光纤传感技术在核电厂的应用研究

向美琼，刘艳阳，青先国，吴 茜，王雪梅，邓志光

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家级重点实验室，四川 成都 610213)

0 引言

核电厂是一个规模庞大且复杂的系统，需要测量的参数众多，例如温度、压力、流量、液位、振动、位移、转速等。传统电学仪表已大量用于核电厂过程参数测量，但其自身原理决定了其在核电厂应用时存在一定的局限性，特别是在抗电磁干扰、设备小型化、耐事故能力等方面的不足，导致了现有仪表性能与核电厂发展需求之间的矛盾日益突出。

光纤传感技术的研究始于20世纪70年代，是光电技术领域最活跃的分支之一。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能；径细、质软、质量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等[1]。这些优良性能使得光纤传感器特别适用于易燃、易爆、空间严格受限制以及高温、高压、高湿、强电磁干扰等传统电学传感器不易发挥作用的场所及恶劣环境[2]。光纤传感技术可以对位移、速度、加速度、压力、液位、流量、振动、水声、温度、电压、电流、磁场、浓度、核辐射、气体组分[3]等多达100多种物理参数进行测量，响应时间快、精度和可靠性高。

1 光纤传感技术概况

1.1 光纤传感器原理与分类

光纤传感器是利用光导纤维的传光特性，把被测量(温度、应变、压力、流量等)转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)的传感器。光纤传感器构成如图1所示。其基本工作原理是将来自光源的光经过入射光纤送入传感元件，光在传感元件内与外界被测量相互作用，使光的光学性质发生变化而成为被调制的光信号，再经出射光纤送入解调仪而获得被测参数。

图1 光纤传感器构成图

光纤传感器的种类繁多，同一种参量可以用不同类型的传感器来测量，同一原理的传感器又可以测量多种物理量。按照测量原理，可将光纤传感器分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器、偏振态调制型光纤传感器。按照测量范围，其又可分为点式光纤传感器、准分布式光纤传感器、分布式光纤传感器。

1.2 光纤传感技术的发展趋势

(1)阵列复用传感系统。

随着光传感和光网络技术的不断进步，智能结构、大型构件的出现，人们对多点、多参量、大空间范围的传感网络的需求日益迫切。阵列化光纤传感系统能实现这一功能，是大规模光纤传感发展的一个重要趋势。采用波分复用(wavelength division multiplexing,WDM)、空分复用(space division multiplexing,SDM)、时分复用(time division multiplexing,TDM)等方式，将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点或多参量的同时传感，也称为准分布式系统。目前，应用较为广泛的是光纤光栅阵列和基于干涉结构的阵列光纤传感系统，例如光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，FBG)型阵列复用传感系统能实现应力和温度的双参量测量，应用前景广阔[4]。

(2)分布式光纤传感系统。

分布式光纤传感技术利用光纤自身既作为传感单元又作为信号传输介质的特点，只要将一根普通光纤沿需要监测的空间铺设，并用一台测量仪在光纤的一个端面采集、处理信号，即可获得沿光纤长度方向上随空间和时间连续变化的被测量信息。由于光信号在光纤中的传输损耗低、传输距离长，光纤跨距可达几十千米，因此一根光纤可以覆盖数十千米的监测范围，相当于成千上万个普通传感器组成的网络系统的作用[5]。分布式传感技术把信号感应与信号传输合二为一，使得整个系统结构简单，使用方便。相比于准分布式传感器，其避免了大量分离传感元件的使用，有效降低了监测系统成本，性价比高[6]。分布式光纤传感器包括基于瑞利散射的振动和裂纹传感器、基于布里渊散射的应变和温度传感器、基于拉曼散射的温度传感器。

