核反應堆內(nèi)溫度測量研究進展與展望

關鍵詞： 核反應堆; 堆內(nèi)溫度測量; 原級測溫; 次級測溫; 原位校準

中圖分類號： TB9; TL375.5 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0001–18

0 引言

核反應堆內(nèi)的溫度測量工作對于兼顧核反應堆的經(jīng)濟性與安全性具有重要意義。一方面，溫度是核反應堆重要的過程參數(shù)，對溫度的監(jiān)測是監(jiān)測核反應堆運行狀態(tài)的重要部分[1]，需要確保核反應堆的各項溫度參數(shù)低于核反應堆運行的安全限值，以保證核反應堆在沒有安全隱患的情況下正常運行；另一方面，希望在核反應堆安全運行的前提下盡可能提高核燃料的溫度，以使核燃料得到充分利用，從而提高其效率。因此進行精確的溫度監(jiān)測對于核反應堆經(jīng)濟性與安全性的實現(xiàn)至關重要。如果溫度的測量出現(xiàn)較大的偏差，可能會導致堆內(nèi)溫度過高，引發(fā)堆芯熔化、放射性污染等一系列嚴重事故，造成極大的損失[2-3]。隨著新型反應堆的不斷研究，堆芯溫度越來越高，歐洲提出了“MetroFission”項目[4]，其總體目標是滿足2030 年左右投入運行的核反應堆的部分計量要求，其計劃之一就是針對現(xiàn)行核反應堆溫度計穩(wěn)定性和準確性不足的劣勢，提出新型溫度傳感器的表征、原位測量或輻照后測量方法，以及開發(fā)更精確的測量儀器或方法。在此計劃下提出了兩種思路：一種是開發(fā)基于低中子吸收截面材料的接觸式溫度傳感器，如鉬-鈮型熱電偶；另一種則是開發(fā)新型測溫技術，如聲學溫度計。

與其他惡劣環(huán)境相比，除了極端溫度與高壓，核輻照是反應堆特有的環(huán)境因素。反應堆依靠裂變反應產(chǎn)生能量，其中存在著各種放射性物質，如α粒子、中子、γ 射線等。而材料受到輻照時，其物理、化學、電學和機械性質都可能會因為材料成分或結構的改變而發(fā)生變化，從而影響到基于該材料的測溫元件的溫敏關系，最終產(chǎn)生測溫誤差。因此反應堆內(nèi)的溫度傳感器無論是傳感器件還是測量引線，除了具備優(yōu)良的耐高溫性和耐壓性，還需要具有足夠的耐輻照性。此外，由于反應堆運行時需采用遠距離測量，所以需要盡量采用輸出為電信號的檢測元件。溫度計傳感頭與放射性介質直接接觸，使其同樣具有很強的放射性，因此要求傳感頭體積小、表面光滑、容易拆裝、密封可靠，這樣才能減小其上的放射性，易于去污，便于檢修[3]。

2019年，溫度單位基于玻爾茲曼常數(shù)重新定義，使對極端溫區(qū)環(huán)境下進行熱力學溫度的直接測量成為可能[5]。溫度單位重新定義以后，對溫度進行測量主要有兩種途徑：一是次級測溫技術，仍然基于國際溫標（當前為ITS-90）體系，采用經(jīng)過實驗室標定的測溫方法，如熱電阻、熱電偶、紅外測溫儀等，滿足常規(guī)溫度測量需求；二是原級測溫技術，對于有特殊需求的場合，可以直接基于熱力學基本關系測量熱力學溫度，從而避免較為繁瑣的溯源鏈，實現(xiàn)熱力學溫度的原級、原位測量，對于解決極端環(huán)境下測溫難題意義重大。本文對各種測溫技術的基本原理和研究進展進行綜述，并分析其技術優(yōu)缺點和發(fā)展前景。

1反應堆內(nèi)的測溫對象與常用溫度計

反應堆內(nèi)的測溫對象包括燃料元件的中心溫度和包殼溫度，堆芯進出口冷卻劑溫度，生物屏蔽層、壓力容器和支撐件等部件的溫度，常用測溫方式及其測溫范圍和精度整理于表1。圖1 展示了10MW高溫氣冷堆（HTR-10）內(nèi)熱電偶布置圖[6]，在堆內(nèi)頂部內(nèi)構件、側部內(nèi)構件、底部內(nèi)構件處均布置有多個熱電偶測溫點。而熱電偶則以組件的形式通過圖2 所示的貫穿件結構伸入高溫氣冷堆壓力容器[7]。

燃料元件溫度場的測量（主要測量對象為中心溫度和包殼溫度）對于進行準確而全面的反應堆熱工水力特性分析和安全分析來說具有很高的價值。以壓水堆為例：1）知曉燃料元件內(nèi)溫度分布，可以保證在任何情況下不會發(fā)生燃料元件熔化；2）由于溫度梯度會造成熱應力，因此在燃料芯塊和結構材料設計時需考慮溫度的空間分布，而且材料在高溫下的蠕變和脆裂等現(xiàn)象都與溫度有密切關系；3）包殼表面和冷卻劑的化學反應與溫度密切相關；4）從反應堆物理的角度考慮，燃料與慢化劑的溫度變化會引入反應性變化，影響反應堆控制。同時燃料元件溫度測量能夠提供功率分布，特別是沿著燃料元件軸向的功率分布等有價值的數(shù)據(jù)。對于燃料元件中心溫度的測量，按照測溫范圍一般有以下熱電偶可供選用：鎳鉻-鎳鋁型熱電偶（1000 ℃ 以下），鎢-鎢錸26型熱電偶和鎢錸5-鎢錸26（1000～1500℃），鉬釕1-鉬錸49 型熱電偶和鉬-鈮型熱電偶（1500 ℃以上）；而對于燃料元件包殼溫度的測量，一般選用鎧裝鎳鉻-鎳鋁型熱電偶[3]。

堆芯內(nèi)進出口冷卻劑的溫度測量結果可以反映反應堆發(fā)出功率的能力，用以計算燒毀比，從而確定反應堆的最大允許功率。監(jiān)測各燃料組件出口冷卻劑溫度， 防止產(chǎn)生容積沸騰， 以便保證反應堆的安全運行。除此之外，在設計基準事故和嚴重事故工況下，操作人員可根據(jù)堆芯出口溫度確定堆芯冷卻劑的溫度情況[11]。堆芯內(nèi)冷卻劑溫度測點一般布置于燃料組件的入口和出口，各燃料組件進出口冷卻劑的溫差測量數(shù)據(jù)用來計算各組件的功率分布，為校核活性區(qū)功率不均勻系數(shù)及熱管因子提供數(shù)據(jù)， 也為堆的合理控制、減小通量不均勻性提供依據(jù)， 以便提高堆的經(jīng)濟性[12]。堆芯內(nèi)冷卻劑溫度測量一般采用鎳鉻-鎳鋁鎧裝熱電偶。

生物屏蔽層、壓力容器、反應堆支撐件，以及高溫氣冷堆中的石墨等部件的溫度測量與監(jiān)測是為了防止溫度過高使得材料的機械性能退化，從而造成安全隱患。其測量一般均采用鎳鉻-鎳鋁鎧裝熱電偶[3]。

