摘要：國(guó)內(nèi)核電裝機(jī)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，核電站構(gòu)筑物、熱力管道、核廢料存儲(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)對(duì)于核電安全生產(chǎn)意義重大。傳統(tǒng)熱電偶、熱電阻點(diǎn)式傳感器存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位離散、耐輻照性能差、壽命有限、高危區(qū)域維護(hù)困難等短板。分布式光纖傳感技術(shù)依托拉曼散射、布里淵散射物理效應(yīng)，以特種耐輻照光纖作為感知載體，具備本征無(wú)電、抗電磁干擾、抗核輻射、長(zhǎng)距離分布式連續(xù)測(cè)量、使用壽命長(zhǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、應(yīng)變多物理參量在線監(jiān)測(cè)。本文闡述分布式光纖DTS、BOTDR/BOTDA技術(shù)工作原理，對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的優(yōu)劣，分析光纖傳感在核廢料堆溫度監(jiān)測(cè)、高溫?zé)崃艿?、電纜廊道、混凝土安全殼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、冷卻水系統(tǒng)等場(chǎng)景的工程應(yīng)用，探討光纜選型、敷設(shè)工藝、系統(tǒng)部署關(guān)鍵要點(diǎn)，分析現(xiàn)階段技術(shù)局限，對(duì)光纖傳感在核電領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望，為核電站智能化安全監(jiān)測(cè)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感；核電站安全監(jiān)測(cè)；DTS；BOTDR；耐輻照光纜；核廢料溫度監(jiān)測(cè)；混凝土結(jié)構(gòu)健康

0 引言

雙碳目標(biāo)背景下，核電作為清潔低碳基荷電源，在我國(guó)新型電力系統(tǒng)當(dāng)中地位持續(xù)提升。核電安全是產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可逾越的底線。核電站系統(tǒng)龐大，包含反應(yīng)堆安全殼、蒸汽回路、核廢料儲(chǔ)存庫(kù)、電纜隧道、冷卻塔水工構(gòu)筑物等大量關(guān)鍵設(shè)施。在機(jī)組全服役周期內(nèi)，高溫、壓力、核輻射多重環(huán)境耦合作用下，設(shè)備與混凝土構(gòu)筑物會(huì)出現(xiàn)老化、過(guò)熱、應(yīng)力開(kāi)裂等缺陷，如果隱患不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重安全事故。

當(dāng)前核電站大量采用熱電偶、熱電阻點(diǎn)式測(cè)溫傳感器，配合人工巡檢開(kāi)展安全監(jiān)測(cè)。點(diǎn)式傳感器僅可以獲取離散測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)；電子元器件在輻射環(huán)境下易發(fā)生性能漂移，設(shè)備壽命遠(yuǎn)低于核電站40?60年設(shè)計(jì)服役年限，高危輻射區(qū)域傳感器更換作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。人工巡檢受時(shí)間、空間限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)測(cè)。因此行業(yè)迫切需要新型長(zhǎng)壽命、高可靠的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

分布式光纖傳感技術(shù)將光纖同時(shí)作為傳感介質(zhì)和信號(hào)傳輸介質(zhì)，依靠光的后向散射效應(yīng)完成物理量解調(diào)，感知端無(wú)任何有源電子器件。經(jīng)過(guò)耐輻照改性的特種傳感光纜，可適應(yīng)核輻射工況，能夠?qū)崿F(xiàn)沿光纖全線分布式溫度、應(yīng)變測(cè)量，近年來(lái)逐步在核電安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到關(guān)注與試點(diǎn)應(yīng)用。本文圍繞分布式光纖傳感技術(shù)原理，結(jié)合核電站各類(lèi)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，研究技術(shù)實(shí)施方案，剖析現(xiàn)存問(wèn)題，對(duì)該技術(shù)工程落地提供參考。

1 分布式光纖傳感基礎(chǔ)原理

光纖內(nèi)部入射脈沖激光會(huì)產(chǎn)生拉曼散射、布里淵散射等后向散射信號(hào)，基于不同散射效應(yīng)形成兩類(lèi)主流監(jiān)測(cè)設(shè)備。

