超聲波波導桿技術在鈉環境下的應用概述

靳海賓 陳樹明

摘 要：鈉冷快堆作為第四代反應堆，以其高效、清潔等優勢成為備受關注的反應堆堆型。中國實驗快堆（CEFR）作為鈉冷快堆，采用液態金屬鈉作為一回路冷卻劑和二回路的載熱劑，由于金屬鈉的不透光性以及高溫，導致常規的儀表無法對其進行狀態監測，而在高溫環境下使用超聲波波導管技術對液態金屬鈉狀態進行監測，并且對鈉管道以及大型盛鈉容器中的遺落物進行定位。本文基于對超聲波波導桿所涉及的技術研究進行調研，指出適用于鈉環境下運波導桿材料及結構，可對后續相關儀表國產化提供研發思路，并且對于提高反應堆安全具有重要意義。

關鍵詞：波導桿 超聲波 鈉冷快堆 高溫鈉環境

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

超聲波波導桿[1]作為一種緩沖裝置，不僅可以傳輸聲波信號，同樣可以在保證聲波傳輸效率的情況下作為隔熱緩沖裝置對傳感器和高溫被測介質進行隔離，使得超聲波傳感器裝置[2]可以保持在一個相對低溫的工作環境下，防止超聲波傳感器材料因受到高溫損傷而失效。所以，所使用的波導材料不僅要求能承受住高溫，也要求可以有效地傳輸超聲波信號，使其具有較高的信噪比。除此之外，還要考慮超聲波傳感器與波導之間的耦合等影響因素，從而實現超聲波信號的有效傳輸與接收。

由于鈉冷快堆液態金屬鈉[3]的不透光等特殊性質，無法對管道內以及大型盛鈉設備的鈉狀態進行觀測，因此采用超聲成像技術。對于高溫液態鈉的惡劣應用環境，波導桿技術則應運而生。波導桿除了作為緩沖裝置外，其結構設計使其更具備靈活性，更適用于空間狹小的地方，因為其可以通過修改波導桿的尺寸和結構來適應應用環境[4]。本文基于對鈉環境下超聲波波導桿研究進行調研形成綜述，以期為后續超聲波成像技術應用于鈉冷快堆的研究以及儀表國產化研究中的波導桿的選擇提供思路。

1應用環境概述

鈉冷快堆廠房內布有涉鈉設備，包括鈉管道以及大型盛鈉容器，鈉管道主要分為單層管道以及雙層套管，雙層管外套管材料為0Cr18Ni9不銹鋼材料。當反應堆處于不同工況下時，冷卻劑鈉的溫度也不同，即使當反應堆處于停堆換料工況條件下，冷卻劑鈉溫要保持在250℃以上，當反應堆處于滿功率運行條件下，堆芯冷卻劑溫度為540℃左右。因此，針對于波導桿在鈉冷快堆的應用，波導管結構、材料要能滿足抗高溫的性能要求，并且還要考慮到超聲波傳輸效率[5]等因素。

2 波導桿研究概述

2.1束波導

束波導[6]是將數百個獨立的聲學細長波導組合成一個束的形式，如圖1所示。除了隔離溫度之外，束波導也產生寬帶傳輸特性，保持脈沖形狀。

束波導是由數百個聲學細長（與波長相比較薄）彈性金屬波導組成的組件，焊接密封在一個護套內，可以對高溫或低溫流體（氣體、液體）進行超聲波檢測，同時熱隔離傳感器與被測介質。目前，束波導設計可以覆蓋頻率從0.1到1MHz，材料包括316SS和Ti。應用溫度低溫限制為-200?C;溫度上限是600?C。對于桿狀等細長結構[7]來說，超聲波在波導桿中傳播時，波導桿的橫截面積、幾何尺寸與頻散有關，如直徑越大，頻散越嚴重。為了保證超聲波頻散較小，直徑應盡可能較小[8]，由此，目前有采用不銹鋼金屬絲或者是鎢錸合金金屬絲[9]作為波導桿，均可在高溫環境下應用。

