光纖傳感技術在核電廠的應用研究

向美瓊，劉艷陽，青先國，吳 茜，王雪梅，鄧志光

(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術國家級重點實驗室，四川 成都 610213)

0 引言

核電廠是一個規(guī)模龐大且復雜的系統(tǒng)，需要測量的參數(shù)眾多，例如溫度、壓力、流量、液位、振動、位移、轉速等。傳統(tǒng)電學儀表已大量用于核電廠過程參數(shù)測量，但其自身原理決定了其在核電廠應用時存在一定的局限性，特別是在抗電磁干擾、設備小型化、耐事故能力等方面的不足，導致了現(xiàn)有儀表性能與核電廠發(fā)展需求之間的矛盾日益突出。

光纖傳感技術的研究始于20世紀70年代，是光電技術領域最活躍的分支之一。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨特的、其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能；徑細、質(zhì)軟、質(zhì)量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等[1]。這些優(yōu)良性能使得光纖傳感器特別適用于易燃、易爆、空間嚴格受限制以及高溫、高壓、高濕、強電磁干擾等傳統(tǒng)電學傳感器不易發(fā)揮作用的場所及惡劣環(huán)境[2]。光纖傳感技術可以對位移、速度、加速度、壓力、液位、流量、振動、水聲、溫度、電壓、電流、磁場、濃度、核輻射、氣體組分[3]等多達100多種物理參數(shù)進行測量，響應時間快、精度和可靠性高。

1 光纖傳感技術概況

1.1 光纖傳感器原理與分類

光纖傳感器是利用光導纖維的傳光特性，把被測量(溫度、應變、壓力、流量等)轉換為光特性(強度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長)的傳感器。光纖傳感器構成如圖1所示。其基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過入射光纖送入傳感元件，光在傳感元件內(nèi)與外界被測量相互作用，使光的光學性質(zhì)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的光信號，再經(jīng)出射光纖送入解調(diào)儀而獲得被測參數(shù)。

圖1 光纖傳感器構成圖

光纖傳感器的種類繁多，同一種參量可以用不同類型的傳感器來測量，同一原理的傳感器又可以測量多種物理量。按照測量原理，可將光纖傳感器分為強度調(diào)制型光纖傳感器、相位調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器、波長調(diào)制型光纖傳感器、偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器。按照測量范圍，其又可分為點式光纖傳感器、準分布式光纖傳感器、分布式光纖傳感器。

1.2 光纖傳感技術的發(fā)展趨勢

(1)陣列復用傳感系統(tǒng)。

隨著光傳感和光網(wǎng)絡技術的不斷進步，智能結構、大型構件的出現(xiàn)，人們對多點、多參量、大空間范圍的傳感網(wǎng)絡的需求日益迫切。陣列化光纖傳感系統(tǒng)能實現(xiàn)這一功能，是大規(guī)模光纖傳感發(fā)展的一個重要趨勢。采用波分復用(wavelength division multiplexing,WDM)、空分復用(space division multiplexing,SDM)、時分復用(time division multiplexing,TDM)等方式，將單點光纖傳感器陣列化，實現(xiàn)空間多點或多參量的同時傳感，也稱為準分布式系統(tǒng)。目前，應用較為廣泛的是光纖光柵陣列和基于干涉結構的陣列光纖傳感系統(tǒng)，例如光纖布拉格光柵(fiber bragg grating，F(xiàn)BG)型陣列復用傳感系統(tǒng)能實現(xiàn)應力和溫度的雙參量測量，應用前景廣闊[4]。

(2)分布式光纖傳感系統(tǒng)。

分布式光纖傳感技術利用光纖自身既作為傳感單元又作為信號傳輸介質(zhì)的特點，只要將一根普通光纖沿需要監(jiān)測的空間鋪設，并用一臺測量儀在光纖的一個端面采集、處理信號，即可獲得沿光纖長度方向上隨空間和時間連續(xù)變化的被測量信息。由于光信號在光纖中的傳輸損耗低、傳輸距離長，光纖跨距可達幾十千米，因此一根光纖可以覆蓋數(shù)十千米的監(jiān)測范圍，相當于成千上萬個普通傳感器組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)的作用[5]。分布式傳感技術把信號感應與信號傳輸合二為一，使得整個系統(tǒng)結構簡單，使用方便。相比于準分布式傳感器，其避免了大量分離傳感元件的使用，有效降低了監(jiān)測系統(tǒng)成本，性價比高[6]。分布式光纖傳感器包括基于瑞利散射的振動和裂紋傳感器、基于布里淵散射的應變和溫度傳感器、基于拉曼散射的溫度傳感器。