2次級測溫技術

次級測溫技術是指基于國際溫標體系，建立在實驗室標定的溫敏參數(shù)（如電勢、電阻等）與溫度之間關系基礎上的測溫方法。工業(yè)中應用最廣泛的溫度傳感器，如熱電偶、鉑電阻溫度計等，都屬于次級測溫技術。這類測溫方法建立在實驗室標定關系的基礎上，因此當其工作在輻照環(huán)境中時，如果輻照改變了與溫敏參數(shù)有關的材料特性，則會導致實際應用中溫敏參數(shù)與溫度之間的函數(shù)關系偏離實驗室標定的關系，造成測不準的情況。針對這種情況，可以采用定期更換或原位校準等方法，目前工程應用中多采取定期更換的方式，原位校準的方法正在探索研究中。

2.1熱電偶

2.1.1測溫原理

熱電偶的測溫原理是熱電效應（即塞貝克效應），即由兩個不同金屬組成的電路中，當它們的接點保持在不同的溫度時，電路中將有電流流動，產(chǎn)生熱電勢。如圖3 所示，熱電偶工作時，一端置于待測環(huán)境t下，一端置于參考環(huán)境t₀下，導體上形成的熱電勢由兩種電勢組成，一種是接觸電勢e_AB（t），另一種是溫差電勢e_A和e_B，其中接觸電勢是由于兩種導體材料的不同產(chǎn)生的，與導體的電子密度有關；而溫差電勢與導體性質和導體兩端溫度有關。熱電勢與溫度之間存在著復雜的函數(shù)關系，無法通過物理公式推導而來，只能在實驗室進行標定。

2.1.2研究現(xiàn)狀與分析

熱電偶工藝成熟，測溫范圍廣，響應時間短，使用方便，測量重復性好，鎧裝后穩(wěn)固性強。從第一部分的介紹可以看出，熱電偶是反應堆內(nèi)溫度測量的主要手段。尤其在燃料溫度更高的反應堆型，熱電偶幾乎是堆芯溫度測量唯一成熟的方案。ARA等[13] 于1986 年開發(fā)了用于超高溫氣冷堆（VHTR）堆芯氦氣溫度測量的鎢-錸合金熱電偶，包括W-26%Re和W-5%Re 元件線，在堆外高溫環(huán)境和堆內(nèi)高溫輻照環(huán)境分別進行了測試，低于2% 的電動勢漂移量顯示該熱電偶可用于VHTR堆芯出口950～1200℃高溫氣體的溫度測量。1987年， ARA等[14]制作了Pt-5%Mo（+） 和Pt-0.1%Mo（-） 元件線的試用品，研究了1000 ℃ 以上高溫氬氣環(huán)境與高溫真空環(huán)境中裸露的熱電偶元件線的性能表現(xiàn)，結果呈現(xiàn)出很小的電動勢漂移；根據(jù)Pt-5%Mo 元件線中的Mo 對環(huán)境中所含的雜質氣體的敏感性導致元件機械性能下降的結果研制了可吸收雜質氣體的金屬鎧裝和氧化鋁絕緣管，并在其中填充氦氣，高溫測試結果顯示鎧裝后的熱電偶電動勢漂移小，元件線與鎧裝之間沒有發(fā)生化學反應，外觀和機械強度也幾乎沒有變化。Yamada 等[15] 在第一階段研究結果的基礎上進行了第二階段研究，于1994 年開發(fā)了金屬鎧裝鉑-鉬合金熱電偶， 并對其進行了堆外1 000 ℃ 以上高溫測試和堆內(nèi)高溫輻照測試，結果顯示制造的鉑-鉬合金熱電偶可以在1 200 ℃ 的高溫下長時間使用，而在1 350 ℃ 的高溫下短時間使用；堆內(nèi)高溫輻照5 個運行周期測溫誤差小于2%，滿足高溫氣冷堆的應用要求。Zha 等[9] 開發(fā)了用于中國10 MW 高溫氣冷堆（HTR-10）堆芯組件溫度測量的測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基于K 型熱電偶的反應堆壓力容器熱電偶貫穿件（TPARPV）和反應堆安全殼的熱電偶貫穿件（TPARC），以及基于計算機的分布式數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DCS）?，F(xiàn)場檢查與操作結果顯示該溫度測量系統(tǒng)的性能表現(xiàn)滿足HTR-10 的設計要求，整個系統(tǒng)的測溫誤差為2.3 ℃。

研究發(fā)現(xiàn)，當熱電偶受到中子輻照時，中子會使熱電偶元件材料的組分發(fā)生嬗變，或者使材料發(fā)生原子移位，改變材料結構，二者均會造成材料熱電性質的改變，使得熱電偶上的熱電勢發(fā)生變化，從而與熱電偶的校準結果之間產(chǎn)生偏離，導致溫度示數(shù)漂移[16-17]。針對這個問題，主要有以下3種解決方案：一是選用中子截面小的材料制造熱電偶元件，或者優(yōu)化熱電偶的結構，降低中子與材料發(fā)生作用的概率；二是對嬗變進行理論分析和量化研究，從而對熱電偶讀數(shù)進行修正；三是為熱電偶提供原位校準。

鉬-鈮熱電偶就是第一種解決方案下的產(chǎn)物，其測溫示意圖如圖4所示，其中鉬和鈮分別為熱電偶的兩根元件線。鉬和鈮的中子吸收截面非常小，即使長時間暴露于核輻照環(huán)境下它們依然能保持自身材料的穩(wěn)定性。Villard等[18]于2008年通過實驗驗證了鉬-鈮熱電偶在1100℃ 高溫條件下的耐久性是能夠滿足工業(yè)需求的。法國熱電偶供應商Thermocoax[4]，聯(lián)合LNE-CNAM和法國CEM公司對鉬-鈮熱電偶開展了相關的研究，根據(jù)其參考函數(shù)、穩(wěn)定性和熱電均勻性對熱電偶進行了實驗測試。結果表明，在200 ℃ 時，熱偶的均勻性優(yōu)于0.2℃，但是，在銀固定點（961.78℃）的測量則顯示出不穩(wěn)定性。2020年，Palmer 等[19] 對基于鉬-鈮元件的高溫耐輻照熱電偶（HTIR-TC）進行了先進測試堆內(nèi)測試，在170天的輻照（累積熱中子劑量lt;3.0×10²¹n/cm²）中呈現(xiàn)較低的漂移，其中一支HTIR-TC在1450～1500℃的溫度下穩(wěn)定工作85 天，與實際溫度的偏差在30～50℃之間。這些研究證明了鉬-鈮熱電偶進行高溫輻照環(huán)境下溫度測量的能力。此外，在熱電偶的優(yōu)化上，2018年，Skifton等[20] 對熱電偶線進行分段熱處理，減小熱電偶沿程溫度梯度以及長期處于高溫下帶來的讀數(shù)漂移；采用五階校準曲線擬合，減小標準偏差；通過對多種參考溫度的熱電勢輸出進行線性擬合，使得熱電偶校準可以通過將線性擬合的輸出加入到所測熱電偶電壓而得到相應的調整。2021年，Skifton等[21] 為測量燃料針中心線溫度，采用同軸結構對鉬-鈮熱電偶進行優(yōu)化設計，極大提高了熱電偶的響應時間，在1250 ℃ 高溫下測試數(shù)千小時的漂移量不超過5%。

