面向核电极端环境的光纤分布式珐-珀声波传感技术研究

The damage and leakage of pressure pipelines and equipment in nuclear power loop are the important cause of serious nuclear accidents, and their early faults diagnosis and leakage location monitoring are extremely important for nuclear power system safety. Extreme environment including high radiation, high temperature, strong vibration, high pressure etc., leads to lack of effective monitoring means for a long time, which has become a long-term scientific and technical problem in the field of mechanical engineering testing. This project study on fiber-optic distributed Fabry-Perot acoustic sensing technology for completely monitoring of nuclear power first loop under the extreme environment. Around key scientific problems such as "performance stability and equalization of sensors", "contradiction between sensing capacity and broadband and high resolution". Around key scientific problems such as "performance stability and equalization of sensors", "contradiction between sensing capacity and broadband and high resolution". The key research points are as follows: (1) design and implementation of high temperature and high radiation resistant fiber distributed acoustic sensor; (2) Large capacity, wideband and high resolution demodulation method for sensing signals; (3) performance evaluation method of fiber distributed acoustic sensor system. Research goal is to realize high temperature (> 350 ℃), resistance to radiation (> 1 MGy), large capacity (>200), wide band (10Hz - 100 KHz), high resolution (0.01 n Ɛ at 1kHz) acoustic wave sensing system, to provide an effective technical approach for the fault diagnosis and leakage location of the pressure equipment and pipelines in the first loop of the nuclear power system.

核电一回路压力管道和设备的故障和泄漏是引发严重核事故的重要原因，早期故障诊断和泄漏定位对核电安全很重要，但由于涉及高辐射、高温、强振动、高压等极端环境，长期以来缺乏有效的监测手段,成为机械工程领域长期存在的科学技术难题。本项目立足研究适于核电极端环境一回路整体监测的光纤分布式珐-珀声波传感技术，围绕“传感性能稳定性和均衡性”、“传感容量与宽频带和高分辨率相互制约的矛盾”等关键科学问题，重点研究：（1）抗高辐射、耐高温光纤分布式声波传感器的设计与实现；（2）传感信号的大容量、宽频带、高分辨率解调方法；（3）光纤分布式声波传感系统性能评估方法。实现“耐高温（>350℃）、抗辐射（>1MGy）、大容量（>200）、宽频带（10Hz-100kHz）、高分辨率（0.01nƐ/√Hz@1kHz）”的光纤分布式珐珀声波传感系统，为核电一回路极端环境承压设备与管道的故障诊断与泄漏定位提供有效技术途径。

本项目的研究对核电一回路压力管道和设备的故障和泄漏定位提供了有效的监测手段，在核反应堆的安全运维方面具有重要的应用价值。项目立足于研究适于核电极端环境一回路整体监测的光纤分布式珐珀声波传感技术，按照项目计划的要求，取得了如下的研究成果和进展：.光纤分布式珐珀传感器优化设计方面：针对传感性能稳定性和均衡性的科学问题，通过光纤点式传感器研究了光纤抗辐照特性及其在辐照环境下力学、温度响应特性变化，结果表明使用抗辐照光纤可以保证传感器在高温（>350℃）、高辐射（>1MGy）环境下仍有良好传感性能。在其基础上，为实现分布式多点珐珀声波监测传感系统，提出了一种FBG-FP微结构阵列设计方法，并以理论设计为指导，进行了实验验证，将强核辐射环境对传感系统动态范围的需求降低了7.5dB，大幅提升光纤分布式珐珀声波监测系统可以在核反应堆辐照环境下的适应能力。.传感信号大容量宽频带解调方法方面：针对传感容量与宽频带相互制约的科学问题，基于弱反宽带光纤光栅串，设计搭建了光纤分布式珐珀高频探测系统，该系统对50Hz-200kHz范围内的振动信号均有较好的响应；基于弱反光栅对组成的FBG-FP微结构阵列传感器，完成了双波长正交解调的弱反光纤光栅对珐珀腔微结构阵列声波传感系统搭建，测试结果表明，系统具有良好的动态应变响应，能实现宽频带范围内的振动信号测量。.光纤分布式声波传感系统性能的评估方法方面：建立了光纤分布式珐珀声波传感系统实验室性能评估方法和泄露模拟测试装置，对系统进行了有效性能评估。搭建了一套管道泄漏模拟装置，结果表明声波传感系统对泄漏产生的0.001Hz-200kHz宽频以及单频信号都具有良好的响应。进一步系统将其应用到核反应堆监测现场，对核电高温高压管道进行了泄漏模拟测试，检测到了泄漏产生的高频声波信号。.通过项目研究，实现了“耐高温（>350℃）、抗辐射（>1MGy）、大容量（>200）、宽频带（0.001Hz-200kHz）、高分辨率（2pε/√Hz@1kHz）”的光纤分布式珐珀声波传感系统，为核电一回路极端环境承压设备与管道的故障诊断与泄漏定位提供有效技术途径。