(3)新材料光纖傳感器。

聚合物光纖的彈性模量是石英光纖的幾十分之一，具有良好的柔軟性，應力和應變的靈敏度高于石英光纖，可用于工程結構安全檢測、材料斷裂分析。在低溫應用領域，通過在復合材料中嵌入聚合物涂層FBG實現(xiàn)了-180 ℃ 的溫度測量[7],閃爍聚合物光纖還能進行輻射探測。紅外光纖由比石英透過率更好的材料制成，包括重金屬氧化物玻璃、鹵化物玻璃、硫族玻璃和鹵化物晶體。它工作在紅外波段。由于瑞利散射損耗與波長的4次方成反比，因此紅外光纖的損耗極低，其中，氟化物玻璃光纖工作在3～4 μm時，損耗僅為0.001 dB/km，相當于普通石英光纖的百分之一。藍寶石光纖溫度計探頭由藍寶石制成，藍寶石為三氧化二鋁單晶，透明、無放射，熔點高達2 045 ℃，有極高的耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性，是目前在高溫環(huán)境中最實用的光波導材料之一。藍寶石光纖溫度計能連續(xù)測量1 900 ℃的高溫，瞬態(tài)可達2 000 ℃[8]。

(4)納米光纖傳感器。

納米光纖也稱為亞波長直徑光纖，即光纖的直徑小于其所傳輸?shù)墓獠ㄩL。敏感光纖尺寸越小，傳感器的靈敏度越高，并且尺寸越小，響應越快。用納米光纖制作的納米探針、光學鑷子等能對納米尺度的樣品進行高分辨率研究，包括DNA、RNA、蛋白質(zhì)、病毒和其他分子，已用于醫(yī)學病原體、食物毒性、地下水污染、生化武器和環(huán)境樣品等的快速檢測。

1.3 光纖傳感器已有應用

在航空航天領域，非本征琺珀(extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)傳感器已用于機翼和航天級復合材料的應變測量、飛機發(fā)動機裂紋測量、發(fā)動機高速燃燒室的壓力測量；其所構成的傳感器陣列還能用于飛機飛行時的氣流壓力測量。FBG構成的準分布式傳感系統(tǒng)可用于飛行器結構健康監(jiān)測和火災探測。在電力系統(tǒng)中，用FBG網(wǎng)絡對高壓變壓器、高壓開關柜、發(fā)電機、轉換器等進行溫度、振動監(jiān)測[9]。借助FBG、相位敏感型光時域反射計(Φ-optical time domain reflectometer，Φ-OTDR)及基于拉曼散射的分布式溫度傳感器(raman distributed temperature sensor，RDTS)，可對高壓輸電線路的健康進行監(jiān)測，分析導線舞動過程中輸電塔架和輸電導線的溫度和應變特征[10]。在石油系統(tǒng)中，RDTS已用于井下溫度的實時在線監(jiān)測。據(jù)殼牌公司報道，目前已有1 200套系統(tǒng)應用在各大油田中。FBG還用于井下溫度和壓力的同時監(jiān)測?；诠饫w光柵原理的傳感器能測量很多參數(shù)，例如持水率、持氣率和流速的測量，輸油氣管道、基建等設備的應力檢測和地震波的檢測(在海底石油勘探中采用光纖水聽器進行地震波檢測)。

2 國內(nèi)外對光纖傳感器在核電廠的應用研究情況

國外光纖傳感器在核電廠的實際應用還未見報道，但早在20世紀90年代，國外就開展了光纖傳感器在核電廠的應用研究，進行了相應的高劑量γ和中子輻照試驗，加快了光纖傳感器在核電廠應用的研究進度。例如：1996年，Jensen Fredrik B.H.等研究了RDTS用于核電廠冷卻劑回路泄漏監(jiān)測[11]；2005年，M.Aleixandre研究了光纖傳感器用于核廢物儲存室的氫氣濃度測量[12]；2011年，Kyoung Won Jang研究了光纖傳感器用于γ輻照環(huán)境下的熱中子探測[13]；2011年，Ph.Moreau研究了光纖傳感器用于托卡馬克裝置中等離子體電流測量[14]；2012年，Gerrit J.deVilliers研究了FBG陣列用于球床堆堆芯溫度測量[15]；2016年，Rinah Kim研究了光纖傳感器用于乏燃料池水溫、水位、輻射的同時監(jiān)測[16]。

國內(nèi)對光纖傳感器在核電廠的應用研究起步較晚：2016年，國核工程有限公司的嚴振杰首次將分布式光纖溫度傳感器用于AP1000核電廠中1E級與非1E級電纜橋架火災探測[17]；2017年，大連理工大學的李金珂設計了一套用于核電站安全殼健康監(jiān)測的光纖傳感系統(tǒng)，他在一座剛建成的核電站安全殼布置了FBG、白光干涉?zhèn)鞲衅?、布里淵分布式傳感器，三種傳感器組合用于對整個安全殼的應變進行測量[18]；2017年，清華大學的白召樂研究了閃爍體光纖探測系統(tǒng)用于反應堆內(nèi)相對中子通量密度在線測量，并在啟明星1#裝置上對系統(tǒng)進行了試運用[19]。除此以外，國內(nèi)對光纖傳感器在核電廠的應用研究甚少。

