馮艷明，呂仙鏡，王育坤，張勁松，斯俊平，孫 勝

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213）

輻照生產(chǎn)液態(tài)同位素是將按一定工藝要求配比成的料液放入輻照裝置內(nèi)，再將輻照裝置置于輻照孔道內(nèi)，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間和強(qiáng)度輻照后，再將料液從輻照裝置取出，從中分離提取同位素。根據(jù)工藝要求，堆內(nèi)輻照裝置及配套系統(tǒng)建成后，需實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照過(guò)程中輻照裝置內(nèi)料液的液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)料液高于或低于預(yù)設(shè)的液位時(shí)發(fā)出電信號(hào)。

1 液位測(cè)量方法分析

目前的液位測(cè)量技術(shù)方法多達(dá)20 多種，根據(jù)測(cè)量原理可以分為：①玻璃管法、玻璃板法、雙色水位法、人工檢尺法；②吹氣法、差壓法、HTG 法；③浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；④電容法、電阻法、電感法；⑤磁致伸縮法、超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法；⑥磁翻板法、振動(dòng)法、核輻射法、光纖傳感器法。其中，超聲波液位計(jì)、浮力式液位儀表已經(jīng)在核電站廣泛應(yīng)用，輻照孔道內(nèi)料液的液位測(cè)量之所以成為難點(diǎn)，是由以下方面原因?qū)е耓1,3,4]：

1）輻照裝置的結(jié)構(gòu)。輻照裝置為一個(gè)細(xì)長(zhǎng)形的下細(xì)上粗的圓筒形結(jié)構(gòu)，下細(xì)段與上粗段由喇叭形連接過(guò)渡，其最大處內(nèi)徑為87mm，最小處內(nèi)徑僅為55mm，頂蓋距底面達(dá)3307mm，且為密閉結(jié)構(gòu)。此細(xì)長(zhǎng)密閉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致通過(guò)浮力方式進(jìn)行測(cè)量的液位計(jì)，如磁翻板液位計(jì)、浮筒超聲波液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)等，由于浮球大而空間小導(dǎo)致無(wú)法安裝。雷達(dá)液位計(jì)等利用光波反射原理進(jìn)行測(cè)量的液位測(cè)量?jī)x表，由于體積大無(wú)法安裝或安裝后產(chǎn)生虛假回波而不能使用[1-5]。

2）料液的特點(diǎn)。料液為含有放射性物質(zhì)的稀硝酸，稀硝酸一方面因具有腐蝕性導(dǎo)致一部分液位測(cè)量?jī)x表無(wú)法正常工作或壽命縮短，如磁性液位開(kāi)關(guān)；另一方面，稀硝酸揮發(fā)形成的酸霧導(dǎo)致一部分液位測(cè)量?jī)x表，如雷達(dá)液位計(jì)和超聲波測(cè)量不準(zhǔn)確。此外，料液內(nèi)的放射性物質(zhì)具有較強(qiáng)的放射性也會(huì)導(dǎo)致幾乎所有非全金屬制造的液位測(cè)量?jī)x表，如利用壓力原理工作的壓變式液位傳感器無(wú)法進(jìn)行測(cè)量或極大縮短其工作壽命[4]。此外，料液體積相對(duì)于輻照裝置容積太小，料液總體積不足4L，即使料液處于最高液位時(shí)距輻照裝置底部?jī)H800mm，距頂蓋卻達(dá)2500mm，導(dǎo)致一部分液位測(cè)量?jī)x器超出其工作量程范圍。

