基于嵌入式的乏燃料干貯存溫度監測系統

張洪健，余 刃，劉笑凡，王天舒

(海軍工程大學， 武漢 430033)

基于嵌入式的乏燃料干貯存溫度監測系統

張洪健，余 刃，劉笑凡，王天舒

(海軍工程大學， 武漢 430033)

由于乏燃料從堆芯卸載后將在很長時間內存在衰變熱從而影響貯存安全，所以需要對其貯存期間進行溫度監測。為了確定合適溫度測點，對乏燃料貯存井內的散熱情況進行了仿真計算，并在此基礎上，基于Cortex-M4系列ARM單片機設計開發了一套實現溫度信號采集、通信、上位機集中監測和報警的分布式溫度監測系統，在監控室對乏燃料貯存井內的溫度變化情況進行遠距離實時在線監測，研究了乏燃料干法貯存的科學管理。經過裝機實驗測試，系統能夠完成設計目標。

乏燃料干法貯存；嵌入式；以太網；溫度采集

目前，核反應堆乏燃料的處理普遍采用兩種策略，即進行后處理和一次性通過(深埋長期貯存)[1]。在整個乏燃料后期處理過程中不可避免的要對乏燃料進行貯存，而乏燃料本身具有的衰變熱和放射性的屬性影響了乏燃料貯存安全。目前世界上對乏燃料的貯存有兩種方式，一種是在水池內進行濕法貯存，另一種是干法貯存。一般情況下，首先將剛從堆芯卸載的乏燃料放入水池進行濕法貯存，等到半衰期較短的放射性元素大部分衰變，乏燃料的總體放射性和衰變熱降低到一定程度再進行下一步后處理。不論哪種貯存方式都需要防止發生意外臨界事故，并對乏燃料產生的衰變熱進行有效導出，防止局部過熱造成放射性包容邊界破損，進而引發放射性物質泄漏的事故。在日本福島核事故中，由于乏燃料貯存水池冷卻存在問題使得溫度過高引發氫氣爆炸，造成放射性物質外泄[2]。所以，對乏燃料的貯存必須確保有效散熱，并對乏燃料貯存容器表面的溫度進行實時可靠的監測和在線報警，從而實現對乏燃料的科學化監管。

本研究為解決貯存井內乏燃料的散熱安全問題，在對乏燃料貯存井內溫度分布進行仿真計算的基礎上，確定了溫度傳感器的安裝位置，并設計開發了一套可以在監控中心遠距離實時在線監測井內溫度變化的系統，為乏燃料的安全監測和科學管理提供保障。

1 溫度測點的選取

1.1 應用背景

反應堆達到設計壽期后，燃料經過停堆卸料被放置到水池進行濕法貯存若干年。待放射性降低到一定程度后，乏燃料元件經過烘干處理放入乏燃料貯存罐密封，之后在乏燃料貯存井中進行干法貯存，等待進一步處理。整個貯存區域有數十個呈陣列分布的貯存井。每個貯存井內容納一個貯存罐，冷卻空氣經氣泵從底部注入，從上部出口排出，以便排除衰變熱。

為了實現對乏燃料熱工安全情況的監控，便于預防和及時發現因冷卻失效造成井內溫度過高，同時兼顧輻射防護原則，盡量減少工作人員在乏燃料貯存現場遭受輻照的劑量，在本應用中，需要在較遠距離的兩個集中監控室實時對每個貯存井內溫度進行實時連續監測。為此，在每個乏燃料貯存井內安裝一路鉑電阻溫度傳感器，用于實時采集監測貯存罐表面溫度變化，且溫度測點能夠反映井內安全狀態，即測點位于最高溫度區域附近。設計上為防止高溫導致系統失靈，貯存現場線路采用耐高溫材料。另外，為提高遠距離監控的可靠性和溫度超限報警提示的及時性，采用光纖作為中間通信介質。

1.2 溫度測點的確定

為了確保貯存過程中的熱工安全，溫度測點應該位于井內最高溫度位置，即選擇溫度最大點作為溫度傳感器的安裝位置。為此，使用FLUENT軟件對貯存井內的空氣流場和溫度分布情況進行仿真計算，確定溫度最高點出現的位置區域。