對于第二種方案，可以按核反應分析出嬗變元素的種類和數(shù)量，然后利用已有關系曲線，查出元素變化所引起的熱電勢變化量，換算成溫度誤差，從而定量估計出嬗變對熱電偶的影響[3]。從20世紀60年代起，國內(nèi)外研究者對常見的堆用熱電偶在輻照下的漂移現(xiàn)象展開了持續(xù)的研究。1962年Ross[22] 以鉑銠熱電偶為研究對象，根據(jù)平均中子能量截面、中子通量和暴露在中子輻照中的時間計算銠發(fā)生嬗變的百分含量變化，結合理論給出的曲線獲得熱電勢的理論漂移值，根據(jù)反應堆溫度、中子積分通量推導熱電偶溫度漂移量，對比理論計算與實驗結果，發(fā)現(xiàn)二者一致性很高。Ross的研究證明了熱電偶中由核反應引起的嬗變導致的溫度漂移是可以通過理論推導預測的。James等[16] 于1967年提出輻照引起的熱電偶溫度漂移來源于熱電材料中的輻照引起損傷程度的差異性。1975 年Lucot[23]從熱電偶工作原理出發(fā)提出熱電偶行為理論、中子引發(fā)嬗變理論和輻照致使元件材料向絕緣層發(fā)出β輻射理論，一定程度上揭示了熱電偶在輻照下發(fā)生漂移的原因和規(guī)律。2013 年Scervini 等[24] 用軟件ORIGEN 2.2分別計算經(jīng)過PWR 和LMFBR 輻照后鎳基熱電偶（K型、N型） ， 鎢基熱電偶（W-5%Re/W-26%Re，W-3%Re/W-25%Re），鉑基熱電偶（S型、Pt/Pd），鉬鈮熱電偶的組分變化，結果發(fā)現(xiàn)熱電偶在熱中子輻照中比在快中子中會經(jīng)歷更明顯的嬗變，鎳基熱電偶組分變化最小，鉑基和鎢基熱電偶嬗變則要大得多。Skifton等[25-26] 在2022 年針對高溫下新型鉬鈮熱電偶建立了考慮高溫、超高溫、熱中子輻照和快中子輻照環(huán)境的高溫抗輻照熱電偶漂移模型，該模型根據(jù)大量的熱電偶輻照試驗數(shù)據(jù)確定模型中的修正參數(shù)，從而預測溫度和嬗變對任何熱電偶溫度計所含金屬的影響，最終給出熱電偶的溫度漂移規(guī)律。在實驗研究上，很多研究者對鎳基熱電偶、鉑基熱電偶、鎢基熱電偶、鉬鈮熱電偶等常見的堆用熱電偶進行了輻照試驗，發(fā)現(xiàn)輻照對鎳基熱電偶和鉬-鈮熱電偶的測量精度和穩(wěn)定性影響相對較小[12，23，27-32]，而對鉑基熱電偶、鎢基熱電偶的影響顯著[28，31，33]。Chen 等[34] 在2017年研究了高劑量γ輻照對礦物絕緣316L 不銹鋼鎧裝（MIMS）K 型熱電偶的熱電勢漂移影響，提出熱電偶在高劑量γ 輻照下的熱電勢漂移包括可逆和不可逆部分?？赡嫫飘a(chǎn)生于正極元件的短序排列，可通過1070 ℃下退火消除；不可逆變化歸因于正極元件的少量氧化和元件的老化。

第三種方案即用其他測溫手段為熱電偶提供原位校準。法國國家計量院（LNE-CNAM）和英國國家物理實驗所（ National Physical Laboratory， NPL）分別開發(fā)了兩種熱電偶原位校準的方法，通過嵌入熱電偶測量點處一個密封的且內(nèi)部填充有純銅、純銀或鐵碳共晶體的石墨坩堝來實現(xiàn)在填充物質熔化或冷凝固定點溫度的自校正，兩種方法都實現(xiàn)了0.1 ℃ 的測量溫度重復性，表明了其可以作為高溫環(huán)境下的一種減少或消除熱電偶溫度漂移的手段[35]。

2.2電阻溫度計

2.2.1測溫原理

電阻溫度計基于導體（或半導體）具有重復性的電阻-溫度特性關系實現(xiàn)溫度測量[1]。一般純金屬在溫度變化范圍不大時，其電阻值與溫度的關系近似為：

2.2.2研究現(xiàn)狀與分析

核反應堆中使用的電阻溫度計一般為鉑電阻溫度計。鉑電阻溫度計的電阻-溫度關系具有良好的線性，標定方法簡單、方便，具有較高的精度、穩(wěn)定性和靈敏度。但鉑電阻溫度計也存在一定的不足：與熱電偶相比，鉑電阻溫度計敏感元件體積較大，響應時間更長，且成本較高。在核反應堆環(huán)境中，輻照會造成金屬電阻的改變，這種改變難以修正；無應力安裝的要求使敏感元件與套管之間的熱阻增大；且強輻照場中絕緣材料電阻率下降，會給測量引入分流誤差[2]。電阻溫度計較熱電偶受到核輻照的影響更嚴重，因此電阻溫度計一般用于反應堆輻照水平較低的部位[3]。在一些壓水堆中，電阻溫度計用于堆芯外一回路冷卻劑管道[36]。

在新型電阻溫度計的研究上，Mondal 等[37] 開發(fā)了一種基于MXene/Fe₃O₄/石墨多孔網(wǎng)絡/Ecoflex（MFGPNE）柔性壓力-溫度傳感器，在21～110 ℃ 溫區(qū)內(nèi)測量得到線性度優(yōu)良（2.23%/℃）的電阻-溫度曲線；在⁶⁰Co源累積20kGy（1 kGy/h，20 h）的γ 輻照下的原位電學實驗得到的電阻-溫度曲線與0kGy 下得到的曲線幾乎重合，顯示出其優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性。結合材料優(yōu)良的抗輻照性，該傳感器有望提供新的耐輻照測溫方案。

2.3光纖溫度計

2.3.1測溫原理

光纖測溫的原理是來自光源的光波經(jīng)光纖進入調制區(qū)受到溫度的作用，導致描述光波光學性質的參量（如光強、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化而成為被調制的信號光，再經(jīng)過光纖進入光探測器，經(jīng)解調器解調后獲得被測溫度的信息，進而得到所測溫度。在高溫測量領域，光纖傳感器具有測溫范圍廣、熱響應速度快、精度高、壽命長、機械靈敏性好等優(yōu)點，并且其不受強電磁場干擾，可在高溫高壓等惡劣環(huán)境下進行工作。常見的光纖高溫傳感器有基于光纖后向拉曼散射的溫度效應和光時域反射技術（OTDR）的分布式光纖高溫傳感器，基于布拉格波長與溫度依賴性的光纖布拉格光柵（FBG）高溫傳感器，基于外界溫度引起光纖中光波相位發(fā)生變化導致脈沖峰輸出位置改變的Fabry-Perot 光纖高溫傳感器，基于光纖黑體腔與外界溫度場達熱平衡時對其發(fā)射出輻射光信號的探測并處理的藍寶石光纖高溫傳感器等[38]。