(3)新材料光纤传感器。

聚合物光纤的弹性模量是石英光纤的几十分之一，具有良好的柔软性，应力和应变的灵敏度高于石英光纤，可用于工程结构安全检测、材料断裂分析。在低温应用领域，通过在复合材料中嵌入聚合物涂层FBG实现了-180 ℃ 的温度测量[7],闪烁聚合物光纤还能进行辐射探测。红外光纤由比石英透过率更好的材料制成，包括重金属氧化物玻璃、卤化物玻璃、硫族玻璃和卤化物晶体。它工作在红外波段。由于瑞利散射损耗与波长的4次方成反比，因此红外光纤的损耗极低，其中，氟化物玻璃光纤工作在3～4 μm时，损耗仅为0.001 dB/km，相当于普通石英光纤的百分之一。蓝宝石光纤温度计探头由蓝宝石制成，蓝宝石为三氧化二铝单晶，透明、无放射，熔点高达2 045 ℃，有极高的耐腐蚀性和高温稳定性，是目前在高温环境中最实用的光波导材料之一。蓝宝石光纤温度计能连续测量1 900 ℃的高温，瞬态可达2 000 ℃[8]。

(4)纳米光纤传感器。

纳米光纤也称为亚波长直径光纤，即光纤的直径小于其所传输的光波长。敏感光纤尺寸越小，传感器的灵敏度越高，并且尺寸越小，响应越快。用纳米光纤制作的纳米探针、光学镊子等能对纳米尺度的样品进行高分辨率研究，包括DNA、RNA、蛋白质、病毒和其他分子，已用于医学病原体、食物毒性、地下水污染、生化武器和环境样品等的快速检测。

1.3 光纤传感器已有应用

在航空航天领域，非本征珐珀(extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)传感器已用于机翼和航天级复合材料的应变测量、飞机发动机裂纹测量、发动机高速燃烧室的压力测量；其所构成的传感器阵列还能用于飞机飞行时的气流压力测量。FBG构成的准分布式传感系统可用于飞行器结构健康监测和火灾探测。在电力系统中，用FBG网络对高压变压器、高压开关柜、发电机、转换器等进行温度、振动监测[9]。借助FBG、相位敏感型光时域反射计(Φ-optical time domain reflectometer，Φ-OTDR)及基于拉曼散射的分布式温度传感器(raman distributed temperature sensor，RDTS)，可对高压输电线路的健康进行监测，分析导线舞动过程中输电塔架和输电导线的温度和应变特征[10]。在石油系统中，RDTS已用于井下温度的实时在线监测。据壳牌公司报道，目前已有1 200套系统应用在各大油田中。FBG还用于井下温度和压力的同时监测。基于光纤光栅原理的传感器能测量很多参数，例如持水率、持气率和流速的测量，输油气管道、基建等设备的应力检测和地震波的检测(在海底石油勘探中采用光纤水听器进行地震波检测)。

2 国内外对光纤传感器在核电厂的应用研究情况

国外光纤传感器在核电厂的实际应用还未见报道，但早在20世纪90年代，国外就开展了光纤传感器在核电厂的应用研究，进行了相应的高剂量γ和中子辐照试验，加快了光纤传感器在核电厂应用的研究进度。例如：1996年，Jensen Fredrik B.H.等研究了RDTS用于核电厂冷却剂回路泄漏监测[11]；2005年，M.Aleixandre研究了光纤传感器用于核废物储存室的氢气浓度测量[12]；2011年，Kyoung Won Jang研究了光纤传感器用于γ辐照环境下的热中子探测[13]；2011年，Ph.Moreau研究了光纤传感器用于托卡马克装置中等离子体电流测量[14]；2012年，Gerrit J.deVilliers研究了FBG阵列用于球床堆堆芯温度测量[15]；2016年，Rinah Kim研究了光纤传感器用于乏燃料池水温、水位、辐射的同时监测[16]。

国内对光纤传感器在核电厂的应用研究起步较晚：2016年，国核工程有限公司的严振杰首次将分布式光纤温度传感器用于AP1000核电厂中1E级与非1E级电缆桥架火灾探测[17]；2017年，大连理工大学的李金珂设计了一套用于核电站安全壳健康监测的光纤传感系统，他在一座刚建成的核电站安全壳布置了FBG、白光干涉传感器、布里渊分布式传感器，三种传感器组合用于对整个安全壳的应变进行测量[18]；2017年，清华大学的白召乐研究了闪烁体光纤探测系统用于反应堆内相对中子通量密度在线测量，并在启明星1#装置上对系统进行了试运用[19]。除此以外，国内对光纤传感器在核电厂的应用研究甚少。

