PTC溫控技術在無源豐度檢測裝置中的應用

王 欽，王建衛

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000）

0 引言

核燃料元件生產過程中需要對燃料棒內芯塊的豐度、間隙和破碎3 個指標進行檢測，CJNF 的豐度檢測采用無源豐度檢測技術。核燃料棒內UO2燃料芯塊發出的伽瑪（Y）射線，經過GAMA 探頭內的BGO 晶體時產生光[1]，經過光電倍增管放大，實現對燃料棒內UO2燃料芯塊U235 豐度的無損檢測。BGO 晶體能譜檢測方式具有檢測效率高的優點，同時對環境溫度的要求很苛刻，使用溫度和調試溫度必須盡可能接近[2]，否則會造成能譜的峰值跑偏而產生檢測誤差。

生產線的廠房雖然采用了中央空調進行溫度調節，但從實際監測情況看，溫度的變化范圍在28.5℃±2℃，無法滿足無源豐度檢測的要求。溫度對豐度檢測的影響如圖1 所示。

圖1 記錄了2019 年3 月14 日～7 月14 日期間，在不同環境溫度下，4.45%豐度芯塊的檢測數據。數據統計顯示，當環境溫度變化超過±2℃時，監測數據呈現明顯的發散狀態，難以保證測量的穩定性。因此，必須采取措施，確保GAMA 探頭的使用環境溫度保持穩定。

圖1 沒有溫控系統之前的豐度檢測效果Fig.1 Abundance detection effect without temperature control system

1 溫度加熱器的功率選擇

靜態流體的加熱功率計算公式：

式中：P——加熱器的加熱功率，W；C——比熱，J/Kg·℃；M——空氣介質的質量，等于體積乘以空氣的密度，kg；ΔT——升溫的溫度差，℃；t——升溫時間，h；δ——加熱（保溫）效率，考慮到工作區域沒有專門的保溫和隔熱處理，取1.25。

現場的兩個溫度控制環境的條件如下：GAMA 探頭溫控區尺寸為1350mm×46mm×3180mm，相應的容積為0.197m3，正常情況下的環境溫度為24℃，需要控制的溫度為27℃～28℃，升溫時間為20min，加熱介質為空氣。將相關參數代入，得出空氣的加熱功率為650W，考慮到20%的功率裕量，則加熱器的加熱功率為800W。

2 加熱器類型選擇

加熱器類型選擇新型的PTC 加熱器。PTC 加熱器的專業名稱是正溫度系數熱敏電阻[3]，又叫PTC 發熱體，采用PTC 陶瓷發熱元件與鋁管組成。其工作原理是：PTC 熱敏電阻加電后，自熱升溫使阻值進入躍變區，從而使PTC 熱敏電阻表面溫度降低保持恒定[4]。它的優點如下：

1）PTC 加熱片具有自動恒溫功能，用PTC 加熱器加熱冷風時，即便在送風風扇故障情況下，也不會導致PTC加熱器損壞。

2）使用壽命長，正常情況下，壽命可達10 年以上。

表1 設備和材料清單Table 1 List of equipment and materials

3）工作電壓非常寬，當電壓變化兩倍時，表面溫度的變化非常小。

3 溫度控制系統組成及原理

整個無源豐度檢測包括兩套獨立的溫度控制系統，分別用于兩個溫區的溫度控制。溫度控制的原理圖如圖2 所示，系統所用設備和材料清單見表1。

圖2 溫度控制系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of temperature control system

如圖2 所示，溫控系統通電后，位于PTC 加熱器頂部的抽風風扇即會得電工作，按下啟動按鈕后，底部的送風風扇得電工作，使GAMA 探測器所處溫區的空氣流動循環起來。溫控儀1 作為主控儀表，它能夠根據檢測溫度和設定溫度的偏差輸出0V 或12V 的電壓信號至固態繼電器輸入端，控制它的導通和關斷，進而控制PTC 加熱器的工作，使溫度保持在設定值附近。為了確保各種異常狀態不會對溫控系統和豐度檢測探頭的影響，專門設計了四重保護功能。當溫控儀1 和溫控儀2 中任意一個出現示值高于報警設定值的情況時，或當送風電機和抽風電機的供電回路出現故障時，又或者來自PLC 的保護信號動作時，都會使中間繼電器KA1 線圈失電，斷開加熱器主回路的電源，確保事故狀態下，溫度控制系統的安全可靠性。

溫控儀參數設置見表2。

4 效果

采用PTC 溫控系統控制后，豐度檢測裝置的內部溫度控制效果良好，豐度檢測的穩定性也隨之大大提高，效果如圖3 所示。

5 結束語

采用自主設計的溫度控制系統，可以將GAMA 探頭的環境溫度控制在28.2℃±0.2℃的范圍內。在確保控制精度的同時，由于采用了多重化的安全保護措施，加之PTC 加熱器的固有安全特性，大大提高了該溫度控制系統的安全可靠性。即便在最極端的條件下，也不會發生溫度超調的情況，確保了溫度控制的安全性。

表2 溫控儀參數設置Table 2 Temperature controller parameter settings

圖3 采用PTC溫控系統后的豐度檢測效果Fig.3 Abundance detection effect after using PTC temperature control system