一、引言

核工業(yè)運(yùn)行環(huán)境具有高溫高壓、強(qiáng)輻射、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)等顯著特征，溫度參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)直接關(guān)系到反應(yīng)堆安全控制、設(shè)備壽命保障及事故預(yù)警處置。核級(jí)溫度傳感器作為感知溫度變化的“神經(jīng)末梢”，其性能可靠性直接影響核設(shè)施的安全等級(jí)與運(yùn)行效率。隨著三代核電“華龍一號(hào)”、四代核電高溫氣冷堆等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度傳感器的環(huán)境適應(yīng)性、測(cè)量精度及壽命穩(wěn)定性提出了更高要求。本文聚焦核工業(yè)溫度傳感器的核心技術(shù)規(guī)范與典型應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)產(chǎn)化實(shí)踐，深入解析其技術(shù)要點(diǎn)與應(yīng)用邏輯，為行業(yè)技術(shù)人員及采購(gòu)從業(yè)者提供專(zhuān)業(yè)參考。

二、核工業(yè)對(duì)溫度傳感器的核心技術(shù)要求

核工業(yè)根據(jù)溫度傳感器的安全功能權(quán)重，將其分為1E級(jí)（安全重要級(jí)）、SR級(jí)（嚴(yán)重事故級(jí)）、NC級(jí)（非安全重要級(jí)）三類(lèi)，其中1E級(jí)產(chǎn)品需滿足最高安全標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合GB/T 12789.1-2025《核反應(yīng)堆儀表準(zhǔn)則 第1部分：一般原則》及NB/T 20375-2016《核電廠安全重要熱電偶溫度計(jì)》等標(biāo)準(zhǔn)要求，核心技術(shù)要求可歸納為以下五大維度。

（一）安全與質(zhì)保分級(jí)要求

安全分級(jí)直接決定傳感器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)：1E級(jí)傳感器用于反應(yīng)堆安全系統(tǒng)，需執(zhí)行安全保護(hù)功能，其質(zhì)保等級(jí)為Q1級(jí)，抗震類(lèi)別為I類(lèi)，鑒定等級(jí)需滿足K1/K2/K3級(jí)（分別對(duì)應(yīng)正常運(yùn)行、中等事故、嚴(yán)重事故工況）。制造商必須具備國(guó)家核安全局核發(fā)的民用核安全設(shè)備設(shè)計(jì)/制造許可證，且需建立符合ISO 9001的核行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)質(zhì)保體系。在設(shè)計(jì)階段需完成故障模式分析（FMEA），確保單一故障不會(huì)導(dǎo)致安全功能喪失；全生命周期需保留完整的質(zhì)量追溯文檔，包括材料合格證、工藝記錄、試驗(yàn)報(bào)告等。

（二）極端環(huán)境耐受能力要求

1. 耐輻照性能：1E級(jí)傳感器需耐受10?Gy以上的γ輻射劑量，絕緣材料中硼、鎘總含量需≤30ppm，避免中子吸收引發(fā)材料性能劣化。堆芯及嚴(yán)重事故工況用傳感器，需通過(guò)鈷-60輻照試驗(yàn)驗(yàn)證，輻照后絕緣電阻下降幅度不超過(guò)50%，測(cè)量誤差變化量≤±0.5℃。

2. 耐高溫高壓性能：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，溫度測(cè)量范圍覆蓋0℃~1100℃，主回路傳感器需耐受35MPa以上壓力。其中堆芯燃料組件測(cè)溫用鎧裝熱電偶，最高工作溫度可達(dá)1100℃；主冷卻劑回路用鉑電阻溫度計(jì)（RTD），工作溫度范圍為0℃~600℃，需在35MPa、350℃工況下穩(wěn)定運(yùn)行。傳感器殼體采用316L、Z2CN18-10等奧氏體不銹鋼，在硼酸冷卻劑環(huán)境中年腐蝕率＜0.1mm。

3. 抗惡劣工況能力：需通過(guò)熱沖擊、振動(dòng)、電磁兼容等試驗(yàn)驗(yàn)證。熱沖擊試驗(yàn)要求在-40℃~350℃范圍內(nèi)循環(huán)25次，傳感器性能無(wú)明顯漂移；振動(dòng)試驗(yàn)需在10Hz~5000Hz頻率范圍、5g峰值加速度條件下，沿兩個(gè)軸線方向各測(cè)試2小時(shí)，無(wú)短路、開(kāi)路現(xiàn)象。

（三）精度與響應(yīng)特性要求

1. 測(cè)量精度：鉑電阻溫度計(jì)需滿足A級(jí)或B級(jí)精度要求，A級(jí)允差為±(0.15+0.002|t|)℃，B級(jí)為±(0.30+0.005|t|)℃；熱電偶優(yōu)先選用K型或N型，精度符合GB/T 16839.2要求，I級(jí)允差在0℃~400℃范圍內(nèi)為±1.5℃。