3）輻照裝置所處的環(huán)境。整個(gè)輻照裝置被安裝在位于反應(yīng)堆堆芯處的輻照孔道內(nèi)，輻照裝置與輻照孔道之間的空隙很小且由去離子水隔離，導(dǎo)致部分液位測(cè)量?jī)x表，如利用連通器原理工作的玻璃管式液位計(jì)，及利用核輻射法原理工作的液位計(jì)無(wú)法安裝，或安裝后無(wú)法進(jìn)行液位觀察[1,4]。此外，由于料液輻照周期較長(zhǎng)，且料液在進(jìn)行輻照時(shí)無(wú)法對(duì)輻照孔道內(nèi)的液位測(cè)量裝置進(jìn)行檢修，因而對(duì)輻照孔道內(nèi)的料液進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，還需具備極高的可靠性。

綜上所述，目前市面上還沒(méi)有一種液位儀表能夠同時(shí)滿足在細(xì)長(zhǎng)密閉、高輻射、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下輻照孔道內(nèi)進(jìn)行液位測(cè)量的要求。因此，需要對(duì)輻照裝置的液位測(cè)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，為此本文提出了3 種液位測(cè)量方案以滿足系統(tǒng)要求。

2 液位測(cè)量方案一

該液位測(cè)量利用稀硝酸的導(dǎo)電性進(jìn)行測(cè)量，其液位測(cè)量原理如圖1。

圖1 液位測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of liquid level measurement

4 條含耐輻照絕緣層的耐酸腐蝕的導(dǎo)線如圖1 所示，通過(guò)輻照裝置頂部插入到液面以下高低不同位置，導(dǎo)線與輻照裝置用耐輻照耐腐蝕的橡膠絕緣且密封，導(dǎo)線與導(dǎo)線之間相互絕緣，將導(dǎo)線1 接交流電，根據(jù)其余導(dǎo)線的電信號(hào)的輸出情況就可以判斷液位情況。當(dāng)液位處于最低液位時(shí)，此時(shí)液位均不與導(dǎo)線2、導(dǎo)線3、導(dǎo)線4 接觸，導(dǎo)線2、導(dǎo)線3、導(dǎo)線4 均無(wú)電信號(hào)輸出；當(dāng)液位處于與導(dǎo)線1、導(dǎo)線2 接觸，不與導(dǎo)線3、導(dǎo)線4 接觸時(shí)，導(dǎo)線2 輸出電信號(hào)，導(dǎo)線3、導(dǎo)線4 無(wú)電信號(hào)輸出；當(dāng)液位處于與導(dǎo)線1、導(dǎo)線2、導(dǎo)線3 接觸，未與導(dǎo)線4 接觸時(shí)，導(dǎo)線1、導(dǎo)線2、導(dǎo)線3 輸出電信號(hào)，導(dǎo)線4 無(wú)電信號(hào)輸出；當(dāng)液位處于與導(dǎo)線1、導(dǎo)線2、導(dǎo)線3、導(dǎo)線4 接觸時(shí)，導(dǎo)線1、導(dǎo)線2、導(dǎo)線3、導(dǎo)線4 均有電信號(hào)輸出，此時(shí)液位處于高液位。

該液位測(cè)量屬于非連續(xù)測(cè)量，但可對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)耐輻照、耐腐蝕、可在狹小密閉空間內(nèi)安裝的要求，具有安裝方便，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小等優(yōu)點(diǎn)。液態(tài)同位素生產(chǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)即采用該測(cè)量方法，此方法已申請(qǐng)實(shí)用新型專利。

