我国核燃料后处理仪表发展技术研究

吴 珂 张 博 李晓薇

(中国核电工程有限公司电仪所)

我国核燃料后处理仪表发展技术研究

吴 珂 张 博 李晓薇

(中国核电工程有限公司电仪所)

回顾了早期生产堆后处理厂中接触式测量仪表的选用、安装和维护方式；论述了动力堆后处理中试厂使用的非接触式和间接式测量仪表的原理和优势；在分析智能仪表优势的基础上，给出了Profibus PA和FF总线仪表在后处理工程的应用；最后，得出非接触式和间接式的测量方案与智能仪表的组合是未来后处理厂最佳选择的结论。

核燃料后处理 非接触式测量仪表 吹气测量仪表 热电偶 模拟仪表 智能仪表

核燃料后处理处于燃料循环后端，其主要目的是：提取乏燃料中剩余的铀、钚和可能存在的钍元素，并制造新的核燃料；去除乏燃料中的裂变产物和放射性物质；将放射性物质变为能安全、长期贮存的形态[1]。

国内的后处理技术研发始于20世纪40年代，由于国外具有该技术经验的国家一直对外保密，在公开的资料中很难查到相关信息，因此后处理厂的仪表测量技术也是经过不断的摸索才达到了现在的先进水平。后处理厂生产过程中所用的工艺设备很多与一般化工厂类似，它对过程控制的要求在很多方面也等同于化工厂，主要检测参数有压力、压差、温度、液位、流量、界面及密度等。后处理厂的工艺反应过程相对缓和，基本都是在常温常压条件下工作，但是由于物料中带有放射性，测量仪表的选择和安装与一般化工厂还是有明显差异。笔者回顾了早期为军用服务的生产堆后处理厂和目前已经运行的动力堆后处理中间试验厂中选用的主要测量仪表和方案，并对即将建设的民用商业后处理厂选用的测量仪表进行展望。

1 生产堆后处理厂仪表

1.1 杆式测量仪表

早期的生产堆后处理厂中，测量放射性废液储槽的温度、液位及界面等参数选用的仪表大多是杆式测量仪表，仪表直接接触被测放射性介质，其安装示意图如图1所示。工艺设备布置在用厚实的屏蔽墙隔开的设备室里，操作人员不能接近设备，因此仪表需要从设备室上方的检修大厅穿过设备室的厚顶板，再穿过设备上预留的仪表套管才能插入设备中到达安装位置，一般来说设备顶部与设备室顶板之间还会有几米的空间，每支杆式仪表的长度往往要达到8～10m甚至更长，这给仪表的安装和维修增加了难度。

图1 杆式仪表安装示意图

杆式仪表的安装是利用检修大厅的吊车自上而下垂直安装的，设备上预留的仪表套管与设备室顶板上预留的仪表托盘安装孔必须保证一定的垂直度，因此设备加工时除了考虑仪表的支撑外对加工精度的要求也很高，设备现场安装也要与土建施工紧密配合。另外，这类仪表对安装空间要求也较大，所以早期的后处理厂中大量的仪表是布置在检修大厅里的，与其他工艺设备混布，不利于维修人员的检修和日常维护。杆式仪表的维修和更换需要借助吊车将仪表从设备室中取出，为防止此过程中放射性物质扩散还专门设计了仪表检修容器、仪表帽和仪表托盘。当需要将仪表从设备室取出时，先将仪表检修容器放置在相应的位置上方并固定，然后将仪表帽打开，断开电缆连接，用吊车一边向上吊起仪表一边对仪表进行冲洗去污，冲洗的放射性废液通过仪表托盘上的排液孔流回设备中，排液孔平时是用塞子堵住的。

1.2 流量测量仪表

流量的精确测量和控制对于连续的工艺过程是必不可少的。在许多情况下，流量的测量对于确定往过程中加入或从过程中抽出的各种物料间的正确比率是极为重要的，液位、温度等参数维持稳定常常直接取决于流量的精确测量和控制。