對反應堆內(nèi)光纖測溫的研究絕大多數(shù)集中在光纖布拉格光柵（FBG）技術，該技術的測溫原理為布拉格波長與溫度的依賴關系：

2.3.2研究現(xiàn)狀與分析

光纖傳感技術始于1977年，1983年，West[39]提出了光纖在核輻照環(huán)境中的應用，并對當時幾種主要光纖在輻照環(huán)境下的性能表現(xiàn)做了簡要的評估。在1984 年，Hooper[40] 分析了光纖傳感器在核工業(yè)中應用的潛能，認為光纖傳感器可以在核電領域發(fā)揮巨大的作用。Berghmans等[41-42] 在1998年比較了半導體吸收傳感器、Fabry-Perot傳感器和熒光傳感器3 種商用光纖溫度傳感器在50～80℃γ輻照環(huán)境中的性能，結果發(fā)現(xiàn)3種傳感器均會受到不同程度的輻照影響，導致測量誤差或傳感器失效。Liu等[43] 在2003年通過研究中子-γ 混合輻照對Fabry-Perot光纖溫度傳感器的影響發(fā)現(xiàn)，測試溫度計與參考熱電偶之間出現(xiàn)高達30℉的測溫偏差，輻照過程中出現(xiàn)溫度讀數(shù)下降，分析原因在于中子輻照產(chǎn)生的加熱或損壞效應對傳感頭反射光纖的鋁硅酸鹽玻璃材料的熱膨脹系數(shù)的影響。該研究說明Fabry-Perot光纖傳感器目前很難在輻照環(huán)境下進行使用。2008年，Sang等[44] 在池式反應堆OSURR中運用掃頻波長干涉法對四種纖芯摻雜度不同、涂敷層材料不同商用光纖進行了20～110℃溫區(qū)內(nèi)的瑞利散射信號頻移測量，結果顯示在高中子通量區(qū)域和低中子通量區(qū)域四種光纖都清楚地測出了溫度，并捕獲了測試期間發(fā)生的熱波動，發(fā)現(xiàn)各種光纖的光譜頻移在所測溫區(qū)與溫度近乎線性相關；同時發(fā)現(xiàn)光纖的光譜頻移對溫度的響應與光纖的摻雜水平有關。該研究證明了利用商用單模光纖的瑞利散射信號頻移進行反應堆內(nèi)溫度測量的可行性。2023年，Holden 等[45] 使用二氧化硅單模光纖，以譜線頻移與溫度的依賴關系作為測溫原理，在275～400℃溫區(qū)進行了測試，結果與參考熱電偶之間讀數(shù)偏差約5～10℃，進一步研究需要考慮輻照、更高溫和振動影響。

比起其他光纖溫度傳感器，布拉格光柵（FBG）式光纖溫度計得到了研究者更多的關注，研究點涉及輻照下測溫性能的探索和提高FBG的耐高溫性與耐輻照性等具有鮮明堆工應用特色的方面。1999年， Gusarov等[46] 將用相位掩膜法刻有7個FBG的10mol% 摻鍺的石英光纖和帶有一段光敏光纖但沒有FBG 的參考光纖置于溫度35～45 ℃ 的γ輻照設備中進行了15天累積劑量超過1MGy的輻照實驗，結果顯示在3% 的精確度內(nèi)FBG的溫度敏感系數(shù)不受輻照的影響；布拉格共振的幅值和寬度在γ 輻照下保持不變；輻照造成的布拉格波長偏移不超過25pm，并在0.1MGy的劑量下偏移值達到飽和。該研究說明基于FBG的溫度傳感器可能在MGy劑量水平的輻照環(huán)境中保持所需的性能，但是FBG 的參數(shù)對輻照的敏感性需要進一步降低，測試溫度需要進一步提高。2002年， Fernandez等[47] 在比利時的氣冷石墨慢化堆BR1內(nèi)設置熱電偶對照組對經(jīng)過不同技術處理過的幾種光纖布拉格光柵（FBG）溫度傳感器進行了低中子通量下的溫度監(jiān)測測試，結果顯示刻寫于光敏光纖的FBG 溫度傳感器在不做任何前后處理時，在BR1內(nèi)保持著正常的工作狀態(tài)，溫度漂移較??；而應用于寫入布拉格光柵之前光纖的氫光敏化技術可能會導致FBG溫度傳感器對只有γ 輻射和γ-中子混合輻照的敏感性增加，從而使得傳感器所得溫度漂移變大。同年，他們在高通量反應堆BR2 中的溫度監(jiān)測測試結果顯示[48]，光柵對γ-中子混合輻照較γ 輻照更為敏感；在較低溫度下γ射線最高總劑量160MGy、中子通量8×10¹⁸n/cm² 時光柵的布拉格峰光譜半峰全寬（FWHM）幾乎不變；但在較高溫度（約90 ℃）的環(huán)境中會引起光柵抹除，導致傳感器性能的嚴重退化。Pauw等[49] 將寫有FBG的光纖用高溫聚酰亞胺粘合劑（gt;300 ℃）粘于燃料棒（圖5），在175 ℃ 左右的實驗溫度下進行測試，發(fā)現(xiàn)溫度漂移會隨著時間增加，實驗獲得了30mK 的溫度分辨率，證明了基于光纖的傳感系統(tǒng)在此種環(huán)境下運用的潛能。

由以上研究可以看出，F(xiàn)BG 式光纖溫度計存在著易受輻照影響、高溫下穩(wěn)定性變差等問題。針對這些應用問題，研究者經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，采用飛秒激光將FBG寫入光纖，對光纖進行摻氟處理，對光纖進行750℃ 、15min 退火處理等措施可以提高FBG的穩(wěn)定性和抗輻照性，從而顯著減小溫度測量的誤差[50-55]。此外，de Villiers等[56] 實驗發(fā)現(xiàn)用飛秒激光寫入二氧化硅Sumitomo Z光纖的FBG在最高940℃溫度下其布拉格光柵波長變化與溫度之間精確滿足二次方程，證明了FBG式光纖溫度計在高溫下的應用潛力。

從原理式（3）分析可知，光纖FBG測溫技術需要在實驗室標定布拉格波長與溫度的關系，以確定λ_B（T₀） 、K_T的值，不少測溫性能測試實驗結果顯示這些參數(shù)可能會受輻照影響而發(fā)生改變，導致溫度計在實際輻照環(huán)境中工作時出現(xiàn)偏離標定的情況。目前并沒有開發(fā)出能夠應用于核反應堆內(nèi)溫度測量的較為成熟的光纖測溫技術，但是隨著關于FBG 穩(wěn)定性和抗輻照性的研究成果不斷涌出，F(xiàn)BG式溫度計被證明有能力在更高溫度和更高輻照水平的環(huán)境中進行精確的溫度測量。

2.4其他次級溫度計

超聲波溫度計是利用頻率高于20kHz的聲波在固體中傳播的速度隨溫度變化的規(guī)律來進行溫度測量。由于與飛渡時間有關的波導材料的密度、楊氏模量等參數(shù)與溫度之間的依賴關系復雜而未知，因此在使用前需要對聲波飛渡時間與溫度的關系進行標定。按照測量方法的不同，超聲波溫度計可以分成以下兩種。