3 液位測(cè)量方案二

該液位測(cè)量方法的原理是電阻定律，即在其余參數(shù)不變的情況下，電阻大小與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比，適用于測(cè)量溫度、濃度變化不大的導(dǎo)電溶液。測(cè)量方法主要由液位測(cè)量導(dǎo)體、電阻測(cè)量模塊、電信號(hào)處理單元等組成。液位測(cè)量導(dǎo)體處于輻照裝置中，電阻測(cè)量模塊與信號(hào)處理單元處于非放射性的常規(guī)環(huán)境中。液位測(cè)量導(dǎo)體的下部分浸在被測(cè)導(dǎo)電溶液中，上部分露出被測(cè)導(dǎo)電溶液。液位測(cè)量導(dǎo)體浸入導(dǎo)電溶液的長(zhǎng)度，取決于被測(cè)導(dǎo)電溶液的液面變化范圍。液面變化范圍大時(shí)，液位測(cè)量導(dǎo)體浸入導(dǎo)電溶液的長(zhǎng)度應(yīng)增長(zhǎng)，反之縮短。液位測(cè)量導(dǎo)體浸入導(dǎo)電溶液的截面周長(zhǎng)，取決于被測(cè)導(dǎo)電溶液的電阻率。電阻率較小時(shí)，液位測(cè)量導(dǎo)體浸入導(dǎo)電溶液的截面周長(zhǎng)應(yīng)增大，反之減小。液位測(cè)量導(dǎo)體由電阻小，不與被測(cè)導(dǎo)電溶液反應(yīng)的耐輻照、耐腐蝕、耐高低溫的材料制成，且浸在導(dǎo)電溶液中的液位測(cè)量導(dǎo)體的徑向截面為固定形狀、大小，不隨軸向路徑變化。連接方式根據(jù)存放被測(cè)導(dǎo)電溶液的容器或孔道是否屬于導(dǎo)體，分為兩種情形。情形一：存放導(dǎo)電溶液的容器或孔道屬于導(dǎo)體，電阻測(cè)量模塊一端通過(guò)電導(dǎo)線與液位測(cè)量導(dǎo)體和存放溶液的容器或孔道分別相連接，另一端通過(guò)電導(dǎo)線與信號(hào)處理單元相連接，液位測(cè)量導(dǎo)體與存放導(dǎo)電溶液的容器或孔道位置固定且絕緣，其原理圖如圖2。情形二：存放導(dǎo)電溶液的容器或孔道不屬于導(dǎo)體，電阻測(cè)量模塊一端通過(guò)電導(dǎo)線與兩支液位測(cè)量導(dǎo)體分別相連接，另一端通過(guò)電導(dǎo)線與信號(hào)處理單元相連接，兩支液位測(cè)量導(dǎo)體間位置固定且絕緣，其原理圖如圖3。

圖2 情形一原理圖Fig.2 Scenario 1 schematic

圖3 情形二原理圖Fig.3 Schematic diagram of the second case

該測(cè)量方法可以對(duì)液位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，具有易于安裝，穩(wěn)定可靠，可分區(qū)布置等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)溶液溫度、濃度變化較大時(shí)測(cè)量存在一定誤差，可以應(yīng)用在溶液溫度、濃度變化不大或?qū)y(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，該測(cè)量方法已申請(qǐng)發(fā)明專利。