1) 建立導熱數學模型

使用FLUENT軟件進行仿真計算時，首先需對乏燃料罐和貯存井進行建模。在對乏燃料罐進行建模時，為了簡化計算，將乏燃料貯存罐等效成內部材料均勻的圓柱體，并在此基礎上建立圓柱坐標系，采用一般形式的導熱微分方程[3]

(1)

假設貯存井壁面絕熱，冷卻空氣為25 ℃，其中乏燃料衰變熱的功率計算公式如下

(2)

式中：t0為反應堆停堆天數；T0為反應堆滿功率運行天數；P為反應堆額定滿功率(MW)。

采用第三類邊界條件

(3)

式中：h為換熱系數(W/(m2·K))；tW為壁面溫度(K)；tf為冷卻空氣溫度(K)。

2) 仿真計算結果與分析

罐體表面溫度分布的仿真計算結果如圖1所示。可以看出，罐體表面溫度分布呈現從下到上逐步升高的特點，最高溫度出現在罐體上端面。由于冷卻氣流量較小，在靠近出風口一側，呈現出一個自出風口上沿開始向上的倒三角熱區。為兼顧溫度測量的有效性和傳感器安裝的方便性，將溫度測點定位于貯存罐接近上端面的側面位置。

2 分布式溫度監測系統架構

系統主要由鉑電阻溫度傳感器、信號傳輸線路、現場溫度巡檢儀、數據轉換通信設備和上位機組成，系統的拓撲結構原理圖如圖2所示。鉑電阻溫度傳感器采集到的溫度信號在現場溫度巡檢儀中進行變換、處理和就地顯示，并按照標準以太網通信協議，經現場光端機轉換成兩路光信號，通過光纖分別與兩個監控室的光端機相連，還原為電信號，實現與2臺上位機通信。整個系統分為兩級：就地監測級，安裝放置在乏燃料貯存現場，包括溫度傳感器、巡檢儀和光端機；遠程集中監控級，包括兩路光端機和上位機。兩個集中監測點互為冗余，能夠同時接收到來自現場的信號，使系統具有更高的可靠性。在上位機一端，采用組態軟件開發用于溫度監測的人機界面，實現溫度分布顯示、柱狀圖顯示、歷史數據查詢、上下限報警、參數設置等功能。

圖1 罐體表面溫度分布云圖

圖2 溫度監測系統結構原理

3 溫度巡檢儀的設計與實現

3.1 硬件設計

溫度巡檢儀用于就地進行溫度傳感器信號的采集、變換、顯示和傳輸，巡檢儀原理如圖3所示，采用ARM系列 Cortex-M4內核的STM32F407ZET6為控制核心，構成嵌入式系統，其硬件設計包括以下幾個模塊：電源模塊、ARM核心板模塊、USB電路、多路溫度信號采集電路、10.1寸彩色TFT觸摸LCD、EEPRAM電路、蜂鳴器模塊、ADC轉換電路、以太網通訊電路、SD卡存儲電路。

圖3 巡檢儀原理框圖

電源模塊接入220 V交流電，輸出5 V、24 V兩種形式的直流電，其中5 V電源用于對嵌入式系統供電，24 V電源用于外接的光端機供電。

鉑電阻溫度傳感器采用三線制接法，電路如圖4 所示。PT100轉換電路通過調節校準電位器輸出2.55 mA的電流，再通過一路正向比例放大器和一路差動放大器使輸出電壓與PT100的溫度變化的轉化率為100 mV/℃。通過F/V轉換電路將Vref的電壓調整至2.55 V，抵消PT100在0 ℃時產生的2.55 V的電壓。

圖4 溫度信號采集電路

采集到的溫度信號接到由4個TLC2543芯片構成的AD轉換電路，每個芯片對應11個模擬輸入通道，完成A/D轉換過程。由于采用的是串行輸入結構，節省了單片機I/O資源，且分辨率較高。

查表得到數據對應的溫度值，之后將溫度數值通過TFT觸摸LCD進行顯示，同時將數據打包為標準TCP/IP協議上傳至上位機。

溫度值數據可通過SD卡電路儲存到SD卡中，方便用戶通過人機界面對歷史數據進行查詢。USB電路提供了外接U盤將數據導出的功能。

以太網通訊電路是采用WIZnet W5500芯片的以太網模塊。模塊集成硬件化TCP/IP協議，通過SPI與單片機系統通訊，內部具有32k字節緩存空間，支持較高的傳輸速率。