1） 共振型超聲波溫度計

共振型超聲波溫度計以石英晶體、陶瓷、各種難熔金屬等作為共振器，探頭部分與聲波傳輸線相連，聲波發(fā)生器可以發(fā)出頻率可變的聲波，直到與探頭產(chǎn)生共振，在已知波長的條件下就可以通過共振頻率來計算出聲速。1978年，F(xiàn)athimani等[57] 利用磁致伸縮材料作為聲波發(fā)生器，利用一種音叉結構的細棒作為探頭，測試了銥材料探頭和藍寶石材料探頭的溫度測量性能，結果顯示用藍寶石作為探頭的超聲波溫度計在1900℃的高溫條件下具有很好的測溫精確度。2022年，Keller等[58] 開發(fā)了基于耐輻照磁致伸縮材料Galfenol的超聲溫度計，建立考慮電學、磁場、機械動力學的多物理場有限元分析模型，在10～120℃溫區(qū)內(nèi)進行測試， 獲得了2.9% 的相對不確定度和0.45℃的溫度分辨率。從測試結果中他們觀察到了較嚴重的聲波衰減。同年，苗婉茹等[59] 使用藍寶石材料制備超聲溫度傳感器，在600～1800℃系統(tǒng)測試溫度范圍內(nèi)有效分析了其靈敏度、重復性等特性參數(shù)。

2）脈沖反射型超聲波溫度計

1977年，美國桑迪亞實驗室的Carlson 等[60] 利用鎢釷合金棒作為超聲傳感器在熔融堆芯燃料池中進行了溫度測量研究。通過在一根傳感器棒上等間隔加工缺口的方式來創(chuàng)造多個超聲反射端面，通過測量脈沖線圈驅動磁致伸縮材料產(chǎn)生的超聲在不同端面形成的回聲時間來測量不同軸向位置的溫度信息。通過3組不同條件下的對比實驗，表明該種超聲溫度計在高溫區(qū)1 400～2850℃的測量精確度為±10℃。

以上研究表明，超聲波溫度計可以達到很高的測量溫度上限。但是，目前還沒有基礎的理論公式可以直接得到固體中聲速與溫度的關系，反應堆的輻照環(huán)境對與固體中聲速有關的材料參數(shù)的影響未知，因此難以判斷超聲波溫度計在反應堆內(nèi)環(huán)境進行測溫的可靠性。與此同時，超聲波在固體中以較快速度傳播引起的微小時間信號的測量以及合理地布置和鏈接聲學傳感器也是目前需要進一步探究和解決的問題。

此外，還有一些特殊的堆用溫度計，比如專門應用于高溫氣冷堆堆芯溫度在線測量的熔點溫度計[61]，通過將熔點不同的多根金屬熔絲依次嵌入石墨球元件和燃料球一起加入堆芯，根據(jù)金屬絲的熔化狀態(tài)記錄其在堆芯內(nèi)經(jīng)受的峰值溫度。

3原級測溫技術

與常用的工業(yè)溫度計不同，原級測溫技術不依賴于實驗室標定的溫敏參數(shù)與溫度的關系，而是直接基于熱力學基本關系測量熱力學溫度，因此原理上不會受到環(huán)境因素的影響，在極端環(huán)境的溫度測量、以及對傳統(tǒng)溫度計的原位校準等方面具有良好的發(fā)展?jié)摿?。對于各種原級測溫技術的研究也在不斷推進，但目前大部分原級測溫技術尚未實現(xiàn)實用化。

3.1噪聲溫度計

3.1.1測溫原理

噪聲溫度計的原理是利用電子的熱運動在電阻的兩端產(chǎn)生的電位起伏來測量溫度。這種電子熱運動被稱為熱噪聲，又稱Johnson 噪聲。其物理關系如下：

式中：V ——電路兩端的均方電壓波動；

k——玻爾茲曼常數(shù)；

T——電阻的熱力學溫度；

R_e——電路的復合阻抗的實部；

f——電壓波動的頻帶寬度。

該公式最早由Nyquist[62] 從一般的熱動力學因素出發(fā)推導得出，并由Johnson在實驗上予以證實[63]。

3.1.2研究現(xiàn)狀與分析

在實驗研究方面，1971年Brixy[64] 在FRJ-2反應堆中進行了分別置于未知溫度和室溫下的噪聲溫度計與K 型熱電偶測量對比的兩組實驗。實驗結果表明，在300～1100K的溫度范圍內(nèi)，噪聲溫度計的精確度超過0.2%。該研究在實驗上初步證明了噪聲溫度計在核反應堆中應用的可行性。1982年，Borisov 等[65] 在蘇聯(lián)IR-50型（中子通量0.39×10¹² cm^–2/K）和IVV-2M型（中子通量5×10¹⁴cm^–2/K）反應堆中測試噪聲溫度計的測溫性能，發(fā)現(xiàn)測量誤差在600.4 K 處為0.5%～0.7%。研究結果顯示溫度計示數(shù)與輻照無關，初步驗證了噪聲溫度計的耐輻照性。2004年，Kisner等[66] 使用電阻元件與被測表面直接接觸的接觸型Johnson噪聲溫度計在180～500℃溫區(qū)內(nèi)進行測溫實驗獲得了±2 ℃ 的不確定度，根據(jù)互功率譜密度（CSPD）獲得的均方噪聲電壓與K 型熱電偶的參考溫度之間顯示出良好的線性度，證明了噪聲溫度計的測溫能力。2009年，Lopez等[67] 使用噪聲溫度計在實驗室300 ℃ 環(huán)境下進行測溫實驗獲得了1.5 ℃以下的不確定度，但由于特殊結構的電纜衰減大造成其與熱電偶之間的讀數(shù)差超過20 ℃，而在2011年的實驗中使用典型結構的電纜（如圖6）進行相同環(huán)境下的200、300、400 ℃ 下的測溫實驗，在滿足±1.5 ℃ 測溫精度的同時與參考熱電偶之間的讀數(shù)差均在1 ℃上下[68]。2014 年，Britton等[69] 提出Johnson 噪聲溫度計適用于更重視長期穩(wěn)定性的小型模塊式反應堆，在0、23、183、373 ℃ 處與參考熱電阻溫度計的對比實驗結果顯示偏差分別為–0.007、–0.138、0.031、–0.328 ℃。

早期Johnson 噪聲溫度計在設計上針對放大器增益需已知且溫度、連接電纜的放大器帶通和濾波效應需已知、傳感器電阻測量需獨立且準確等需求采用了高增益測量電路，用單放大器通道對測量溫度下和已知溫度下的兩個噪聲電壓進行測量獲得二者比例。在噪聲溫度計的優(yōu)化上，Pepper 等[70] 將電阻傳感器與電感和電容串聯(lián)形成調諧電路，對于適當調諧的電路，大多數(shù)信號功率位于諧振頻率附近的相對較小的頻帶內(nèi)，減小了早期噪聲溫度計因為采用高增益電路引入的噪聲。Holcomb 等[71] 在2004 年指出這樣的設計存在電感耗散的問題，同時提出在更特殊的空間反應堆應用場景下連接傳感器電阻和第一級放大器的電纜的電容效應也是噪聲溫度計的應用限制，他們提出可以使用定期測量電纜的輸入阻抗并計算其傳遞函數(shù)來補償電纜的電容效應。2015 年，Pearce 等[72] 引入可同時匹配噪聲功率和傳感電阻的偽隨機噪聲源，將測量時間縮短至約1/10。2018 年Ezell 等[73] 針對噪聲溫度計易受電磁干擾的問題開發(fā)了依賴于兩個高輸入阻抗放大器電路通道的Johnson 噪聲功率譜密度和二者間互功率譜密度的減法算法，有效消除了電磁環(huán)境對互功率譜密度測量的影響，提高了溫度計算的準確性。他們還將噪聲溫度計安裝于鍋爐給水泵的吸水段和排水段進行測試，發(fā)現(xiàn)該噪聲測溫系統(tǒng)能追蹤實時溫度。2020 年Pearce 等[74] 針對已知白噪聲參考信