3 光纖傳感器在核電廠的應用路線

結合核電廠過程參數(shù)測量需求和光纖傳感器的優(yōu)勢，本文設計的光纖傳感器在核電廠的應用路線如下。

(1)堆芯。

核電廠堆芯溫度高達上千度，因此需要測溫上限較高的傳感器。藍寶石光纖光柵高溫傳感器利用飛秒激光器將布拉格光柵寫入藍寶石光纖中。當光柵所處環(huán)境溫度變化時，反射波長會發(fā)生相應改變，通過對反射波長進行解調(diào)而得到溫度值。該傳感器的量程達10～1 900 ℃，響應時間250 ms，分辨率為0.04～0.9 ℃，精度小于2 ℃。該傳感器還能通過并聯(lián)、疊加和級聯(lián)等復用方式，實現(xiàn)多點、準分布式光纖傳感。但由于堆芯具有很高的γ和中子輻照，所以應重點研究藍寶石光纖的抗輻照性能，從材料、工藝、封裝等多方面加以提高。

堆芯中子通量測量可采用閃爍體光纖傳感器，在光纖頂端安裝或涂覆特殊物質(zhì)，該物質(zhì)與中子發(fā)生作用后產(chǎn)生閃爍光，使用光電倍增管探測閃爍光子信息可獲得探頭所在位置處的中子通量密度。清華大學的白召樂開發(fā)了一套閃爍體中子探測系統(tǒng)。該套系統(tǒng)由五種探頭組成，分別為6LIF+ZnS(Ag)、23ThO2+ZnS(Ag)、238UO2+ZnS(Ag)、9Be+ZnS(Ag)以及BGO(Bi2O3+GeO2)晶體。其中，摻有6LiF的探頭用于熱中子的測量，BGO探頭用于γ測量，其余三種探頭用于快中子的測量。但在試驗中該傳感器測得的中子通量密度僅為10-3cm2·s-1，與核電廠堆芯中子通量密度(1013cm-2·s-1)相差甚遠，下一步應研究測量范圍拓寬的問題。

(2)一回路。

一回路需要測量的參數(shù)主要有溫度、壓力、流量、液位、管道泄漏等。

主泵、主管道、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器中冷卻劑溫度測量可采用FBG。它屬于波長調(diào)制型光纖傳感器，它的波長受溫度和應力的調(diào)制。為避免溫度和應力的交叉敏感，可用不銹鋼管對傳感器探頭進行封裝，該傳感器測量范圍達0～400 ℃，響應時間在2 s以內(nèi)。

穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器中壓力測量可采用琺珀傳感器，外界壓力將影響該傳感器琺珀腔長度，腔長的變化又會引起干涉條紋的變化，通過解調(diào)干涉條紋獲得外界壓力，測量范圍達0～30 MPa。但這種大量程壓力傳感器的靈敏度較低，僅為200 pm/MPa，下一步應研究提高靈敏度的方法，可從琺珀腔結構和尺寸入手。

主泵、主管道中冷卻劑流量可通過測差壓的方式測量，F(xiàn)BG的反射波長不僅對溫度敏感，也對應力敏感。為避免溫度和應力交叉敏感，可在一張石英膜片兩側分別粘貼布拉格光柵。兩片光柵所處溫度相同，因此可在消除溫度影響的情況下實現(xiàn)差壓測量。與傳統(tǒng)方式相比，這種方式只是在差壓測量部分使用了光纖傳感器，同樣需要引壓管等裝置。流量測量還可以采用光纖光柵渦輪流量傳感器。它既可通過測量漩渦頻率獲得流速，也可采用光纖光柵靶式流量傳感器[20]，能通過測量靶的應變獲得流速。

穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器液位測量也可采用FBG測差壓的方式實現(xiàn)。除此以外，還可采用基于受抑全內(nèi)反射原理或基于菲涅爾反射原理的光纖液位傳感器。這兩種傳感器都是利用光在液體和空氣中的反射率不同來實現(xiàn)的,可進行點式測量和連續(xù)性測量[21-22]。

主管道冷卻劑泄漏可通過測量管道表面的裂紋和溫度來實現(xiàn)。分布式光纖振動傳感器基于瑞利散射效應和光時域反射技術，可以對管道表面裂紋進行多點測量并定位。分布式光纖溫度傳感器基于拉曼散射效應和光時域反射技術，可以對管道表面溫度進行多點測量并定位。因此，通過測量管道表面裂紋和高能流體泄漏時的溫度異常可監(jiān)測破前漏事故。但相比于FBG和光纖琺珻(Fabry-Perot,FP)，這兩種分布式傳感器的耐輻照性能較差，下一步應重點研究抗輻照加固措施。

