辐照孔道液位测量方法探讨

冯艳明，吕仙镜，王育坤，张劲松，斯俊平，孙 胜

（中国核动力研究设计院，成都 610213）

辐照生产液态同位素是将按一定工艺要求配比成的料液放入辐照装置内，再将辐照装置置于辐照孔道内，经过一定的时间和强度辐照后，再将料液从辐照装置取出，从中分离提取同位素。根据工艺要求，堆内辐照装置及配套系统建成后，需实现对辐照过程中辐照装置内料液的液位进行监测，当料液高于或低于预设的液位时发出电信号。

1 液位测量方法分析

目前的液位测量技术方法多达20 多种，根据测量原理可以分为：①玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法；②吹气法、差压法、HTG 法；③浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；④电容法、电阻法、电感法；⑤磁致伸缩法、超声波法、调制型光学法、微波法；⑥磁翻板法、振动法、核辐射法、光纤传感器法。其中，超声波液位计、浮力式液位仪表已经在核电站广泛应用，辐照孔道内料液的液位测量之所以成为难点，是由以下方面原因导致[1,3,4]：

1）辐照装置的结构。辐照装置为一个细长形的下细上粗的圆筒形结构，下细段与上粗段由喇叭形连接过渡，其最大处内径为87mm，最小处内径仅为55mm，顶盖距底面达3307mm，且为密闭结构。此细长密闭结构导致通过浮力方式进行测量的液位计，如磁翻板液位计、浮筒超声波液位计、磁致伸缩液位计等，由于浮球大而空间小导致无法安装。雷达液位计等利用光波反射原理进行测量的液位测量仪表，由于体积大无法安装或安装后产生虚假回波而不能使用[1-5]。

2）料液的特点。料液为含有放射性物质的稀硝酸，稀硝酸一方面因具有腐蚀性导致一部分液位测量仪表无法正常工作或寿命缩短，如磁性液位开关；另一方面，稀硝酸挥发形成的酸雾导致一部分液位测量仪表，如雷达液位计和超声波测量不准确。此外，料液内的放射性物质具有较强的放射性也会导致几乎所有非全金属制造的液位测量仪表，如利用压力原理工作的压变式液位传感器无法进行测量或极大缩短其工作寿命[4]。此外，料液体积相对于辐照装置容积太小，料液总体积不足4L，即使料液处于最高液位时距辐照装置底部仅800mm，距顶盖却达2500mm，导致一部分液位测量仪器超出其工作量程范围。

3）辐照装置所处的环境。整个辐照装置被安装在位于反应堆堆芯处的辐照孔道内，辐照装置与辐照孔道之间的空隙很小且由去离子水隔离，导致部分液位测量仪表，如利用连通器原理工作的玻璃管式液位计，及利用核辐射法原理工作的液位计无法安装，或安装后无法进行液位观察[1,4]。此外，由于料液辐照周期较长，且料液在进行辐照时无法对辐照孔道内的液位测量装置进行检修，因而对辐照孔道内的料液进行液位测量时，还需具备极高的可靠性。

综上所述，目前市面上还没有一种液位仪表能够同时满足在细长密闭、高辐射、强腐蚀环境下辐照孔道内进行液位测量的要求。因此，需要对辐照装置的液位测量进行设计，为此本文提出了3 种液位测量方案以满足系统要求。

2 液位测量方案一

该液位测量利用稀硝酸的导电性进行测量，其液位测量原理如图1。

图1 液位测量原理图Fig.1 Schematic diagram of liquid level measurement

4 条含耐辐照绝缘层的耐酸腐蚀的导线如图1 所示，通过辐照装置顶部插入到液面以下高低不同位置，导线与辐照装置用耐辐照耐腐蚀的橡胶绝缘且密封，导线与导线之间相互绝缘，将导线1 接交流电，根据其余导线的电信号的输出情况就可以判断液位情况。当液位处于最低液位时，此时液位均不与导线2、导线3、导线4 接触，导线2、导线3、导线4 均无电信号输出；当液位处于与导线1、导线2 接触，不与导线3、导线4 接触时，导线2 输出电信号，导线3、导线4 无电信号输出；当液位处于与导线1、导线2、导线3 接触，未与导线4 接触时，导线1、导线2、导线3 输出电信号，导线4 无电信号输出；当液位处于与导线1、导线2、导线3、导线4 接触时，导线1、导线2、导线3、导线4 均有电信号输出，此时液位处于高液位。

该液位测量属于非连续测量，但可对液位进行监测，能够满足系统对耐辐照、耐腐蚀、可在狭小密闭空间内安装的要求，具有安装方便，可靠性高，结构简单，体积小等优点。液态同位素生产试验系统即采用该测量方法，此方法已申请实用新型专利。