3 光纤传感器在核电厂的应用路线

结合核电厂过程参数测量需求和光纤传感器的优势，本文设计的光纤传感器在核电厂的应用路线如下。

(1)堆芯。

核电厂堆芯温度高达上千度，因此需要测温上限较高的传感器。蓝宝石光纤光栅高温传感器利用飞秒激光器将布拉格光栅写入蓝宝石光纤中。当光栅所处环境温度变化时，反射波长会发生相应改变，通过对反射波长进行解调而得到温度值。该传感器的量程达10～1 900 ℃，响应时间250 ms，分辨率为0.04～0.9 ℃，精度小于2 ℃。该传感器还能通过并联、叠加和级联等复用方式，实现多点、准分布式光纤传感。但由于堆芯具有很高的γ和中子辐照，所以应重点研究蓝宝石光纤的抗辐照性能，从材料、工艺、封装等多方面加以提高。

堆芯中子通量测量可采用闪烁体光纤传感器，在光纤顶端安装或涂覆特殊物质，该物质与中子发生作用后产生闪烁光，使用光电倍增管探测闪烁光子信息可获得探头所在位置处的中子通量密度。清华大学的白召乐开发了一套闪烁体中子探测系统。该套系统由五种探头组成，分别为6LIF+ZnS(Ag)、23ThO2+ZnS(Ag)、238UO2+ZnS(Ag)、9Be+ZnS(Ag)以及BGO(Bi2O3+GeO2)晶体。其中，掺有6LiF的探头用于热中子的测量，BGO探头用于γ测量，其余三种探头用于快中子的测量。但在试验中该传感器测得的中子通量密度仅为10-3cm2·s-1，与核电厂堆芯中子通量密度(1013cm-2·s-1)相差甚远，下一步应研究测量范围拓宽的问题。

(2)一回路。

一回路需要测量的参数主要有温度、压力、流量、液位、管道泄漏等。

主泵、主管道、稳压器、蒸汽发生器中冷却剂温度测量可采用FBG。它属于波长调制型光纤传感器，它的波长受温度和应力的调制。为避免温度和应力的交叉敏感，可用不锈钢管对传感器探头进行封装，该传感器测量范围达0～400 ℃，响应时间在2 s以内。

稳压器、蒸汽发生器中压力测量可采用珐珀传感器，外界压力将影响该传感器珐珀腔长度，腔长的变化又会引起干涉条纹的变化，通过解调干涉条纹获得外界压力，测量范围达0～30 MPa。但这种大量程压力传感器的灵敏度较低，仅为200 pm/MPa，下一步应研究提高灵敏度的方法，可从珐珀腔结构和尺寸入手。

主泵、主管道中冷却剂流量可通过测差压的方式测量，FBG的反射波长不仅对温度敏感，也对应力敏感。为避免温度和应力交叉敏感，可在一张石英膜片两侧分别粘贴布拉格光栅。两片光栅所处温度相同，因此可在消除温度影响的情况下实现差压测量。与传统方式相比，这种方式只是在差压测量部分使用了光纤传感器，同样需要引压管等装置。流量测量还可以采用光纤光栅涡轮流量传感器。它既可通过测量漩涡频率获得流速，也可采用光纤光栅靶式流量传感器[20]，能通过测量靶的应变获得流速。

稳压器、蒸汽发生器液位测量也可采用FBG测差压的方式实现。除此以外，还可采用基于受抑全内反射原理或基于菲涅尔反射原理的光纤液位传感器。这两种传感器都是利用光在液体和空气中的反射率不同来实现的,可进行点式测量和连续性测量[21-22]。

主管道冷却剂泄漏可通过测量管道表面的裂纹和温度来实现。分布式光纤振动传感器基于瑞利散射效应和光时域反射技术，可以对管道表面裂纹进行多点测量并定位。分布式光纤温度传感器基于拉曼散射效应和光时域反射技术，可以对管道表面温度进行多点测量并定位。因此，通过测量管道表面裂纹和高能流体泄漏时的温度异常可监测破前漏事故。但相比于FBG和光纤珐珻(Fabry-Perot,FP)，这两种分布式传感器的耐辐照性能较差，下一步应重点研究抗辐照加固措施。