(3)安全殼。

安全殼的測量參數(shù)主要有溫度、壓力、輻射、濕度、氫氣濃度等。溫度測量可采用分布式光纖拉曼溫度傳感器；壓力測量采用陣列式FBG，其測量小壓力時靈敏度高；輻射測量采用閃爍體光纖探測器或吸收型光纖傳感器[23-24]。由于輻射損傷效應使傳輸光光強減弱，吸收型光纖傳感器通過測量光強的變化獲得輻射劑量。濕度測量采用基于氧化石墨烯的干涉型光纖濕度傳感器[25]，氧化石墨烯吸附或釋出水分子后，其折射率會變化，導致干涉條紋強度變化，通過測量干涉條紋獲得濕度信息。氫氣測量采用干涉型光纖氫氣傳感器，在馬赫-曾德爾干涉儀的一條光路上鍍一層鈀膜，另一條光路不作處理。鈀膜吸收氫氣體積膨脹，從而使兩條光路的光程差變化，導致干涉條紋變化；也可用光纖光柵型氫氣傳感器[26]，在光柵上鍍一層鈀膜，鈀吸收氫氣體積膨脹，使得反射波波長改變。

由此可見，光纖傳感器幾乎能覆蓋核電廠各種參數(shù)的測量，理論上可以構建一個全光纖傳感系統(tǒng)，從而充分發(fā)揮光纖傳感器所具有的精度高、小型化、分布式、抗電磁干擾、本質(zhì)安全等優(yōu)勢。

4 核用光纖傳感器所面臨的輻照問題與思路

核領域相對于其他領域突出的特點是核輻射，應用于核電廠的各種設備需要考慮輻照問題。試驗表明，光纖中的傳輸光在輻照環(huán)境下的衰減很大。這是因為光纖內(nèi)部存在雜質(zhì)和缺陷，在γ射線等高能輻照環(huán)境下，γ射線通過光電效應、康普頓效應使光纖內(nèi)原子電離出電子-空穴對[27]。當電子-空穴對被缺陷和雜質(zhì)俘獲后形成色心，色心對應著一系列電子能級，對傳輸光有很強的吸收作用[28]。這一過程稱為光纖的輻射損傷效應，能降低光纖中傳輸光光強。因此，它對強度調(diào)制型光纖傳感器的影響較大，對其他四種類型的光纖傳感器影響略小。但要將光纖傳感器用于核電廠的過程參數(shù)測量，輻射損傷是一個亟需解決的問題。

國內(nèi)外已對光纖抗輻照性能作了一些研究，目前總結幾條光纖抗輻照加固措施：①從材料上，選擇纖芯為純二氧化硅、包層為摻氟二氧化硅的光纖；②從光源的波長選擇上，在輻照環(huán)境下，長波長的光比短波長的光衰減小，一般選擇波長為1 550 nm；③從處理方法上，有預輻照、熱退火、光褪色等方法。預輻照是指對光纖進行較高劑量的輻照后，光纖再次受到輻照時敏感性降低，也稱為輻射硬化[29]。熱退火是指光纖受輻照后形成的不穩(wěn)定色心在熱驅(qū)動下發(fā)生退化，溫度越高，熱退火效應越顯著。光褪色是指光纖中傳輸?shù)墓馐共环€(wěn)定色心退化，光功率越強，光褪色效果越明顯[30]。因此，對光纖進行多次預輻照并退火可提高光纖的抗輻照性能。

盡管已有一些方法來提高光纖的抗輻照性能，但目前仍然還沒有能用于核電廠輻照環(huán)境下的光纖傳感器。因此，為了加快光纖傳感器在核電廠的應用研究進度，本文提出幾點思路：①在安全殼外的非輻照區(qū)域進行光纖傳感器的試點應用；②由于波長調(diào)制型FBG和相位調(diào)制型FP的抗輻照性能較好，因此可開展在安全殼內(nèi)部的一回路用FBG進行冷卻劑溫度測量，用FP進行冷卻劑壓力測量的研究；③開展高γ輻照和中子輻照試驗，從材料、工藝、封裝、校準方法等方面提高光纖的抗輻照性能，以滿足堆芯測量的需求。

5 結束語

相比于傳統(tǒng)電學傳感器，光纖傳感器具有精度高、損耗低、小型化、絕緣、抗電磁干擾、本質(zhì)安全等一系列優(yōu)點，能實現(xiàn)100多種參數(shù)的測量，并且能完全滿足核電廠的測量需求。因此，應盡快開展光纖傳感器在核電廠的應用研究，逐步解決輻照損傷等問題，實現(xiàn)核電廠的全光纖傳感網(wǎng)絡。