2. 響應(yīng)時(shí)間：根據(jù)測(cè)量場(chǎng)景分為快響應(yīng)（＜1s）、中響應(yīng)（1~5s）、慢響應(yīng)（＜60s）三類(lèi)。堆芯燃料溫度測(cè)量需選用快響應(yīng)熱電偶，不帶套管型響應(yīng)時(shí)間≤3s；主回路冷卻劑溫度測(cè)量用帶套管傳感器，響應(yīng)時(shí)間≤20s。響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)需在流速1m/s的流體介質(zhì)中完成，階躍溫度變化后，輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值63.2%的時(shí)間為判定依據(jù)。

（四）結(jié)構(gòu)與材料要求

核級(jí)溫度傳感器普遍采用鎧裝結(jié)構(gòu)，外徑范圍為1.0mm～8.0mm，具備良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗振動(dòng)能力。絕緣材料選用99.4%以上純度的電熔氧化鎂，壓實(shí)密度≥2500mg/cm3，確保高溫下絕緣性能穩(wěn)定。連接件采用焊接密封結(jié)構(gòu)，密封面需通過(guò)氦質(zhì)譜檢漏，漏率≤1×10??Pa·m3/s。對(duì)于設(shè)計(jì)壽命小于核電廠壽期的傳感器，需采用可更換式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于運(yùn)維更換。

（五）鑒定與驗(yàn)證要求

所有核級(jí)溫度傳感器需通過(guò)全項(xiàng)鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證，1E級(jí)產(chǎn)品至少包含電磁兼容性試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)、輻照試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)及LOCA（失水事故）試驗(yàn)。LOCA試驗(yàn)需模擬事故工況下的高溫蒸汽環(huán)境，傳感器在170℃、8MPa蒸汽中持續(xù)4小時(shí)后，性能仍需滿足設(shè)計(jì)要求。鑒定試驗(yàn)樣品需從同批次產(chǎn)品中隨機(jī)抽取10%（不少于3支），試驗(yàn)流程需符合GB/T 25838-2010《核電廠安全級(jí)電阻溫度探測(cè)器的質(zhì)量鑒定》要求，試驗(yàn)報(bào)告需提交用戶及核安全監(jiān)管部門(mén)審核。

三、核工業(yè)溫度傳感器的主要應(yīng)用設(shè)備與環(huán)節(jié)

核級(jí)溫度傳感器廣泛應(yīng)用于核島、常規(guī)島及輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，按功能可分為反應(yīng)堆核心區(qū)、主回路系統(tǒng)、安全殼系統(tǒng)、常規(guī)島及輔助設(shè)備四大應(yīng)用環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)根據(jù)工況特點(diǎn)選用不同類(lèi)型的溫度傳感器。

（一）反應(yīng)堆核心區(qū)：堆芯燃料組件與堆芯上下板

該環(huán)節(jié)是核反應(yīng)發(fā)生的核心區(qū)域，具有溫度高、輻射強(qiáng)、空間狹小的特點(diǎn)，溫度測(cè)量直接用于反應(yīng)堆功率控制和燃料包殼過(guò)熱防護(hù)。主要應(yīng)用設(shè)備為燃料組件、堆芯上板、堆芯下板，選用K型/N型鎧裝熱電偶和快響應(yīng)鉑電阻溫度計(jì)。其中燃料組件內(nèi)部測(cè)溫采用外徑1.0mm～2.0mm的細(xì)鎧裝熱電偶，響應(yīng)時(shí)間＜1s，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料棒表面溫度，防止超過(guò)設(shè)計(jì)限值導(dǎo)致包殼破損；堆芯上下板溫度測(cè)量選用帶耐磨套管的鉑電阻溫度計(jì)，耐受600℃高溫和強(qiáng)輻射環(huán)境，為堆芯熱工特性分析提供數(shù)據(jù)支撐。目前國(guó)產(chǎn)化的堆芯出口溫度測(cè)量鎧裝熱電偶已在“華龍一號(hào)”等項(xiàng)目中應(yīng)用，通過(guò)了核環(huán)境質(zhì)量鑒定試驗(yàn)。