2.2束波導和螺旋板的混合型波導

美國阿貢國家實驗室對光滑型、螺紋型、螺旋版型結構波導桿[10]實驗研究，上述3種波導桿均為不銹鋼材質（SS304），波導管的初期性能測試是在水的環境條件下進行的，通過比較3個主要參數，即傳輸能量、波導衰減和模式轉換信號的時間跨度來評價波導管性能。測試過程使用一個5MHz縱波傳感器。傳感器采用高壓脈沖/接收器（Panametrics 5058R）激勵，脈沖電壓為200 V，信號增益為40 dB。

通過分析（見表1），在一定的水中浸沒條件下，光滑桿能量傳輸效率較高，衰減較小。但模式轉換產生的時間跨度最大，會埋沒目標反射，降低信號質量和檢測分辨率。螺旋片波導桿相同的測試條件下進行，測得的結果是螺旋片式波導桿具有最小的時間跨度，可以大大提高信噪比。對于超聲波信號質量以及檢測分辨率具有較高的提升。總體而言，螺旋片波導桿設計提供了最佳的信噪比。將所選取的捆棒和螺旋板的混合型波導在610℉的鈉液下進行試驗。原型波導桿的最佳設計是束捆棒和螺旋板的混合型波導桿，如圖2所示。通過有效地減少雜散回波和模式轉換，該原型具有較高的檢測靈敏度和最小的背景噪聲。該超聲波導成像系統能夠在鈉介質下檢測寬度為1mm、深度為0.5mm的缺陷。

2.3基于蘭姆波波導管技術

基于蘭姆波的超聲波波導管技術[11]是采用了10m實心不銹鋼管（SS304）作為波導管模型，超聲波通過一種特殊的導波蘭姆波在有限厚度的固體彈性板上傳播，設計了特殊的楔形體，并應用于A0蘭姆波的有效產生。為了減小A0模泄漏蘭姆波的色散特性，應采用長脈沖陣。結構圖如圖3所示。該波導傳感器的超聲輻射束可以通過頻率調諧實現電子控制。光束轉向功能完全通過電子手段實現，而無需傳感器的機械運動。

2.5螺紋型波導

螺紋型波導[12]是減少側壁反射的常用技術。通常，緩沖棒由固體金屬（有時是鋼，有時是鎢）制成，直徑為15～25mm，適用于2～10MHz的超聲頻率。外表面是螺紋或開槽的，以避免不需要的模式轉換。螺紋波導桿在高頻段（2～10 MHz）工作良好，桿半徑為3λ（λ為波長，5 MHz時λ = 1.13 mm）。

2.4聚焦包層波導桿

利用包層[13]作為高溫超聲波導是一種比較新的方法。它們已成功應用于熔融金屬下的超聲成像。聚焦包層緩沖棒由雙錐形軟鋼芯、熱噴涂不銹鋼內包層和青銅外包層組成。熔覆層采用熱噴涂工藝制備多孔結構，具有較高的超聲損耗和較低的超聲阻抗。外層青銅包層僅用于提高空冷通道的冷卻效率。圖4顯示了包層緩沖棒的設計。所述包層波導桿比非包層緩沖棒具有更好的信噪比，減少了從包層緩沖棒周圍進入周圍熔融金屬的超聲波能量的泄漏。

由于聚焦包層棒波導采用的是雙錐形波導桿結構[14]，雙錐形不銹鋼波導桿都能有效抑制超聲波在其中傳播時產生的尾隨脈沖和回波脈沖，并且在一定程度上，信號的信噪比隨著錐角角度的增加而提升。

2.5平板型波導

同樣是為了實現鈉環境下的可視化操作，一種平板型波導[15]的概念被提出，該模型主要由材料為SS304的條形鋼板、法蘭、聲屏蔽套管、螺紋管以及帶角度的波導桿用以發射蘭姆波，結構如圖5所示。