3 液位测量方案二

该液位测量方法的原理是电阻定律，即在其余参数不变的情况下，电阻大小与导体的长度成正比，适用于测量温度、浓度变化不大的导电溶液。测量方法主要由液位测量导体、电阻测量模块、电信号处理单元等组成。液位测量导体处于辐照装置中，电阻测量模块与信号处理单元处于非放射性的常规环境中。液位测量导体的下部分浸在被测导电溶液中，上部分露出被测导电溶液。液位测量导体浸入导电溶液的长度，取决于被测导电溶液的液面变化范围。液面变化范围大时，液位测量导体浸入导电溶液的长度应增长，反之缩短。液位测量导体浸入导电溶液的截面周长，取决于被测导电溶液的电阻率。电阻率较小时，液位测量导体浸入导电溶液的截面周长应增大，反之减小。液位测量导体由电阻小，不与被测导电溶液反应的耐辐照、耐腐蚀、耐高低温的材料制成，且浸在导电溶液中的液位测量导体的径向截面为固定形状、大小，不随轴向路径变化。连接方式根据存放被测导电溶液的容器或孔道是否属于导体，分为两种情形。情形一：存放导电溶液的容器或孔道属于导体，电阻测量模块一端通过电导线与液位测量导体和存放溶液的容器或孔道分别相连接，另一端通过电导线与信号处理单元相连接，液位测量导体与存放导电溶液的容器或孔道位置固定且绝缘，其原理图如图2。情形二：存放导电溶液的容器或孔道不属于导体，电阻测量模块一端通过电导线与两支液位测量导体分别相连接，另一端通过电导线与信号处理单元相连接，两支液位测量导体间位置固定且绝缘，其原理图如图3。

图2 情形一原理图Fig.2 Scenario 1 schematic

图3 情形二原理图Fig.3 Schematic diagram of the second case

该测量方法可以对液位进行连续测量，具有易于安装，稳定可靠，可分区布置等优点，但当溶液温度、浓度变化较大时测量存在一定误差，可以应用在溶液温度、浓度变化不大或对测量精度要求不高的场合，该测量方法已申请发明专利。

4 液位测量方案三

该测量方法是利用气体不溶于料液结合气动技术测量的，主要由气源、过滤器、减压阀、干燥器、金属气管、压力开关/压力继电器、电信号处理单元、单向阀等组成，其原理图如图4。盛放液体的密闭容器或孔道位于放射性区域中，其余元器件位于通常环境中。用于测量液位的金属管分别伸入密闭容器或孔道中不同长度，其数量和伸入密闭容器或孔道的高度根据实际要求决定，并与密闭容器或孔道密封。金属管（进气管）依次通过5 单向阀、4 干燥器、3 减压阀、2 过滤器与1 气源相连通，金属管（出气管A、B、C）则分别通过17-19 单向阀与废气处理中心相连通，14-16 压力开关/压力继电器的压力输入端旁接于17-19 单向阀之前的金属管路中，输出端则与电信号处理单元相连接。14-16 压力开关/压力继电器均设置为相同初始状态，即无气压触发时为常开或常闭状态。进行液位测量时关闭控制7、8 料液进、出管的6、9 截止阀，使整个容器或孔道为密闭状态。一定流量、压力的气体依次通过1 气源、2 过滤器、3 减压阀、4 干燥器、5 单向阀由11 金属管（进气管）进入到容器或孔道内。该气体为不溶或难溶于被测液体且不与被测液体起反应的气体，经3 减压阀后的气体压力大于5、17、18、19 单向阀的开启压力和14、15、16 压力开关/压力继电器的触发压力。当液面位于11 金属管（出气管A）以上时，即最高液位位置时，11 金属管（出气管A）、12 金属管（出气管B）、13金属管（出气管C）管内均无气体排出，14-16 压力开关/压力继电器均为初始状态，不动作，均无开关量信号输出。当液位位于11 金属管（出气管A）以下，12 金属管（出气管B）以上时，11 金属管（出气管A）内有气体排出，对应的14 压力开关/压力继电器A 输出开关量信号，12 金属管（出气管B）、13 金属管（出气管C）内无气体排出，15 压力开关/压力继电器A、16 压力开关/压力继电器B 无开关量信号输出。当液位位于12 金属管（出气管B）以下，13 金属管（出气管C）以上时，11 金属管（出气管A）和12 金属管（出气管B）内有气体排出，对应的14 压力开关/压力继电器A 和15 压力开关/压力继电器B 输出开关量信号，13 金属管（出气管C）内无气体排出，16 压力开关/压力继电器B 无开关量信号输出。当液位位于13 金属管（出气管C）以下时，11 金属管（出气管A）、12 金属管（出气管B）和13 金属管（出气管C）内均有气体排出，对应的14 压力开关/压力继电器A、15 压力开关/压力继电器B、16 压力开关/压力继电器C 均输出开关量信号。

图4 方案三原理图Fig.4 Schematic diagram of scheme three

电信号处理单元根据上述14 压力开关/压力继电器A、15 压力开关/压力继电器B、16 压力开关/压力继电器C 输出的开关量信号情况即可逻辑判断输出相应的液位状态。若需增加或减少测量的液位状态，只需根据情况增加或减少金属管（出气管）和对应的单向阀、压力开关/压力继电器的数量即可。

该测量方法可以进行非连续测量，无须对料液进行通电操作，无须采用绝缘材料和密封材料，可使辐照装置内部仅安装除金属管外再无其它金属或非金属零部件，使得该测量方法寿命更长，安装更简单。若液态同位素生产试验系统采用该测量方法可不再增设氢气稀释系统，简化了系统。该测量方法具有安装简单，性能稳定可靠，寿命长等优点，目前已申请发明专利。

5 结论

本文通过对目前市面上的液位测量方法及原理和工程实际进行了对比，梳理总结了目前市面上的液位测量方法不能胜任辐照孔道内液位测量的原因。为解决工程实际，提出了3 种辐照孔道内液位测量的方案，方案均具有可行性、创新性，具有进一步研究、推广应用价值。其中，方案一已应用于生产试验中，能够满足工程实际要求。