拉曼散射屬于非彈性散射，散射光分為斯托克斯光與反斯托克斯光，反斯托克斯光光強(qiáng)對(duì)溫度高度敏感，通過(guò)二者光強(qiáng)比值解算沿線溫度，即為DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。該技術(shù)專門(mén)用于分布式溫度監(jiān)測(cè)，不受應(yīng)變干擾，多用于過(guò)熱、火災(zāi)預(yù)警場(chǎng)景。

布里淵散射同樣屬于非彈性散射，布里淵頻移同時(shí)和溫度、軸向應(yīng)變呈線性耦合關(guān)系?；谠撔?yīng)發(fā)展BOTDR、BOTDA技術(shù)，可以同步獲取光纖路徑上溫度和應(yīng)變信息，多用于結(jié)構(gòu)體形變、管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)；缺點(diǎn)為溫度?應(yīng)變耦合，工程需要采取補(bǔ)償手段分離兩類(lèi)物理量。

依托光時(shí)域反射OTDR原理，通過(guò)散射光返回解調(diào)主機(jī)的時(shí)間計(jì)算事件發(fā)生位置，實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)定位。普通石英光纖在高強(qiáng)度射線環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)光損耗增加，核電輻射區(qū)域需要選用專門(mén)耐輻照特種光纜，降低輻照帶來(lái)的光衰，保障長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性。

2 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段與光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案主要為點(diǎn)式電子傳感器與人工巡檢。點(diǎn)式傳感器優(yōu)勢(shì)是單點(diǎn)測(cè)量精度成熟；短板為測(cè)點(diǎn)離散，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)，耐輻射性能弱，使用壽命短，布線復(fù)雜，故障定位能力不足。人工巡檢可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)目視檢查，但無(wú)法做到24小時(shí)在線，高危區(qū)域人員可達(dá)性差。

分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)總結(jié)：

1）感知端無(wú)源本征安全，無(wú)電火花風(fēng)險(xiǎn)；

2）全線分布式連續(xù)測(cè)量，消除監(jiān)測(cè)盲區(qū)；

3）特種耐輻照光纜適配核輻射環(huán)境；

4）光纜本體壽命可達(dá)30年以上，匹配核電長(zhǎng)周期運(yùn)行；

5）米級(jí)空間定位，直接輸出異常空間位置；

6）長(zhǎng)距離傳輸，單套主機(jī)覆蓋數(shù)十公里；

7）支持接入DCS系統(tǒng)，適配核電自動(dòng)化體系。

局限性：特種耐輻照光纜采購(gòu)成本高于普通光纜；布里淵系統(tǒng)存在溫度?應(yīng)變耦合效應(yīng)，工程需要增加補(bǔ)償光纖；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光纜敷設(shè)工藝要求嚴(yán)格，彎折、擠壓會(huì)帶來(lái)額外光損耗，施工過(guò)程需要規(guī)范管控。

3 分布式光纖傳感核電站典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 核廢料儲(chǔ)存庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)

核廢料持續(xù)發(fā)生衰變釋放熱量，散熱系統(tǒng)失效將造成熱量堆積，是重大安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。DTS分布式測(cè)溫光纜敷設(shè)在廢料儲(chǔ)存桶周邊、庫(kù)體內(nèi)壁、通風(fēng)風(fēng)道，實(shí)現(xiàn)全域溫度分布式監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)設(shè)置多級(jí)溫度閾值，當(dāng)局部溫度異常升高立刻輸出報(bào)警，實(shí)現(xiàn)散熱故障早期預(yù)警。該場(chǎng)景需要選用耐輻照光纜，適應(yīng)廢料庫(kù)輻射環(huán)境。

3.2 高溫蒸汽二回路管道監(jiān)測(cè)

核電站二回路蒸汽管道長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行，保溫層脫落會(huì)造成局部過(guò)熱；焊縫位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、熱疲勞損傷。沿管道外壁敷設(shè)DTS測(cè)溫光纜，監(jiān)測(cè)外壁溫度分布，識(shí)別保溫失效局部過(guò)熱；搭配布里淵BOTDR傳感光纜獲取管道應(yīng)變分布，識(shí)別形變、焊縫應(yīng)力異常，做到早期缺陷識(shí)別，支撐設(shè)備預(yù)防性檢修。

