测量堆芯模拟装置内的状态参数的无线探测系统及方法

摘要

本发明提供一种测量熔盐堆堆芯模拟装置内的状态参数的无线探测系统和方法，该系统包括：至少一个放置在堆芯容器内并与球形模拟燃料元件的设计参数相同的球形探测装置，该球形探测装置包括一球形外壳、一设置在该球形外壳内的有源RFID电子标签以及填充在它们之间的填充物，其中，该有源RFID电子标签包括：一用于采集球形探测装置的状态参数的传感器模块；一连接至传感器模块的微控制器；以及一连接至微控制器的第一无线收发模块；其中，无线探测系统还包括设置在堆芯容器外的一上位机和一读写器。本发明可以在不影响堆芯模拟装置内的流场和球形模拟燃料元件的运动轨迹的前提下，实现对堆芯模拟装置内的状态参数的实时、准确测量。

说明书

技术领域

本发明涉及反应堆堆芯测量领域，具体涉及一种测量熔盐堆堆芯模拟装 置内的状态参数的无线探测系统及方法。

背景技术

通常在核电站反应堆（压水堆）堆芯内会设有堆芯中子和温度测量仪表， 以测量堆芯中子通量和燃料组件出口的温度，根据测量得到的信息即可监测 堆芯三维功率分布、堆芯冷却状态等反应堆运行情况。

然而，在熔盐冷却的球床堆模拟系统中，熔盐堆采用的是球形模拟燃料 元件，由于熔盐堆堆芯为流动的球床，因而在不改变或不影响堆芯流场和球 形模拟燃料元件运动轨迹的前提下，很难采用现有的将探测器直接固定在燃 料元件上的测量方式来实现熔盐堆模拟系统内的堆芯运动特点和温度的测 量。

针对球床式反应堆的堆芯测量问题，清华大学核能与新能源研究院提供 了一种由反应堆堆芯外的探测器监测堆内功率分布的方法，即，通过探测器 空间响应函数，建立堆内功率分布与堆芯外探测器读数的线性映射关系，从 而把堆内功率分布的变化规律转化为探测器读数本身的变化规律，以挖掘出 芯外探测器读数中蕴含的堆内功率、温度分布的信息。

然而，上述方法过多依赖计算和建模的正确性，并不能直接地、实时地 测量出反应堆模拟系统内的堆芯温度等设计参数，更无法给出球形模拟燃料 元件的运动轨迹。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种测量熔盐堆堆芯模拟装置 内的状态参数的无线探测系统，以在不影响堆芯模拟装置内的流场和球形模 拟燃料元件的运动轨迹的前提下，实现对堆芯模拟装置内的状态参数的直接、 实时测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测量熔盐堆堆芯模拟装置内的状态参数的无线探测系统，其中所述 堆芯模拟装置包括一堆芯容器以及若干放置在所述堆芯容器内的球形模拟燃 料元件，所述无线探测系统包括：

至少一个放置在所述堆芯容器内、并与所述球形模拟燃料元件的设计参 数相同的球形探测装置，且该球形探测装置包括一球形外壳、一设置在所述 球形外壳内的有源RFID电子标签以及填充在所述球形外壳与所述有源RFID 电子标签之间的填充物，其中，所述有源RFID电子标签包括：

一用于采集所述球形探测装置的状态参数的传感器模块；

一连接至所述传感器模块的微控制器，其用于控制所述传感器模块采集 所述状态参数，并将所述状态参数编码为预定的数据格式；以及

一连接至所述微控制器的第一无线收发模块，其用于输出编码后的所述 状态参数；

其中，所述无线探测系统还包括设置在所述堆芯容器外并相互连接的一 上位机和一读写器，其中，所述读写器用于接收所述第一无线收发模块输出 的所述状态参数，并将接收到的所述状态参数输出至所述上位机。

进一步地，所述有源RFID电子标签还包括一与所述微控制器连接并存储 所述状态参数的存储器。

前述一种测量熔盐堆堆芯模拟装置内的状态参数的无线探测系统，所述 传感器模块包括一用于采集所述球形探测装置的温度信息的温度传感器、一 用于采集所述球形探测装置的压力信息的压力传感器和/或一用于采集所述球 形探测装置的运动信息的运动传感器。

进一步地，所述温度传感器为热电偶、热敏电阻、电阻温度计或光纤传 感器。

优选地，所述读写器包括一用于接收所述第一无线收发模块输出的所述 状态参数的第二无线收发模块、以及一用于读取所述第二无线收发模块接收 到的所述状态参数并输出至所述上位机的读写控制模块。

优选地，所述读写控制模块通过USB接口或RS232串行接口与所述上位 机连接。

进一步地，所述无线探测系统还包括一连接至所述微控制器的可充电电 池。

本发明还提供一种测量熔盐堆堆芯模拟装置内的状态参数的无线探测方 法，该方法包括以下步骤：

步骤1，提供根据权利要求1所述的无线探测系统；

步骤2，通过所述无线探测系统的所述微控制器控制所述传感器模块采集 所述球形探测装置的状态参数；

步骤3，通过所述无线探测系统的所述微控制器将所述传感器模块采集的 所述状态参数编码为预定的数据格式；

步骤4，通过所述无线探测系统的所述第一无线收发模块输出编码后的所 述状态参数；

步骤5，通过所述无线探测系统的所述读写器接收所述第一无线收发模块 输出的所述状态参数，并将接收到的所述状态参数输出至所述上位机。

综上所述，本发明在堆芯容器内放置了与球形模拟燃料元件的设计参数 相同的球形探测装置，并在该球形探测装置内设置了一集成有传感器模块、 微控制器以及第一无线收发模块的有源RFID电子标签。因此，当该球形探测 装置与球形模拟燃料元件同步运动时，其内部的传感器模块可以实时检测球 形探测装置的温度、运动状态、压力和/或其它状态参数，然后该状态参数通 过第一无线收发模块发送到堆芯容器外，再经过外部的读写器传输至上位机。 由于球形探测装置与球形模拟燃料元件的设计参数相同，所以显然所述球形 模拟燃料元件的状态参数与所述球形探测装置的状态参数完全一致。可见， 本发明能够在保证不影响堆芯模拟装置内的流场和球形模拟燃料元件的运动 轨迹的前提下，实现对堆芯模拟装置内的状态参数的实时、准确地测量。