號與未知Johnson 噪聲信號的切換問題，向測量電路引入PRN 波形的參考信號以在傳感器電阻中產(chǎn)生校準電壓信號，再用數(shù)字信號處理系統(tǒng)將噪聲信號與參考信號分離，計算二者之比以確定絕對Johnson噪聲功率，從而獲得傳感電阻的溫度。實驗結果顯示在20 ℃ 下其測溫不確定度達到約0.28 ℃。

噪聲溫度計作為一種原級測溫技術，不需要周期性校準，測溫范圍廣（0.001～3000K甚至更高溫）。因此，噪聲溫度計可望成為一種理想的反應堆測溫方式。噪聲溫度計的技術挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在電壓信號小、信號處理困難、易受電磁干擾、操作復雜等方面，目前實用化應用方面主要集中在極低溫溫區(qū)，在高溫區(qū)的應用尚未實現(xiàn)實用化，對該技術的優(yōu)化研究也在持續(xù)進行中。

3.2輻射溫度計

3.2.1測溫原理

輻射測溫技術的原理是通過測量與物體自身溫度相關的輻射量來確定溫度。輻射測溫的重要理論依據(jù)是黑體輻射定律，包括Planck定律、Wein位移定律和Stefan-Boltzmann定律，而輻射測溫儀表是利用Planck黑體輻射定律（式（5）），根據(jù)熱輻射體特性與其溫度之間的函數(shù)關系測量其表觀溫度（包括亮度溫度、輻射溫度和顏色溫度）。

3.2.2研究現(xiàn)狀與分析

早在二十世紀初就出現(xiàn)了輻射溫度計——隱絲式光學高溫計[75]，直到現(xiàn)在仍在高溫（800 ℃ 以上）測量領域中使用。在核能領域，Bouvry等[76] 為監(jiān)測核反應堆燃料鋯-4合金包殼的表面溫度，計劃設計出一種適合高溫、核輻照、蒸汽等惡劣環(huán)境下的非接觸式實時溫度傳感器，該團隊于2016 年在實驗室開發(fā)出了一種基于輻射測溫原理的、在沒有水蒸氣或輻照的空氣中工作的光學高溫測定裝置。該裝置在測量的光譜范圍內(nèi)獲得了相對恒定的表面溫度，然而與參照值的偏差相對較大（約17℃），并且目前研究的測溫環(huán)境僅限于不含水蒸氣和核輻照的空氣中，同時尚未實現(xiàn)裝置的小型化。在2020 年，Ladaci等[77] 針對失水事故下燃料包殼表面的溫度監(jiān)測問題開發(fā)了一種多光譜紅外輻射溫度計，使用耐輻照材料如金剛石和純硅玻璃作為傳感器材料以減小高通量γ 和中子輻照所致衰減對系統(tǒng)頻譜損耗變化帶來的影響，在500～1200 ℃ 溫區(qū)空氣和蒸汽環(huán)境中的測試結果顯示與熱電偶讀數(shù)之間偏差在7 ℃以下，測量不確定度低于1%。

在輻照環(huán)境中，核輻照的加熱效應會影響輻射測溫設備中光敏元件的精度，核輻照也會造成檢測器特性和觀測窗透光特性改變等一系列嚴重影響測溫性能的損害，這制約了輻射溫度計在堆內(nèi)測溫中的應用[2]。目前的研究也缺乏輻射溫度計在輻照環(huán)境中的性能表現(xiàn)。

3.3氣體聲學溫度計

氣體聲學溫度計是利用聲波在氣體中傳播速度與溫度的關系測量溫度，對于理想氣體，該關系式可以表示為[78]：

根據(jù)對聲速的測量方法不同，氣體聲學溫度計又可以劃分為聲波飛渡法與聲學共鳴法。

3.3.1聲波飛渡法

聲波飛渡法溫度計通過測量聲波在給定長度的聲波導管內(nèi)的飛渡時間來計算聲速，再將所得聲速代入式（6）或（7）推導出測溫區(qū)對應的溫度。

英國國家物理實驗所的de Podesta 等[79] 基于聲波飛渡法研制了如圖7 所示的雙管式聲波導管溫度計，通過測量同時同地激發(fā)的聲波經(jīng)過填充有流動氬氣的、長度不同的兩根不銹鋼制、緊鄰布置的U型聲波導管的時間差來確定長管相較于短管突出的“測量區(qū)”溫度。該研究團隊在2010年與熱電偶在250～1000℃溫區(qū)內(nèi)測溫的對比實驗結果顯示二者所測溫度差在–20～30℃，證明該技術具有在高至1000℃溫度下進行測溫的能力。2013年，該團隊的Sutton 等[80] 通過使用chirp 信號作為聲學脈沖激勵， 改善了雙管式聲學溫度計的信噪比， 在100～500℃溫區(qū)內(nèi)的測試結果顯示，經(jīng)過修正后該聲學溫度計的測溫精度達到了10℃以下。2015年Sutton等[81-82] 測試了二氧化硅制雙管式聲學溫度計在100～1000℃下的測溫性能，結果短期內(nèi)與參考熱電偶之間的誤差小于2℃，測量不確定度在0.1℃左右，而在長達19天的長期測量中呈現(xiàn)出2 ℃的系統(tǒng)偏差；而對同方法制作的同結構Inconel-600制雙管式聲學溫度計的測試結果則在700 ℃ 以上的高溫下呈現(xiàn)超過10℃的誤差。推測原因在于二氧化硅與Inconel-600 的熱膨脹系數(shù)差異、高溫下的致密化以及雙管間熱連接結構的影響。除了雙管式聲波導管溫度計，單管式聲波導管溫度計也得到了一些研究者的關注。相較于雙管式溫度計，單管式溫度計的優(yōu)勢在于聲波傳播的公共段溫度嚴格相同，且只需要一個麥克風作為接收器節(jié)省了成本，但存在著聲波反射帶來的聲學衰減更大、聲學信號易重疊等問題。2020年，Tavcar 等[83] 設計制造了一種304 不銹鋼制的單管式變徑聲波導管，使用chirp信號和正弦波信號對聲信號返回的時間差進行測量，通過算法使聲源發(fā)射所需形態(tài)的聲學脈沖來消除聲波反射，實驗結果顯示在10～70℃溫區(qū)內(nèi)測量的溫度與參考溫度計所測溫度之差在0.3℃以下；而使用調頻連續(xù)波聲學信號測量的結果與參考結果相差小于2℃。Tavcar的研究提出了單管式聲波導管溫度計聲學信號重疊問題的解決方案，并實驗證明了其可行性，但目前還未報告該溫度計在更高溫度下的測溫性能研究。