(3)安全壳。

安全壳的测量参数主要有温度、压力、辐射、湿度、氢气浓度等。温度测量可采用分布式光纤拉曼温度传感器；压力测量采用阵列式FBG，其测量小压力时灵敏度高；辐射测量采用闪烁体光纤探测器或吸收型光纤传感器[23-24]。由于辐射损伤效应使传输光光强减弱，吸收型光纤传感器通过测量光强的变化获得辐射剂量。湿度测量采用基于氧化石墨烯的干涉型光纤湿度传感器[25]，氧化石墨烯吸附或释出水分子后，其折射率会变化，导致干涉条纹强度变化，通过测量干涉条纹获得湿度信息。氢气测量采用干涉型光纤氢气传感器，在马赫-曾德尔干涉仪的一条光路上镀一层钯膜，另一条光路不作处理。钯膜吸收氢气体积膨胀，从而使两条光路的光程差变化，导致干涉条纹变化；也可用光纤光栅型氢气传感器[26]，在光栅上镀一层钯膜，钯吸收氢气体积膨胀，使得反射波波长改变。

由此可见，光纤传感器几乎能覆盖核电厂各种参数的测量，理论上可以构建一个全光纤传感系统，从而充分发挥光纤传感器所具有的精度高、小型化、分布式、抗电磁干扰、本质安全等优势。

4 核用光纤传感器所面临的辐照问题与思路

核领域相对于其他领域突出的特点是核辐射，应用于核电厂的各种设备需要考虑辐照问题。试验表明，光纤中的传输光在辐照环境下的衰减很大。这是因为光纤内部存在杂质和缺陷，在γ射线等高能辐照环境下，γ射线通过光电效应、康普顿效应使光纤内原子电离出电子-空穴对[27]。当电子-空穴对被缺陷和杂质俘获后形成色心，色心对应着一系列电子能级，对传输光有很强的吸收作用[28]。这一过程称为光纤的辐射损伤效应，能降低光纤中传输光光强。因此，它对强度调制型光纤传感器的影响较大，对其他四种类型的光纤传感器影响略小。但要将光纤传感器用于核电厂的过程参数测量，辐射损伤是一个亟需解决的问题。

国内外已对光纤抗辐照性能作了一些研究，目前总结几条光纤抗辐照加固措施：①从材料上，选择纤芯为纯二氧化硅、包层为掺氟二氧化硅的光纤；②从光源的波长选择上，在辐照环境下，长波长的光比短波长的光衰减小，一般选择波长为1 550 nm；③从处理方法上，有预辐照、热退火、光褪色等方法。预辐照是指对光纤进行较高剂量的辐照后，光纤再次受到辐照时敏感性降低，也称为辐射硬化[29]。热退火是指光纤受辐照后形成的不稳定色心在热驱动下发生退化，温度越高，热退火效应越显著。光褪色是指光纤中传输的光使不稳定色心退化，光功率越强，光褪色效果越明显[30]。因此，对光纤进行多次预辐照并退火可提高光纤的抗辐照性能。

尽管已有一些方法来提高光纤的抗辐照性能，但目前仍然还没有能用于核电厂辐照环境下的光纤传感器。因此，为了加快光纤传感器在核电厂的应用研究进度，本文提出几点思路：①在安全壳外的非辐照区域进行光纤传感器的试点应用；②由于波长调制型FBG和相位调制型FP的抗辐照性能较好，因此可开展在安全壳内部的一回路用FBG进行冷却剂温度测量，用FP进行冷却剂压力测量的研究；③开展高γ辐照和中子辐照试验，从材料、工艺、封装、校准方法等方面提高光纤的抗辐照性能，以满足堆芯测量的需求。

5 结束语

相比于传统电学传感器，光纤传感器具有精度高、损耗低、小型化、绝缘、抗电磁干扰、本质安全等一系列优点，能实现100多种参数的测量，并且能完全满足核电厂的测量需求。因此，应尽快开展光纤传感器在核电厂的应用研究，逐步解决辐照损伤等问题，实现核电厂的全光纤传感网络。