附图说明

图1为本发明的测量熔盐堆堆芯模拟装置内的状态参数的无线探测系统 的结构示意图；

图2为图1中的球形探测装置的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明，以下实施例仅作为对 本发明实施方式的示例性描述，并不对本发明的范围有任何限制。

图1示出了本发明的测量熔盐堆堆芯模拟装置内的状态参数的无线探测 系统，其中，此处的堆芯模拟装置包括一堆芯容器1以及若干放置在堆芯容 器1内以作为堆芯的球形模拟燃料元件2。

在图1所示的实施例中，无线探测系统包括设置在堆芯容器1外并相互 连接的读写器4和上位机5、以及放置在堆芯容器1内的四个球形探测装置3。

图2示出了球形探测装置3的结构，其包括一球形外壳31、一设置在球 形外壳31内的有源RFID电子标签以及一填充在球形外壳31与有源RFID电 子标签之间的填充物32。为了不影响堆芯模拟装置内的流场和球形模拟燃料 元件2的运动轨迹，此处的球形探测装置3与球形模拟燃料元件2的形状、 尺寸、外壳包覆层材料、粗糙度、球度以及球体平均密度等设计设计参数完 全相同。而填充物32的材质、形式和配比可根据需要进行选择，除了起到封 装和固定有源RFID电子标签的作用外，还能保证球形探测装置3的平均密度 和球形模拟燃料元件2保持一致，一般为0.838-0.843g/cm3。

如图2所示，本发明的球形探测装置3的有源RFID电子标签包括依次连 接的传感器模块331、微控制器332和第一无线收发模块333，其中，

传感器模块331包括一用于采集球形探测装置3的温度信息的温度传感 器、一用于采集球形探测装置3的压力信息的压力传感器以及一用于采集球 形探测装置3的运动信息的运动传感器。由于球形探测装置3与球形模拟燃 料元件2的设计参数、环境均一致，因此，显然测得的温度、压力和运动信 息也是球形模拟燃料元件2的温度、压力和运动信息。

微控制器332优选STM8S003单片机，其用于控制各传感器采集相应的 状态参数，并将该状态参数编码为预定的数据格式。

第一无线收发模块333优选包括NRF24L01芯片以及连接至该芯片的天 线（未示出），其用于无线发送经过微控制器332编码的状态参数，其传输距 离大于10米。

另外，如上所述，本发明的无线探测系统还包括设置在堆芯容器1外的 上位机5和读写器4。其中，读写器4用于实现第一无线收发模块333与上位 机5之间的数据交互，其包括用于接收第一无线收发模块333输出的状态参 数的第二无线收发模块（未示出）、以及一用于读取第二无线收发模块接收到 的状态参数并输出至上位机5的读写控制模块（未示出）。

在本实施例中，读写控制模块通过USB接口或RS232串行接口与上位机 5相连，其中，USB接口优选FT232R芯片，读写控制模块优选STM32F103 单片机，TM32F103单片机与FT232R芯片通过异步串口（波特率2Mbps） 相连，以实现与USB接口的通信。此处的第二无线收发模块同样优选 NRF24L01芯片，其通过SPI与STM32F103单片机连接，其中，STM32F103 单片机作为主机，NRF24L01芯片作为从机，并且NRF24L01芯片还连接有一 天线，以实现与球形探测装置3的第一无线收发模块333之间的无线通信。

此外，在本实施例中的温度传感器为热电偶、热敏电阻、电阻温度计或 光纤传感器及其任意组合，优选PT100热敏电阻。运动传感器优选可以实时 测量球形探测装置3的三轴加速度和三轴角速度的MPU6050单片机。电源优 选锂聚合物可充电电池，一次充电后可工作4小时以上。球形探测装置3与 球形模拟燃料元件2的外壳包覆层的设计参数相同，皆选用聚丙烯或其化材 质制成，尺寸皆为30±0.02mm或60±0.02mm、且它们的粗糙度与球度也保 持严格一致。

本发明的无线探测系统的工作方法如下：

首先将球形探测装置3与球形模拟燃料元件2一起置入堆芯容器1中以 使它们同步循环运动，并通过微控制器332控制传感器模块331采集相应的 状态参数；然后通过微控制器332将传感器模块331采集的各状态参数编码 为预定的数据格式，并通过第一无线收发模块333将编码后的状态参数输出， 当然还可以将该状态参数存储在存储器334中；最后通过读写器4接收第一 无线收发模块333输出的状态参数，并将接收到的状态参数输出至上位机5， 以供上位机5分析处理。在本实施例中，上位机5主要负责对读写器4输出 的数据进行处理，处理后的数据将以txt或其他格式供后续程序调用，后续程 序可以根据测量的状态参数得出球形探测装置3的运动轨迹以及堆芯模拟装 置内的流场、温度场和压力场等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例经本领域的专业人员进行修改将会是丰富多样的，本 文中所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围内的情况下，在其他 实施例中实现。因此，本发明将不会限制于本文所示的这些实施例，而是要 符合于本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。