3.2 軟件設計

溫度巡檢儀軟件主要完成數據處理、數據通信、觸摸屏人機界面顯示等多個任務。設計基于μC/OS-II 嵌入式操作系統，通過μC/GUI軟件開發出多種溫度顯示界面，包括陣列分布顯示、柱狀圖顯示、歷史數據查詢顯示等圖形畫面。程序集成了中文漢字庫，可以進行一般文本的輸入編輯。系統流程如圖5所示。

圖5 系統流程

用戶可以點擊界面上相關按鈕完成報警限值、采樣掃描的時間周期等相關參數的設定，同時窗口菜單提供了方便不同顯示界面切換的功能。

4 上位機畫面

上位機監控軟件安裝于暫存庫監控計算機和主控室監控計算機中，用于監視豎井內貯存罐表面的實時溫度，并對數據進行管理。

監控軟件采用MCGS組態軟件作為平臺開發，通過簡單的設備連接，建立相關數據變量表，繪制并設置相關構件屬性參數，完成軟件工程的設計調試。監控軟件具備溫度數值的陣列分布、柱狀圖、列表、實時曲線、歷史曲線等多種顯示方式，可設置報警閾值，越限時自動報警提醒。同時可以查詢到存儲一年的歷史數據，并提供方便的檢索查詢功能。具體功能如圖 6所示。

上位機操作界面具有較好的人機交互性能，能夠方便直觀地查看相應溫度值及其變化趨勢。

圖6 位機監控軟件功能模塊組成

5 結論

針對乏燃料在存在的放射性和衰變熱等安全性問題，使用FLUENT軟件對乏燃料貯存井溫度分布進行仿真計算，據此確定溫度測點為靠近貯存罐頂部的壁面。設計了分布式溫度監測系統，開發了基于STM32F407ZET6的嵌入式單片機的溫度巡檢儀。系統具有硬件相對簡單、可擴展性強、人機界面友好等特點，并支持以太網通信，實現了在監控室對乏燃料貯存井溫度遠距離監控，可滿足乏燃料干貯存熱工安全狀態監控的要求。

[1] 吳英,穆強,馬續波,等.2050年前中國壓水堆核燃料循環幾種假定情景分析[J].科技導報,2012(21)：19-25.

[2] 于紅.濕法貯存乏燃料核電廠的應急分級[J].核動力工程,2016(5):58-62.

[3] 楊世銘.細長豎圓柱外及豎圓管內的自然對流傳熱[J].西安交通大學學報,1980(3):119-135.

(責任編輯楊繼森)

TemperatureMonitoringSystemforSpentNuclearFuelDryStorageBasedonEmbeddedTechnology

ZHANG Hongjian， YU Ren, LIU Xiaofan, WANG Tianshu

(Navy University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to realize the safety monitoring of the spent nuclear fuel stored in the underground shaft, a temperature monitoring system was designed based on Cortex-M4 series micro-controller. The distributed temperature monitoring system achieved the function of Multi-channel temperature signal acquisition, data communication, host computer monitoring and alarming, and made the goal of detecting the key point temperature variation in the storage shaft online and actual time in the remote center control room come true, what’s more, it optimized the scientific management of dry storage for spent fuel. Then, the hardware and software interface of the system are introduced. Finally, the experiments results show that the system can accurately measure and display the temperature in the storage shaft with the design goal achieved.

spent fuel dry storage; embedded system; Ethernet; temperature acquisition

2017-07-01；

2017-07-28

張洪健(1992—)，男，碩士研究生，主要從事核動力系統的控制與運行、故障診斷研究；余刃(1968—)，男，博士，教授，主要從事核動力系統以及輔助設施的控制和故障診斷研究。

信息科學與控制工程

10.11809/scbgxb2017.11.030

本文引用格式：張洪健，余刃，劉笑凡，等.基于嵌入式的乏燃料干貯存溫度監測系統[J].兵器裝備工程學報，2017(11):138-141.

formatZHANG Hongjian，YU Ren, LIU Xiaofan, et al.Temperature Monitoring System for Spent Nuclear Fuel Dry Storage Based on Embedded Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):138-141.

TL24

A

2096-2304(2017)11-0138-04