（二）主回路系統(tǒng)：壓力容器、主管道與蒸汽發(fā)生器

主回路系統(tǒng)是核電廠的“血液循環(huán)系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)冷卻劑的循環(huán)輸送，工況為高溫高壓（350℃、35MPa），溫度測(cè)量用于冷卻劑溫度控制和設(shè)備熱工性能驗(yàn)證。關(guān)鍵應(yīng)用設(shè)備包括壓力容器、主管道、蒸汽發(fā)生器、主泵等，選用1E級(jí)鉑電阻溫度計(jì)和耐高壓熱電偶。壓力容器壁溫測(cè)量采用表面式熱電偶，通過(guò)特殊粘貼工藝固定，監(jiān)測(cè)容器殼體溫度分布，防止熱應(yīng)力不均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷；主管道冷卻劑溫度測(cè)量采用插入式鉑電阻溫度計(jì)（A級(jí)精度），實(shí)時(shí)反饋冷卻劑溫度，為反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)提供核心參數(shù)；蒸汽發(fā)生器管板溫度測(cè)量選用抗振動(dòng)鎧裝熱電偶，監(jiān)測(cè)傳熱效率，避免管板溫差過(guò)大產(chǎn)生裂紋。川儀股份的主管道快響應(yīng)鉑電阻溫度計(jì)已應(yīng)用于石島灣高溫氣冷堆等四代核電項(xiàng)目。

（三）安全殼系統(tǒng)：安全殼大氣與應(yīng)急冷卻管道

安全殼是核電廠的最后一道安全屏障，用于包容事故狀態(tài)下的放射性物質(zhì)，溫度測(cè)量主要用于事故后環(huán)境監(jiān)測(cè)和泄漏預(yù)警。應(yīng)用設(shè)備包括安全殼大氣監(jiān)測(cè)裝置、應(yīng)急冷卻管道、噴淋系統(tǒng)，選用耐輻照鉑電阻溫度計(jì)和無(wú)線溫度傳感器。正常運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)安全殼內(nèi)大氣溫度，維持在40℃以下；發(fā)生失水事故（LOCA）時(shí)，應(yīng)急冷卻管道溫度驟升，傳感器需在170℃、8MPa蒸汽環(huán)境下穩(wěn)定工作，為噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)提供溫度觸發(fā)信號(hào)。考慮到安全殼完整性要求，該環(huán)節(jié)逐步推廣無(wú)線溫度傳感器，減少貫穿件數(shù)量，降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

（四）常規(guī)島及輔助設(shè)備：主泵軸承、發(fā)電機(jī)與變壓器

該環(huán)節(jié)主要負(fù)責(zé)核能向電能的轉(zhuǎn)換，溫度測(cè)量用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，工況相對(duì)溫和，但對(duì)傳感器的可靠性和抗震性有一定要求。應(yīng)用設(shè)備包括主泵、發(fā)電機(jī)、變壓器、給水泵等，選用抗震型鉑電阻溫度計(jì)和普通鎧裝熱電偶。主泵軸承溫度測(cè)量采用埋入式鉑電阻溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行溫度，防止過(guò)熱導(dǎo)致軸承失效；發(fā)電機(jī)定子繞組溫度測(cè)量選用嵌入式熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繞組溫升，避免絕緣材料老化；變壓器油溫測(cè)量選用防爆型鉑電阻溫度計(jì)，結(jié)合油位監(jiān)測(cè)，保障變壓器安全運(yùn)行。此類(lèi)傳感器雖多為NC級(jí)，但需通過(guò)抗震試驗(yàn)驗(yàn)證，適應(yīng)核電廠的振動(dòng)環(huán)境。

（五）嚴(yán)重事故工況：堆腔熔融物與氫氣濃度監(jiān)測(cè)輔助

針對(duì)嚴(yán)重事故場(chǎng)景，需配備SR級(jí)溫度傳感器，用于堆腔熔融物溫度監(jiān)測(cè)和氫氣濃度監(jiān)測(cè)輔助。選用嚴(yán)重事故堆腔熔融物測(cè)溫鎧裝熱電偶，可耐受1100℃以上高溫，在堆芯熔融物下落至堆腔時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，為事故處置決策提供數(shù)據(jù)；氫氣濃度監(jiān)測(cè)用鎧裝熱電偶則通過(guò)溫度補(bǔ)償提升氫氣濃度測(cè)量精度，防止氫氣積聚引發(fā)爆炸。重材院研制的嚴(yán)重事故專(zhuān)用熱電偶已在中子散裂源項(xiàng)目中獲得應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

核級(jí)溫度傳感器的技術(shù)要求源于核工業(yè)極端運(yùn)行環(huán)境與嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用覆蓋核電廠從核心反應(yīng)到能量轉(zhuǎn)換的全流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著核電國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的推進(jìn)，以中核西儀、川儀股份、重材院、晨穹電子為代表的企業(yè)已實(shí)現(xiàn)部分核級(jí)溫度傳感器的國(guó)產(chǎn)化突破，產(chǎn)品通過(guò)了最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的鑒定驗(yàn)證，應(yīng)用于“華龍一號(hào)”、高溫氣冷堆等重點(diǎn)項(xiàng)目。

審核編輯 黃宇