聲學飛渡法測溫原理和測溫結構簡單，不考慮材料變形的前提下原則上不會受到輻照的影響。但該方法受到沿管溫度梯度的影響，在聲信號從發(fā)出到接收的傳播路徑上聲速會因為不同位置溫度的不同而發(fā)生變化，雙管式聲波導管難以保證聲波傳播的公共段溫度嚴格一致，因此所測得突出段測溫區(qū)的時延并不能精確地反映該區(qū)域的溫度，需要繁瑣復雜的溫度反演才能定量分析溫度梯度的影響，從而準確得到測溫區(qū)溫度。而單管式聲波導管在高溫下聲信號重疊的問題尚未得到徹底解決，且高溫下聲波的衰減問題會愈加嚴重，這些都是目標溫度提升后聲波導管式溫度計需要面臨并解決的重要問題。此外研究中發(fā)現(xiàn)聲波導管式溫度計在測試過程暴露出對聲學噪聲和振動敏感等問題也是其走向實用化道路上必須跨越的障礙。

3.3.2聲學共鳴法

聲學共鳴法溫度計通過測量聲波在共鳴腔內(nèi)的聲學共振頻率，經(jīng)非理想因素修正后得到理想聲學共振頻率，結合腔體的尺寸參數(shù)，計算獲得聲速，再根據(jù)式（7）得到熱力學溫度。在內(nèi)長L、內(nèi)徑2a的圓柱共鳴腔中，聲速與理想共振頻率的關系如下式所示[78]：

因此在純軸向聲學模式下只需要測得圓柱共鳴腔內(nèi)長L 和該模式下的理想聲學共振頻率，即可獲得共鳴腔內(nèi)氣體聲速，從而得到對應的熱力學溫度。

聲學共鳴法測溫系統(tǒng)示意圖見圖8。在聲學共振頻率測量過程中，函數(shù)發(fā)生器輸出一定頻率范圍內(nèi)的電壓信號，經(jīng)電壓放大器放大后 ，由聲源將電壓信號轉換成機械振動，在腔內(nèi)氣體介質中產(chǎn)生聲波，在共鳴腔另一端面反射后，經(jīng)聲學探測器和與之配套使用的極化電源將接收到的聲波信號轉換回電信號并放大，傳給鎖相放大器，鎖相放大器鎖定函數(shù)發(fā)生器給出的參考頻率輸出頻譜，從而獲得聲學共振頻率，結合腔體的內(nèi)部尺寸可以得到聲速。

在1962年，Apfel[84] 使用氦氣填充的、設有一定長度聲波導管的石墨共鳴腔測量了–17.8～926.7 ℃共鳴腔的共振頻率，發(fā)現(xiàn)溫度與共振頻率之間呈拋物線關系，并提出該技術適用于核輻照環(huán)境中的高溫研究。Moldover等[85] 于1979 年詳細闡述了將球形聲學共鳴腔應用于熱力學溫度測量的基礎理論。在1988年，Moldover 等[86] 建立了基于球形共鳴腔的聲學溫度計實驗系統(tǒng)，在此基礎上進行了鎵熔點熱力學溫度的測量[87]，實現(xiàn)了僅1 mK 的不確定度。Moldover 等人的研究為基準聲學溫度計的研制與應用提供了重要的理論和技術參考。此后，多個研究團隊在低至77K、高至552K之間不同溫區(qū)使用氬氣或氦氣作為介質氣體、對基于（準）球形聲學共鳴腔的溫度計測量熱力學溫度進行了研究，實現(xiàn)了低于3 mK的測量不確定度[88-94]。這些研究關注的重點主要在于提高聲學共振頻率測量的精度，對于更高溫區(qū)下的測量，Ripple等[95] 提出了將球形聲學共鳴腔應用于高至800K溫度下測量的系統(tǒng)各部分設計，在2013 年[96] 設計了放置聲學傳感器的小型殼體，將聲學發(fā)射端和接收端的傳感器置于高溫系統(tǒng)外室溫環(huán)境中的殼體中，通過聲學導管與共鳴腔相通，從而在保證氬氣介質純度和微小擾動的情況下實現(xiàn)更高溫度下的測量。

雖然（準）球形共鳴腔可以實現(xiàn)精度很高的共振頻率測量，但其加工、裝配難度極大，使用過程中容易變形，從而產(chǎn)生共振頻率的偏移。中國計量科學研究院的Zhang、Lin 等[97-99] 在玻爾茲曼常數(shù)重新定義的研究中使用工程上精密加工和裝配更為容易、結構更為穩(wěn)定的圓柱作為聲學共鳴腔，采用驅動能力更強的壓電陶瓷作為聲學發(fā)射端傳感器，將測量的相對標準不確定度降低到了與國外球形共鳴腔相當?shù)乃?。除此之外，該課題組通過對邊界層、聲波衰減、幾何形狀非理想性等非理想因素對聲學共振頻率的擾動進行更完整的修正，通過更精密的氣體組分分析、優(yōu)化的支撐結構和邊界層二階擾動分析，一步步提高聲學共振頻率的測量精度[97，100-101]在熱力學溫度測量上，2020年Zhang等[102]使用氬氣填充的無氧銅制圓柱聲學共鳴腔進行了234～303K溫區(qū)內(nèi)溫度測量， 不確定度為0.5～0.8 mK。2014年，針對聲學傳感器無法在高溫環(huán)境下工作的問題，高結等[103] 為定程圓柱共鳴腔引入耐高溫金屬聲波導管，使得聲學傳感器得以布置在室溫環(huán)境中工作，通過理論計算和實驗測量，得到了適用于聲學溫度計的聲波導管尺寸和傳感器設計形式；于2015 年[104] 進行聲學傳感器的性能對比實驗，結果發(fā)現(xiàn)，在相同實驗條件下，傳統(tǒng)電容式麥克風作為聲學探測器較壓電陶瓷可以獲得更高的信噪比和更低的頻率測量隨機偏差。高結等人的研究成果為該研究團隊后續(xù)開展高溫聲學共鳴法測量熱力學溫度提供了重要基礎。2016年，Zhang 等[105] 用設有聲波導管的HR120制圓柱共鳴腔進行了295～797 K溫區(qū)內(nèi)的聲學共振頻率測量，在295K和797K處所得相對不確定度分別為2×10^–6和5×10^–6。2020年，楊勝良等[106] 設計并搭建了一套基于310S抗氧化合金制圓柱聲學共鳴腔（圖9（a））的實用氦氣聲學溫度計測量系統(tǒng)，采用聲波導管和置入特制固定裝置的聲學傳感器進行了488～806K溫區(qū)圓柱共鳴腔內(nèi)氦氣的熱力學溫度測量，結果顯示與參考熱電偶的測溫結果之間差異小于1%，溫度測量的信噪比可滿足需求。2024年，李明達等[107] 使用一個焊接有兩根聲波導管的，內(nèi)徑10mm、內(nèi)長40mm 的高溫合金GH2747制小型化圓柱共鳴腔（圖9（b）），以空氣作為介質氣體，測試了293～782K溫區(qū)之間6個溫度點共鳴腔的測溫性能，結果發(fā)現(xiàn)與參考熱電偶之間的相對偏差小于2%，并獲得了2.93K的不確定度。這些研究無論是更高溫區(qū)的擴展，還是小型化的嘗試，都為更高溫度和壓力環(huán)境下聲學共鳴腔測溫實用化的研究奠定了基礎，同時其研究中存在高溫下共振頻率測量信噪比不高等問題也為后續(xù)的研究提供了優(yōu)化方向。