3.3 電纜廊道火災(zāi)預(yù)警

核電站電纜數(shù)量巨大，電纜隧道空間密閉，電纜絕緣老化短路會(huì)引發(fā)過(guò)熱起火。將DTS測(cè)溫光纜沿橋架隨電纜并行敷設(shè)，連續(xù)監(jiān)測(cè)電纜全線溫度。在明火出現(xiàn)前捕捉局部過(guò)熱，提前輸出預(yù)警信號(hào)，防范電纜火災(zāi)事故，保障電氣系統(tǒng)安全。電纜隧道無(wú)強(qiáng)輻射，可采用普通傳感光纜。

3.4 反應(yīng)堆安全殼、冷卻塔混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

反應(yīng)堆安全殼、冷卻塔屬于核電站一級(jí)重要構(gòu)筑物?；炷猎跍囟?、壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力、開(kāi)裂等損傷。將布里淵傳感光纜預(yù)埋進(jìn)混凝土內(nèi)部或者粘貼于構(gòu)件表面，分布式采集結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)，掌握混凝土形變發(fā)展趨勢(shì)，提前識(shí)別開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估構(gòu)筑物健康狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.5 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

循環(huán)冷卻水是核電站關(guān)鍵安全屏障。冷卻水管道堵塞、換熱效率下降會(huì)威脅機(jī)組安全。DTS光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)管路溫度開(kāi)展分布式監(jiān)測(cè)，及時(shí)識(shí)別換熱異常情況。

4 工程實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

4.1 光纜選型

按照現(xiàn)場(chǎng)輻射劑量等級(jí)選型光纜。高輻射區(qū)域，選用耐γ輻照特種傳感光纜；非輻射的電纜隧道、常規(guī)島區(qū)域，采用普通石英傳感光纜。光纜護(hù)套材料需要耐高溫、耐水汽腐蝕，適配現(xiàn)場(chǎng)工況。

4.2 光纜敷設(shè)工藝

管道外壁敷設(shè)：采用耐高溫卡扣、不銹鋼壓片固定，光纜緊貼被測(cè)表面，保障熱傳導(dǎo)；避免硬彎折，控制光纜彎曲半徑。

混凝土結(jié)構(gòu)：優(yōu)先預(yù)埋，若后期改造采用表面粘貼固定工藝。

穿墻位置采用核電專用密封接頭，做好屏蔽接地，防止水汽、輻射泄漏。光纜走線避開(kāi)尖銳棱角，做好機(jī)械防護(hù)。

4.3 系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)對(duì)接

解調(diào)主機(jī)布置在安全機(jī)柜間，做好機(jī)柜散熱、電磁屏蔽。系統(tǒng)輸出標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)和核電站DCS、SIS監(jiān)控平臺(tái)對(duì)接，完成數(shù)據(jù)共享；配置本地存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程云訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)回溯。針對(duì)布里淵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，布設(shè)補(bǔ)償光纖，完成溫度?應(yīng)變解耦，保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4.4 標(biāo)定與運(yùn)維

項(xiàng)目完成之后開(kāi)展系統(tǒng)標(biāo)定，設(shè)置適配工況報(bào)警閾值；完成運(yùn)維人員培訓(xùn)。光纖系統(tǒng)雖然壽命長(zhǎng)，但也需要定期檢查光纜外觀、光損耗指標(biāo)，建立定期校驗(yàn)機(jī)制。

5 現(xiàn)存問(wèn)題與發(fā)展展望

現(xiàn)階段分布式光纖傳感在核電領(lǐng)域依然存在部分待解決問(wèn)題：高輻照環(huán)境下特種光纜成本較高；布里淵溫度?應(yīng)變耦合需要配套補(bǔ)償方案；核電行業(yè)相關(guān)專用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚在優(yōu)化。

