超声波波导杆技术在钠环境下的应用概述

靳海宾 陈树明

摘 要：钠冷快堆作为第四代反应堆，以其高效、清洁等优势成为备受关注的反应堆堆型。中国实验快堆（CEFR）作为钠冷快堆，采用液态金属钠作为一回路冷却剂和二回路的载热剂，由于金属钠的不透光性以及高温，导致常规的仪表无法对其进行状态监测，而在高温环境下使用超声波波导管技术对液态金属钠状态进行监测，并且对钠管道以及大型盛钠容器中的遗落物进行定位。本文基于对超声波波导杆所涉及的技术研究进行调研，指出适用于钠环境下运波导杆材料及结构，可对后续相关仪表国产化提供研发思路，并且对于提高反应堆安全具有重要意义。

关键词：波导杆 超声波 钠冷快堆 高温钠环境

Abstract： As the fourth generation reactor， sodium-cooled fast reactor has become the most concerned reactor type due to its advantages of high efficiency and cleanliness. China Experimental Fast Reactor （CEFR）， as a sodium-cooled fast reactor， uses liquid metal sodium as the primary coolant and secondary heat carrier.  Due to its lightness and high temperature， conventional instruments cannot monitor the state of sodium metal. In the high temperature environment， ultrasonic wave guide technology is used to monitor the state of liquid metal sodium and locate the remains in sodium pipes and large containers. Based on the investigation of the technical research involved in the ultrasonic wave guide rod， this paper points out that the material and structure of the wave guide rod suitable for sodium environment can provide R & D ideas for the localization of subsequent relevant instruments， and is of great significance to improve reactor safety.

Key Words： Wave guide rod; Ultrasonic wave; Sodium cooled fast reactor; High temperature sodium environment

超聲波波导杆[1]作为一种缓冲装置，不仅可以传输声波信号，同样可以在保证声波传输效率的情况下作为隔热缓冲装置对传感器和高温被测介质进行隔离，使得超声波传感器装置[2]可以保持在一个相对低温的工作环境下，防止超声波传感器材料因受到高温损伤而失效。所以，所使用的波导材料不仅要求能承受住高温，也要求可以有效地传输超声波信号，使其具有较高的信噪比。除此之外，还要考虑超声波传感器与波导之间的耦合等影响因素，从而实现超声波信号的有效传输与接收。

由于钠冷快堆液态金属钠[3]的不透光等特殊性质，无法对管道内以及大型盛钠设备的钠状态进行观测，因此采用超声成像技术。对于高温液态钠的恶劣应用环境，波导杆技术则应运而生。波导杆除了作为缓冲装置外，其结构设计使其更具备灵活性，更适用于空间狭小的地方，因为其可以通过修改波导杆的尺寸和结构来适应应用环境[4]。本文基于对钠环境下超声波波导杆研究进行调研形成综述，以期为后续超声波成像技术应用于钠冷快堆的研究以及仪表国产化研究中的波导杆的选择提供思路。

1应用环境概述

钠冷快堆厂房内布有涉钠设备，包括钠管道以及大型盛钠容器，钠管道主要分为单层管道以及双层套管，双层管外套管材料为0Cr18Ni9不锈钢材料。当反应堆处于不同工况下时，冷却剂钠的温度也不同，即使当反应堆处于停堆换料工况条件下，冷却剂钠温要保持在250℃以上，当反应堆处于满功率运行条件下，堆芯冷却剂温度为540℃左右。因此，针对于波导杆在钠冷快堆的应用，波导管结构、材料要能满足抗高温的性能要求，并且还要考虑到超声波传输效率[5]等因素。

2 波导杆研究概述

2.1束波导

束波导[6]是将数百个独立的声学细长波导组合成一个束的形式，如图1所示。除了隔离温度之外，束波导也产生宽带传输特性，保持脉冲形状。

束波导是由数百个声学细长（与波长相比较薄）弹性金属波导组成的组件，焊接密封在一个护套内，可以对高温或低温流体（气体、液体）进行超声波检测，同时热隔离传感器与被测介质。目前，束波导设计可以覆盖频率从0.1到1MHz，材料包括316SS和Ti。应用温度低温限制为-200◦C;温度上限是600◦C。对于杆状等细长结构[7]来说，超声波在波导杆中传播时，波导杆的横截面积、几何尺寸与频散有关，如直径越大，频散越严重。为了保证超声波频散较小，直径应尽可能较小[8]，由此，目前有采用不锈钢金属丝或者是钨铼合金金属丝[9]作为波导杆，均可在高温环境下应用。

