PTC温控技术在无源丰度检测装置中的应用

王 钦，王建卫

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾 644000）

0 引言

核燃料元件生产过程中需要对燃料棒内芯块的丰度、间隙和破碎3 个指标进行检测，CJNF 的丰度检测采用无源丰度检测技术。核燃料棒内UO2燃料芯块发出的伽玛（Y）射线，经过GAMA 探头内的BGO 晶体时产生光[1]，经过光电倍增管放大，实现对燃料棒内UO2燃料芯块U235 丰度的无损检测。BGO 晶体能谱检测方式具有检测效率高的优点，同时对环境温度的要求很苛刻，使用温度和调试温度必须尽可能接近[2]，否则会造成能谱的峰值跑偏而产生检测误差。

生产线的厂房虽然采用了中央空调进行温度调节，但从实际监测情况看，温度的变化范围在28.5℃±2℃，无法满足无源丰度检测的要求。温度对丰度检测的影响如图1 所示。

图1 记录了2019 年3 月14 日～7 月14 日期间，在不同环境温度下，4.45%丰度芯块的检测数据。数据统计显示，当环境温度变化超过±2℃时，监测数据呈现明显的发散状态，难以保证测量的稳定性。因此，必须采取措施，确保GAMA 探头的使用环境温度保持稳定。

图1 没有温控系统之前的丰度检测效果Fig.1 Abundance detection effect without temperature control system

1 温度加热器的功率选择

静态流体的加热功率计算公式：

式中：P——加热器的加热功率，W；C——比热，J/Kg·℃；M——空气介质的质量，等于体积乘以空气的密度，kg；ΔT——升温的温度差，℃；t——升温时间，h；δ——加热（保温）效率，考虑到工作区域没有专门的保温和隔热处理，取1.25。

现场的两个温度控制环境的条件如下：GAMA 探头温控区尺寸为1350mm×46mm×3180mm，相应的容积为0.197m3，正常情况下的环境温度为24℃，需要控制的温度为27℃～28℃，升温时间为20min，加热介质为空气。将相关参数代入，得出空气的加热功率为650W，考虑到20%的功率裕量，则加热器的加热功率为800W。

2 加热器类型选择

加热器类型选择新型的PTC 加热器。PTC 加热器的专业名称是正温度系数热敏电阻[3]，又叫PTC 发热体，采用PTC 陶瓷发热元件与铝管组成。其工作原理是：PTC 热敏电阻加电后，自热升温使阻值进入跃变区，从而使PTC 热敏电阻表面温度降低保持恒定[4]。它的优点如下：

1）PTC 加热片具有自动恒温功能，用PTC 加热器加热冷风时，即便在送风风扇故障情况下，也不会导致PTC加热器损坏。

2）使用寿命长，正常情况下，寿命可达10 年以上。

表1 设备和材料清单Table 1 List of equipment and materials

3）工作电压非常宽，当电压变化两倍时，表面温度的变化非常小。

3 温度控制系统组成及原理

整个无源丰度检测包括两套独立的温度控制系统，分别用于两个温区的温度控制。温度控制的原理图如图2 所示，系统所用设备和材料清单见表1。

图2 温度控制系统原理图Fig.2 Schematic diagram of temperature control system

如图2 所示，温控系统通电后，位于PTC 加热器顶部的抽风风扇即会得电工作，按下启动按钮后，底部的送风风扇得电工作，使GAMA 探测器所处温区的空气流动循环起来。温控仪1 作为主控仪表，它能够根据检测温度和设定温度的偏差输出0V 或12V 的电压信号至固态继电器输入端，控制它的导通和关断，进而控制PTC 加热器的工作，使温度保持在设定值附近。为了确保各种异常状态不会对温控系统和丰度检测探头的影响，专门设计了四重保护功能。当温控仪1 和温控仪2 中任意一个出现示值高于报警设定值的情况时，或当送风电机和抽风电机的供电回路出现故障时，又或者来自PLC 的保护信号动作时，都会使中间继电器KA1 线圈失电，断开加热器主回路的电源，确保事故状态下，温度控制系统的安全可靠性。

温控仪参数设置见表2。

4 效果

采用PTC 温控系统控制后，丰度检测装置的内部温度控制效果良好，丰度检测的稳定性也随之大大提高，效果如图3 所示。

5 结束语

采用自主设计的温度控制系统，可以将GAMA 探头的环境温度控制在28.2℃±0.2℃的范围内。在确保控制精度的同时，由于采用了多重化的安全保护措施，加之PTC 加热器的固有安全特性，大大提高了该温度控制系统的安全可靠性。即便在最极端的条件下，也不会发生温度超调的情况，确保了温度控制的安全性。

表2 温控仪参数设置Table 2 Temperature controller parameter settings

图3 采用PTC温控系统后的丰度检测效果Fig.3 Abundance detection effect after using PTC temperature control system