后处理厂的特点是液体和气体的流量较小，因此，经常要测量和控制的液流的流量为每分钟几个立方厘米。一般来讲，可变落差流量计、可变截面流量计、涡轮式流量计及电磁流量计等均可用于后处理厂[2]。孔板式差压流量计由于其结构简单在早期的后处理厂中被大量使用，它是利用检测流体流经管道内节流件前后形成的压差测得流量的大小，它接触放射性介质的部分可不考虑维修，但如果液流中含有固体颗粒，邻近孔板的区域容易积聚固体颗粒沉积物，给将来去污带来困难。

总的来说，早期后处理厂中选用的仪表在使用期限、可更换性及信号传输等方面都受到了当时测量技术和手段的局限，虽然设计中采取了必要的措施保护操作人员不受照射，但这些措施实施起来非常困难，可操作性不强。同时，这些杆式仪表在工厂退役后必须作为放射性固体废物进行处理，大量使用这类仪表必然增加废物处理量，不符合放射性废物最少化原则。

2 动力堆后处理中试厂仪表

2.1 吹气测量仪表

中试厂采用的Purex流程使非接触测量仪表大范围使用成为可能，其中最具代表性的就是采用吹气测量法对设备室内放射性介质的液位、界面及密度等参数进行测量。测量原理如图2所示。

图2 吹气仪表测量原理示意图

该套仪表在1991年设计的中试厂中首次应用。仪表专用的压缩空气经吹气装置内减压过滤器减压和稳压后，通过空气小流量控制器、根阀和吹气管吹入贮槽。当吹气管内吹气压力高于吹气管下端管口的静压时，压缩空气便从吹气管的下端管口以气泡形式逸出。调节吹气装置的空气小流量控制器，使压缩空气以很小的流量均匀稳定地吹入贮槽，这时测得的压力几乎接近下端管口处液位的压力[3]。用这种吹气法，一根吹气管可同时用于多个测量回路，放射性介质不与传感器直接接触，也不会通过管路扩散，接触放射性介质的不锈钢管属于不易损坏件，不考虑检修，除此之外设备室内再无任何可动或需维修的部件。所有需要操作更换的部件可集中布置在设备室外专门的仪表安装区，变送器在维修和更换时，只需将吹气管上的阀门关闭后即可拆卸，方便维护和检修。另外，吹气管路安装时可以在设备室中弯曲敷设，大幅降低了安装要求。吹气测量法由于结构简单和使用可靠因而在后处理厂中具有重要意义。但是，这种吹气测量法只能应用于常压或接近于常压的设备参数的测量，对于后处理厂中数量较少的高压设备，这种方法是不可用的，目前仍需采用杆式仪表。

2.2 抽芯式快速拆装热电偶

中试厂设备室内的温度测量不再使用杆式铂热电阻，改为抽芯式快速拆装热电偶。如图3所示，热电偶保护管穿过设备室混凝土屏蔽墙的弧形套管进入设备室，与设备上预留的底端头封死的套管管嘴焊接。铠装式热电偶沿保护管内孔插入到设备上温度计套管的底端头平面并用锁紧装置锁死固定，更换时只需打开锁紧就可以很快地将热电偶从设备室中抽出。虽然热电偶在低温测量的准确度上比热电阻温度计略低，但它具有的体积小、便于安装、耐辐照损伤性能极佳等优点使它在后处理厂中得以大量使用[4]。

图3 抽芯式快速拆装热电偶安装示意图

2.3 空气提升用质量流量计

中试厂高放射性水平的料液输送采用的是空气提升方式，它是利用压缩空气的流体静力学原理，用压缩空气提升液体。通过空气升液器将静止的液体提升到一定高度，被提升的液体流量与压缩空气流量成一定比例关系，因此流量测量由原来的直接测量改为通过气体质量流量计调节压缩空气流量[5]，从而控制液体流量，其测量原理如图4所示。