2.2束波导和螺旋板的混合型波导

美国阿贡国家实验室对光滑型、螺纹型、螺旋版型结构波导杆[10]实验研究，上述3种波导杆均为不锈钢材质（SS304），波导管的初期性能测试是在水的环境条件下进行的，通过比较3个主要参数，即传输能量、波导衰减和模式转换信号的时间跨度来评价波导管性能。测试过程使用一个5MHz纵波傳感器。传感器采用高压脉冲/接收器（Panametrics 5058R）激励，脉冲电压为200 V，信号增益为40 dB。

通过分析（见表1），在一定的水中浸没条件下，光滑杆能量传输效率较高，衰减较小。但模式转换产生的时间跨度最大，会埋没目标反射，降低信号质量和检测分辨率。螺旋片波导杆相同的测试条件下进行，测得的结果是螺旋片式波导杆具有最小的时间跨度，可以大大提高信噪比。对于超声波信号质量以及检测分辨率具有较高的提升。总体而言，螺旋片波导杆设计提供了最佳的信噪比。将所选取的捆棒和螺旋板的混合型波导在610℉的钠液下进行试验。原型波导杆的最佳设计是束捆棒和螺旋板的混合型波导杆，如图2所示。通过有效地减少杂散回波和模式转换，该原型具有较高的检测灵敏度和最小的背景噪声。该超声波导成像系统能够在钠介质下检测宽度为1mm、深度为0.5mm的缺陷。

2.3基于兰姆波波导管技术

基于兰姆波的超声波波导管技术[11]是采用了10m实心不锈钢管（SS304）作为波导管模型，超声波通过一种特殊的导波兰姆波在有限厚度的固体弹性板上传播，设计了特殊的楔形体，并应用于A0兰姆波的有效产生。为了减小A0模泄漏兰姆波的色散特性，应采用长脉冲阵。结构图如图3所示。该波导传感器的超声辐射束可以通过频率调谐实现电子控制。光束转向功能完全通过电子手段实现，而无需传感器的机械运动。

2.5螺纹型波导

螺纹型波导[12]是减少侧壁反射的常用技术。通常，缓冲棒由固体金属（有时是钢，有时是钨）制成，直径为15～25mm，适用于2～10MHz的超声频率。外表面是螺纹或开槽的，以避免不需要的模式转换。螺纹波导杆在高频段（2～10 MHz）工作良好，杆半径为3λ（λ为波长，5 MHz时λ = 1.13 mm）。

2.4聚焦包层波导杆

利用包层[13]作为高温超声波导是一种比较新的方法。它们已成功应用于熔融金属下的超声成像。聚焦包层缓冲棒由双锥形软钢芯、热喷涂不锈钢内包层和青铜外包层组成。熔覆层采用热喷涂工艺制备多孔结构，具有较高的超声损耗和较低的超声阻抗。外层青铜包层仅用于提高空冷通道的冷却效率。图4显示了包层缓冲棒的设计。所述包层波导杆比非包层缓冲棒具有更好的信噪比，减少了从包层缓冲棒周围进入周围熔融金属的超声波能量的泄漏。

由于聚焦包层棒波导采用的是双锥形波导杆结构[14]，双锥形不锈钢波导杆都能有效抑制超声波在其中传播时产生的尾随脉冲和回波脉冲，并且在一定程度上，信号的信噪比随着锥角角度的增加而提升。

2.5平板型波导

同样是为了实现钠环境下的可视化操作，一种平板型波导[15]的概念被提出，该模型主要由材料为SS304的条形钢板、法兰、声屏蔽套管、螺纹管以及带角度的波导杆用以发射兰姆波，结构如图5所示。

平板型波导管工作性能早已成功在水下环境得到验证，在钠环境下进行验证之前，为了使声波有效地向高温液态钠中传播，在波导传感器的辐射端表面涂覆薄铍和镍层进行润湿 。最后，通过在钠下进行C扫描实验，成功地评价了所研制的波导传感器在热液体钠中的成像能力。该波导管能实现的信噪比可达10dB以上[16]，并可检测出雕刻缺陷试件的1mm宽狭缝。

而根据大量研究可以表明，波导杆技术的应用需要考虑波导杆与换能器的耦合技术，这也是决定超声传输效率的关键技术，大部分波导杆技术的应用均采用高压干耦合技术。根据实验测试[17]，即使在高温环境下，最终也能获得理想的信噪比。

3 结语

本文针对钠环境下超声波波导杆技术的应用研究进行调研，期望通过本文加深人们对波导杆结构、材料的技术发展认识，以期为后续钠环境下超声波成像技术的研究以及相关仪表研发提供技术思路。

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作者简介：靳海宾（1994—），男，硕士，研究方向为核能科学与工程。

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