU Xiaofan, WANG Tianshu

(Navy University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to realize the safety monitoring of the spent nuclear fuel stored in the underground shaft, a temperature monitoring system was designed based on Cortex-M4 series micro-controller. The distributed temperature monitoring system achieved the function of Multi-channel temperature signal acquisition, data communication, host computer monitoring and alarming, and made the goal of detecting the key point temperature variation in the storage shaft online and actual time in the remote center control room come true, what’s more, it optimized the scientific management of dry storage for spent fuel. Then, the hardware and software interface of the system are introduced. Finally, the experiments results show that the system can accurately measure and display the temperature in the storage shaft with the design goal achieved.

spent fuel dry storage; embedded system; Ethernet; temperature acquisition

2017-07-01；

2017-07-28

張洪健(1992—)，男，碩士研究生，主要從事核動(dòng)力系統(tǒng)的控制與運(yùn)行、故障診斷研究；余刃(1968—)，男，博士，教授，主要從事核動(dòng)力系統(tǒng)以及輔助設(shè)施的控制和故障診斷研究。

信息科學(xué)與控制工程

10.11809/scbgxb2017.11.030

本文引用格式：張洪健，余刃，劉笑凡，等.基于嵌入式的乏燃料干貯存溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):138-141.

formatZHANG Hongjian，YU Ren, LIU Xiaofan, et al.Temperature Monitoring System for Spent Nuclear Fuel Dry Storage Based on Embedded Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):138-141.

TL24

A

2096-2304(2017)11-0138-04