平板型波導管工作性能早已成功在水下環境得到驗證，在鈉環境下進行驗證之前，為了使聲波有效地向高溫液態鈉中傳播，在波導傳感器的輻射端表面涂覆薄鈹和鎳層進行潤濕 。最后，通過在鈉下進行C掃描實驗，成功地評價了所研制的波導傳感器在熱液體鈉中的成像能力。該波導管能實現的信噪比可達10dB以上[16]，并可檢測出雕刻缺陷試件的1mm寬狹縫。

而根據大量研究可以表明，波導桿技術的應用需要考慮波導桿與換能器的耦合技術，這也是決定超聲傳輸效率的關鍵技術，大部分波導桿技術的應用均采用高壓干耦合技術。根據實驗測試[17]，即使在高溫環境下，最終也能獲得理想的信噪比。

3 結語

本文針對鈉環境下超聲波波導桿技術的應用研究進行調研，期望通過本文加深人們對波導桿結構、材料的技術發展認識，以期為后續鈉環境下超聲波成像技術的研究以及相關儀表研發提供技術思路。

參考文獻[佟1]

[1]劉卓文.鋁合金超聲鑄造波導桿設計與實驗[D].長沙：中南大學，2012.

[2]林書玉.彎曲振動壓電陶瓷換能器[J].壓電與聲光.1994，16（5）：27-30.

[3]朱繼洲，奚樹人，單建強.核反應堆安全分析[M].西安：西安交通大學出版社，2004：300-303.

[4]閻昌琪.核反應堆工程[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2014：22-23.

[5]袁易全.近代超聲原理及應用[M].南京：南京大學出版社，1996.

[6]Lawrence.Lynnworth.Extensional Bundle Waveguide Techniques for Measuring Flow of Hot Fluids[J].IEEE，2005，52（4）：538-544.[林2]

[7]劉宇，楊錄.Ni-Cr合金超聲導波溫度傳感器的設計[J].電子測量技術，2020，43（2）：158-161.

[8]何存富，鄭明方，呂炎等.超聲導波檢測技術的發展應用與挑戰[J].儀器儀表學報.2016，37（8）：1713-1735.

[9]蘇世雄.超聲導波測溫關鍵技術研究與實現[D].太原：中北大學，2018.

[10] Ke W， Chien H T， Elmer T W， et al. Development of ultrasonic waveguide techniques for under-sodium viewing[J].NDT & International，2012（49）： 71-76.

[11] Y-S Joo， J.-H Lee.Ultrasonic Waveguide Sensor Using a Leaky Lamb Wave for Under-Sodium Viewing，Review of Progress in QNDE[J].American Institute of Physics，2010，28（29）1013-1020.

[12]JW Griffin.Under-Sodium Viewing： A Review of Ultrasonic Imaging Technology for Liquid Metal Fast Reactors[M].Pacific Northwest National Laboratory，2009，PNNL-18292.[林4]

[13]C.-K.*.Experimental evaluation of clad metallic buffer rods for high temperature ultrasonic measurements[J].NDT&E International 2000，33：145-153.

[14]袁天戈，楊建偉，劉銥.適用于鈉冷快堆檢測的超聲波導桿仿真研究[J].科技視界，2018（8）：114- 117.[林6]

[15] ????? Hoe-Woong Kim.Ultrasonic Imaging in Hot Liquid Sodium Using a Plate-Type Ultrasonic Waveguide Sensor[J].Springer，2014，33：676–683.

[16]Rymantas.High Temperature Ultrasonic Transducers： A Review[J].Sensors，2021（21）：1-33.[林8]

[17]Zuoyu Liao.Characteristics of high-temperature equipment monitoring using dry coupled ultrasonic waveguide transducers[J].Ultrasonics，2020（108）：1-8.

作者簡介：靳海賓（1994—），男，碩士，研究方向為核能科學與工程。

3219500589238