展望未來(lái)，隨著特種光纜工藝迭代，硬件成本逐步下降；多參量一體化解調(diào)主機(jī)不斷成熟，結(jié)合數(shù)字孿生平臺(tái)，分布式光纖傳感會(huì)在核電站得到更加廣泛應(yīng)用。光纖傳感技術(shù)可以充分發(fā)揮長(zhǎng)壽命、本征安全優(yōu)勢(shì)，助力核電站從定期檢修向基于狀態(tài)的預(yù)防性維護(hù)轉(zhuǎn)型，提升核電智能化安全運(yùn)維水平。

6 結(jié)論

核電站的安全監(jiān)測(cè)是核電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重中之重。傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器、人工巡檢模式存在固有短板。分布式光纖傳感DTS、BOTDR/BOTDA技術(shù)憑借無(wú)源本征安全、抗輻射、分布式連續(xù)測(cè)量、長(zhǎng)壽命的突出優(yōu)勢(shì)，適配核廢料庫(kù)、高溫?zé)崃艿?、電纜廊道、混凝土構(gòu)筑物等多類(lèi)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。在工程實(shí)施中應(yīng)當(dāng)重視光纜選型、敷設(shè)工藝、系統(tǒng)標(biāo)定與解耦補(bǔ)償。隨著技術(shù)持續(xù)迭代，分布式光纖傳感技術(shù)將會(huì)成為核電站安全監(jiān)測(cè)重要技術(shù)手段，為我國(guó)核電安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王紹旭.耐輻照光纖傳感在核電領(lǐng)域應(yīng)用探討[J].光通信技術(shù),2024.

（全文4070字）

全套分類(lèi)關(guān)鍵詞

論文摘要直接關(guān)鍵詞

分布式光纖傳感；核電站安全監(jiān)測(cè)；DTS；BOTDR；BOTDA；耐輻照光纜；核廢料溫度監(jiān)測(cè)；混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

一、行業(yè)場(chǎng)景關(guān)鍵詞

核電站；核電廠；核島；常規(guī)島；核廢料儲(chǔ)存庫(kù)；反應(yīng)堆安全殼；蒸汽管道；二回路熱力管道；電纜廊道；冷卻塔；循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；核安全；核電運(yùn)維；預(yù)防性維護(hù)

二、技術(shù)原理類(lèi)

拉曼散射；布里淵散射；分布式光纖測(cè)溫；溫度?應(yīng)變耦合；光時(shí)域反射OTDR；后向散射光；斯托克斯光；反斯托克斯光；光纖解調(diào)主機(jī)

三、硬件設(shè)備類(lèi)

DTS分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)；BOTDR布里淵光時(shí)域反射；BOTDA布里淵光時(shí)域分析；耐輻照傳感光纜；特種核電光纜；光纖傳感主機(jī)；智能網(wǎng)關(guān)；核電DCS系統(tǒng)；SIS系統(tǒng)；數(shù)字孿生平臺(tái)

四、監(jiān)測(cè)物理量

分布式溫度監(jiān)測(cè)；分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)；管道過(guò)熱預(yù)警；混凝土開(kāi)裂監(jiān)測(cè)；高溫部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)；溫度閾值多級(jí)報(bào)警；隱患定位；全生命周期監(jiān)測(cè)

五、工程施工類(lèi)

光纜預(yù)埋；表面貼裝敷設(shè)；核電穿墻密封接頭；光纜耐輻照選型；屏蔽接地；光損耗檢測(cè)；系統(tǒng)標(biāo)定；溫度應(yīng)變解耦補(bǔ)償

六、痛點(diǎn)價(jià)值類(lèi)

本征安全防爆；抗核輻射；抗電磁干擾；無(wú)源傳感；消除監(jiān)測(cè)盲區(qū)；長(zhǎng)壽命；減少人工巡檢；高危區(qū)域監(jiān)測(cè)；事故早期預(yù)警

英文關(guān)鍵詞

Distributed optical fiber sensing；Nuclear power plant safety monitoring；DTS；BOTDR；radiation?resistant optical cable；nuclear waste temperature monitoring