这种测量方法在设备室内没有运动部件，操作简单，虽然效率较低，但其输送能力完全能满足中试厂的实际需求，并很好地解决了高放射性料液的定量输送问题。

图4 二级空气提升系统示意图

用非接触式仪表代替杆式仪表应用于后处理厂中，使整个厂房设计布局发生了革命性的变化，极为有效地降低了厂房高度，缩小了厂房空间，并由此引起连带反应，极大地优化了工艺、设备、土建及暖通等有关工种设计，节省了巨额的工程资金。非接触式仪表基本上是无故障、免维修的，与杆式仪表相比，它彻底抛弃了杆式仪表繁重、危险的检修方法，省去了笨重的仪表检修容器和清洗去污设备，由此节省的容器设备、清洗去污和运行维修费用以千万元计。

3 智能仪表在后处理的应用

进入21世纪，传统的1～5V和4～20mA模拟信号制仪表取代了20～100kPa的气压信号仪表已有时日。由于模拟信号的传输需要一对一的物理连接，信号远程传输中的抗干扰能力较差，信号精度也相对较差。此外，随着后处理工艺对自动化程度需求的提高和工程规模的增大，所需的电缆数量随之增加，中试厂的总电缆长度达到了六十余万米，在有限的厂房空间里，本已布置了各种设备和物料、水、蒸汽、暖通管道，还要布置大量电缆，一方面给电缆敷设设计带来了难度，另一方面也给现场的安装、调试和检修带来了较大困难。

基于总线技术的智能仪表不但可以解决上述问题，还能在控制室的计算机上对其工作状态、故障状态进行诊断维护，因此，将它应用于后处理工程中，可以最大限度地减少人员出入控制区，进一步贯彻以人为本的理念。

随着智能仪表技术越来越成熟并在国内大型化工项目中的成功应用，近些年的后处理项目中也开始逐步选用这类仪表，从简单的用总线型智能仪表代替传统的模拟仪表，到构造以总线型智能仪表为基础的全数字化控制系统，智能仪表在后处理工程中的应用日趋成熟。

3.1 Profibus PA总线智能仪表的应用

与DP总线相比[6]，PA总线传输速率较慢，但该速率足以满足应用，更重要的是，PA不仅能为现场智能仪表传输信号，还能为挂接在该总线上的所有智能仪表提供电力，并且有防爆、本安区域的解决方案。

在某高放废液处理工程中，PA总线智能仪表首次在后处理工程中广泛应用。在用于放射性常压设备，如高放废液大罐的液位、界面和密度测量方面，使用吹气装置配PA总线智能差压变送器取代了吹气装置配4～20mA差压变送器的测量方式。与传统方式相比，一条Profibus PA总线为6～12台智能差压变送器传送信号并供电，节省了AI板卡的数量和电缆量，采用基于曼特斯特比编码的数字信号通信，从根源上消除了模拟信号传输过程中的干扰，提升了测量精度。此外，PA总线智能电磁流量计广泛应用于导电流体的测量，PA总线智能温度变送器、智能压力变送器及智能导播雷达物位计等也得到了大量应用。

3.2 FF总线智能仪表的应用

后处理工艺处于化工流程，是典型的过程自动化领域，与PA总线相比，基金会现场总线(FF)在该领域的应用更为广泛。在周期性信息具有严格实时性要求的应用场合，选用FF总线比较适合，反之选用Profibus总线比较好[7]。此外，与PA总线相比，FF总线还具有控制功能下放的优势。

2010年，FF总线智能仪表应用于典型后处理特征的工艺试验台架中。使用吹气装置配FF总线智能差压变送器的方式，测量萃取柱的扩大段液位、界面、有机相密度、水相密度、柱重及液泛等参数，并首次实现了吹气测量算法由控制器运算到智能差压变送器运算的下放，智能差压变送器的液晶表头直接显示如液位“402mm”、密度“1.22g/cm3”等最终测量值，改变了吹气测量系统现场显示终端仅能显示压差值的历史。在以往的调节系统中，变送器测量值需远距离传输至控制室的AI模卡，由控制器运算完成后再由AO模卡输出，并再经过同样距离传输至阀门定位器才能完成一次调节。而在FF智能阀门定位器与FF智能压力变送器构成的脉冲萃取柱压空缓冲罐压力负反馈调节系统中，实现了PID从控制器运算至智能阀门定位器运算的下放，信号不需要远距离传输至控制器，在现场即可完成调节，大幅缩短了调节时间，改善了调节品质，并且实现了彻底的分散控制，降低了系统风险。