在原理上，由于輻照不會改變He、Ar等惰性氣體的性質，因此根據(jù)聲學共鳴腔內(nèi)氣體介質聲速來測量溫度不會產(chǎn)生由輻照造成的誤差[2]。中國計量科學院的研究已經(jīng)證明圓柱聲學共鳴腔在高溫環(huán)境下的測溫潛力，通過引入聲波導管，可以使得聲學傳感器工作在其適用溫區(qū)；通過選擇高溫合金、石墨等耐高溫材料，可以使得共鳴腔在高溫環(huán)境保持形狀穩(wěn)定；通過小型化設計，可以縮短共鳴腔內(nèi)氣體達到熱平衡的時間，同時提高腔體安裝和攜帶的便捷性。這些研究推動著聲學共鳴法溫度計逐步走向核反應堆內(nèi)測量的實用化。

以第四代核反應堆——高溫氣冷堆——為應用背景，氣體聲學共鳴腔在這種特殊的堆型中具有獨特的優(yōu)勢。因為高溫氣冷堆內(nèi)的工作介質是高純單原子惰性氣體——氦氣，從1K至10000K溫度范圍氦氣物理性質已由“ab initio”準確獲得，在高溫高壓輻照環(huán)境條件下，氦氣的物理性質一直維持穩(wěn)定。用作聲波導管和共鳴腔的材料可以直接選用反應堆內(nèi)部構件普遍采用的石墨材料，不需要額外考慮溫度傳感器與反應堆內(nèi)部材料的相容性問題。氣體聲學溫度計在高溫氣冷堆內(nèi)的應用概念圖見圖10，可以用引管將足夠小的聲學共鳴腔送至高溫氣冷堆側部反射層的石墨碳磚間的測點，共鳴腔上軸向中心位置開通孔以使氦氣填充腔體，聲學傳感器布置于引管的堆外段。

需要注意的是，就目前的測溫過程而言，與技術成熟的熱電偶相比，氣體聲學溫度計響應時間較長，因此主要適用于反應堆的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)測量。由于原理上對輻照的抗性，氣體聲學溫度計更適合為熱電偶等傳統(tǒng)測溫工具提供長期原位校準。另一方面，氦氣聲速較高，高溫下對應的聲學共振頻率較高，聲波在導管中傳輸經(jīng)歷的衰減嚴重，因此需要進一步優(yōu)化聲學傳感器以增強測量信噪比。

3.4其他原級溫度計

近年來，有一些國內(nèi)外的研究者利用熱聲效應原理，設計出可以應用于反應堆中溫度測量的裝置。熱聲效應是指具有時均熱流或時均功流的流體介質在具有溫度差的固體介質中產(chǎn)生的熱流和功流與聲流相互轉換的現(xiàn)象。測溫裝置工作時通過測量在諧振區(qū)產(chǎn)生聲波的共振頻率，利用聲速與聲波駐波頻率以及溫度與聲速的關系，進而獲得所測溫度。

2013年，Ali 等[108] 通過堆外實驗證明熱聲測溫方法中測得的聲波共振頻率與氣體的多變系數(shù)和平均分子質量之比的平方根直接相關，能夠計算出氣體的溫度信息。同時還指出了熱聲傳感器可以擴展應用于測量氣體濕度和燃料孔隙度以及追蹤裂變氣體的演化過程。2015 年，哈爾濱工業(yè)大學的劉輝等人[109] 基于熱聲效應原理發(fā)明了一種用于核反應堆非能動測溫的裝置。相比較傳統(tǒng)的熱電偶測溫，其最大的優(yōu)勢：一是具有無源性，不需要外部電源的支持，即可持續(xù)穩(wěn)定工作；二是具有非能動余熱導出特性，當反應堆發(fā)生事故造成停堆后，能夠以自然循環(huán)的方式將反應堆堆芯的余熱導出反應堆外。2018年，中國船舶重工集團公司七一九研究所的章先濤等[110] 熱聲式反應堆測溫裝置的基礎上發(fā)明了一種同時利用熱聲效應和熱電效應的反應堆堆芯溫度測量裝置。與單獨利用熱聲效應的測溫裝置的主要不同之處在于，其冷熱端部溫差引起的熱量波動最終不是以聲波信號的方式傳送出來，而是以遠傳精度和解析精度更高的電信號形式。

這種基于熱聲效應的溫度計還缺少深入的理論和堆內(nèi)實驗支持，目前還處于實驗研究階段，研究還無法確定反應堆冷卻劑中背景噪聲的絕對級和光譜分布的測量值，也無法確定運行中的核反應堆的振動噪聲等級和光譜分布的信息。

4總結與展望

本文綜述了傳統(tǒng)堆用溫度計和新型溫度計的工作原理和研究進展，對各種測溫技術進行了分析，其中在次級測溫技術部分重點介紹了在更高溫度反應堆中應用的熱電偶的研究進展，以及輻照對熱電偶的影響研究。熱電偶在核反應堆內(nèi)最主要的測溫工具之一，也是堆內(nèi)應用最成熟、最廣泛的測溫技術，但面臨著輻照導致熱電勢與溫度偏離標定關系的問題。通過選用中子截面更小的材料作為熱電偶元件線、定量計算元素嬗變導致的溫度漂移、探究原位校準等方法可以減小熱電偶在輻照環(huán)境下的測溫誤差或者對熱電偶的讀數(shù)進行修正，是未來的研究方向。另一種常見的傳統(tǒng)溫度計——電阻溫度計，則因為受輻照影響較大而較少應用于堆內(nèi)強輻照環(huán)境的溫度測量。FBG式光纖溫度計隨著對其穩(wěn)定性和抗輻照性研究的持續(xù)進行正展現(xiàn)出越來越大的堆內(nèi)測溫潛力。原級測溫技術因其原理上體現(xiàn)的抗輻照性而受到研究者的關注，本文重點介紹了以噪聲溫度計、氣體聲學溫度計為代表的原級溫度計研究進展。噪聲溫度計雖然面臨著信號處理困難、易受電磁干擾、操作復雜等問題，但隨時測量技術的不斷發(fā)展，具有較大的應用潛力。氣體聲學溫度計的研究正向實用化發(fā)展，測量溫區(qū)也拓展到了800K以上，未來持續(xù)提升高溫測量信噪等問題后有望為反應堆內(nèi)穩(wěn)態(tài)環(huán)境下傳統(tǒng)熱電偶提供長期原位校準方案。未來，加強對以熱電偶為代表的次級溫度計的原位校準方法研究具有重要意義；持續(xù)開展原級測溫計在反應堆環(huán)境的應用研究，尤其是小型化、實用化、集成化原級測溫儀的研制和工程化示范應用，可為核反應堆的測溫提供新的思路。