4 液位測(cè)量方案三

該測(cè)量方法是利用氣體不溶于料液結(jié)合氣動(dòng)技術(shù)測(cè)量的，主要由氣源、過(guò)濾器、減壓閥、干燥器、金屬氣管、壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器、電信號(hào)處理單元、單向閥等組成，其原理圖如圖4。盛放液體的密閉容器或孔道位于放射性區(qū)域中，其余元器件位于通常環(huán)境中。用于測(cè)量液位的金屬管分別伸入密閉容器或孔道中不同長(zhǎng)度，其數(shù)量和伸入密閉容器或孔道的高度根據(jù)實(shí)際要求決定，并與密閉容器或孔道密封。金屬管（進(jìn)氣管）依次通過(guò)5 單向閥、4 干燥器、3 減壓閥、2 過(guò)濾器與1 氣源相連通，金屬管（出氣管A、B、C）則分別通過(guò)17-19 單向閥與廢氣處理中心相連通，14-16 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器的壓力輸入端旁接于17-19 單向閥之前的金屬管路中，輸出端則與電信號(hào)處理單元相連接。14-16 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器均設(shè)置為相同初始狀態(tài)，即無(wú)氣壓觸發(fā)時(shí)為常開(kāi)或常閉狀態(tài)。進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)關(guān)閉控制7、8 料液進(jìn)、出管的6、9 截止閥，使整個(gè)容器或孔道為密閉狀態(tài)。一定流量、壓力的氣體依次通過(guò)1 氣源、2 過(guò)濾器、3 減壓閥、4 干燥器、5 單向閥由11 金屬管（進(jìn)氣管）進(jìn)入到容器或孔道內(nèi)。該氣體為不溶或難溶于被測(cè)液體且不與被測(cè)液體起反應(yīng)的氣體，經(jīng)3 減壓閥后的氣體壓力大于5、17、18、19 單向閥的開(kāi)啟壓力和14、15、16 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器的觸發(fā)壓力。當(dāng)液面位于11 金屬管（出氣管A）以上時(shí)，即最高液位位置時(shí)，11 金屬管（出氣管A）、12 金屬管（出氣管B）、13金屬管（出氣管C）管內(nèi)均無(wú)氣體排出，14-16 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器均為初始狀態(tài)，不動(dòng)作，均無(wú)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出。當(dāng)液位位于11 金屬管（出氣管A）以下，12 金屬管（出氣管B）以上時(shí)，11 金屬管（出氣管A）內(nèi)有氣體排出，對(duì)應(yīng)的14 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器A 輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，12 金屬管（出氣管B）、13 金屬管（出氣管C）內(nèi)無(wú)氣體排出，15 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器A、16 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器B 無(wú)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出。當(dāng)液位位于12 金屬管（出氣管B）以下，13 金屬管（出氣管C）以上時(shí)，11 金屬管（出氣管A）和12 金屬管（出氣管B）內(nèi)有氣體排出，對(duì)應(yīng)的14 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器A 和15 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器B 輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，13 金屬管（出氣管C）內(nèi)無(wú)氣體排出，16 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器B 無(wú)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出。當(dāng)液位位于13 金屬管（出氣管C）以下時(shí)，11 金屬管（出氣管A）、12 金屬管（出氣管B）和13 金屬管（出氣管C）內(nèi)均有氣體排出，對(duì)應(yīng)的14 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器A、15 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器B、16 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器C 均輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

圖4 方案三原理圖Fig.4 Schematic diagram of scheme three

電信號(hào)處理單元根據(jù)上述14 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器A、15 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器B、16 壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器C 輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)情況即可邏輯判斷輸出相應(yīng)的液位狀態(tài)。若需增加或減少測(cè)量的液位狀態(tài)，只需根據(jù)情況增加或減少金屬管（出氣管）和對(duì)應(yīng)的單向閥、壓力開(kāi)關(guān)/壓力繼電器的數(shù)量即可。

該測(cè)量方法可以進(jìn)行非連續(xù)測(cè)量，無(wú)須對(duì)料液進(jìn)行通電操作，無(wú)須采用絕緣材料和密封材料，可使輻照裝置內(nèi)部?jī)H安裝除金屬管外再無(wú)其它金屬或非金屬零部件，使得該測(cè)量方法壽命更長(zhǎng)，安裝更簡(jiǎn)單。若液態(tài)同位素生產(chǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)采用該測(cè)量方法可不再增設(shè)氫氣稀釋系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。該測(cè)量方法具有安裝簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已申請(qǐng)發(fā)明專利。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)目前市面上的液位測(cè)量方法及原理和工程實(shí)際進(jìn)行了對(duì)比，梳理總結(jié)了目前市面上的液位測(cè)量方法不能勝任輻照孔道內(nèi)液位測(cè)量的原因。為解決工程實(shí)際，提出了3 種輻照孔道內(nèi)液位測(cè)量的方案，方案均具有可行性、創(chuàng)新性，具有進(jìn)一步研究、推廣應(yīng)用價(jià)值。其中，方案一已應(yīng)用于生產(chǎn)試驗(yàn)中，能夠滿足工程實(shí)際要求。