此外，AMS仪表设备管理系统得到首次应用。该系统实现了对全部FF总线智能仪表的统一管理。可自动显示仪表连接视图，并显示所选仪表的生产厂商、设备型号、版本、当前连接的系统I/O地址及仪表位号等信息；实现了仪表电子巡检报警功能，当现场仪表出现故障时，可以在操作站上弹出报警；可对智能仪表内部参数修改(如零点、量程及单位等)并存储记录；采用比较功能可将任意时间的历史数据与当前参数对照，并且能够恢复部分或全部历史记录。总之，仪表设备管理系统的应用，将智能仪表与控制系统一体化集成，形成了自底层至上层的完整仪控网络。

3.3 智能仪表将是未来后处理自动化的趋势

数字通信是一种趋势，它代表了技术的进步，以数字化控制技术为基础的双向数字通信现场总线信号制的优越性是传统模拟信号制通信无法比拟的。智能仪表以现场总线为通信媒介，解决了过去长时间使用的底层仪表模拟传输、DCS系统数字化运算的模拟-数字混搭系统，进而将整个工厂的所有仪控设备和系统连接成统一的网络，实现从最高决策层到最底设备层的综合管理和控制[8]。将它应用于未来商业规模的后处理厂，可以极大地提升数字化水平和管控水平，真正实现数字化工厂。

4 总结与展望

中国的后处理技术经过几十年的探索，已逐步从科研走向商业化，现代化大型商业后处理厂运行所产生的信息交换量是以前的后处理厂的数十倍，需要更先进的技术解决。另外，核工程的生命周期不能仅考虑生产运行的几十年，还应包括停产后工厂的退役阶段，由于资金、政策及后续废物处理能力等原因， 这一过程可能会再持续几十年，因此为保证人员安全采用非接触式测量手段配合智能仪表将是未来后处理工程自动化的趋势。

[1] Manson Benedict,Thomas H.Pigford and Hans Wolfgang Levi.Nuclear Chemical Engineering[M].New York:McGraw Hill Book Company,1957.

[2] 任凤仪,周镇兴.国外核燃料后处理[M].北京:原子能出版社,2006.

[3] 袁世颐.乏燃料后处理中试厂间接式和非接触式测量仪表的研究及应用[C].中国核学会核化工分会后处理专业委员会年会.兰州:中核集团公司四〇四厂科学技术委员会,2005:24～32.

[4] Long J T，著,杨云鸿,译.核燃料后处理工程[M].北京:原子能出版社,1980.

[5] 章泽甫,王俊峰,张天祥.动力堆核燃料后处理工学[M].北京:原子能出版社,2012.

[6] 宁金龙,杨海燕.Profibus DP通信技术在DCS中的应用[J].石油化工自动化,2015,51(2):59～60.

[7] 周悦,于海斌,王天然,等.Profibus和FF现场总线的性能分析与评价[J].吉林大学学报(信息科技版),2004,22(4):434～437.

[8] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

StudyofNuclearFuelReprocessingInstrumentDevelopmentinChina

WU Ke, ZHANG Bo, LI Xiao-wei

(Electrical and Instrument Institute, China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.)

The selection, installation and maintenance of the contact measurement instrument applied in the earlier nuclear fuel reprocessing plant were reviewed; and the principle and advantages of non-contact and indirect measuring methods used in pilot plants were discussed. On the basis of analyzing advantages of the smart instrument, the application of Profibus PA and FF instrument was presented. The results show that, the combination of non-contact or indirect measuring methods with the smart instrument is the best choice for the future reprocessing plant.

nuclear fuel reprocessing, non-contact measurement instrument, aerated measuring instrument, thermocouple, analog instrument, smart instrument

TH822

A

1000-3932(2017)05-0427-05

吴珂(1978-)，高级工程师，从事核化工工程仪控设计工作，cocopandl@sohu.com。

2016-10-07，

2017-02-23)