一、引言

核工業(yè)運行環(huán)境具有高溫高壓、強輻射、介質(zhì)腐蝕性強等顯著特征，溫度參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測直接關(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)施的安全等級與運行效率。隨著三代核電“華龍一號”、四代核電高溫氣冷堆等技術(shù)的發(fā)展，對溫度傳感器的環(huán)境適應(yīng)性、測量精度及壽命穩(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)用場景，結(jié)合最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國產(chǎn)化實踐，深入解析其技術(shù)要點與應(yīng)用邏輯，為行業(yè)技術(shù)人員及采購從業(yè)者提供專業(yè)參考。

二、核工業(yè)對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（安全重要級）、SR級（嚴(yán)重事故級）、NC級（非安全重要級）三類，其中1E級產(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》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)保分級要求

安全分級直接決定傳感器的設(shè)計與驗證標(biāo)準(zhǔn)：1E級傳感器用于反應(yīng)堆安全系統(tǒng)，需執(zhí)行安全保護(hù)功能，其質(zhì)保等級為Q1級，抗震類別為I類，鑒定等級需滿足K1/K2/K3級（分別對應(yīng)正常運行、中等事故、嚴(yán)重事故工況）。制造商必須具備國家核安全局核發(fā)的民用核安全設(shè)備設(shè)計/制造許可證，且需建立符合ISO 9001的核行業(yè)專項質(zhì)保體系。在設(shè)計階段需完成故障模式分析（FMEA），確保單一故障不會導(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、試驗報告等。

（二）極端環(huán)境耐受能力要求

1. 耐輻照性能：1E級傳感器需耐受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，需通過鈷-60輻照試驗驗證，輻照后絕緣電阻下降幅度不超過50%，測量誤差變化量≤±0.5℃。

2. 耐高溫高壓性能：根據(jù)應(yīng)用場景不同，溫度測量范圍覆蓋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（RTD），工作溫度范圍為0℃~600℃，需在35MPa、350℃工況下穩(wěn)定運行。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：需通過熱沖擊、振動、電磁兼容等試驗驗證。熱沖擊試驗要求在-40℃~350℃范圍內(nèi)循環(huán)25次，傳感器性能無明顯漂移；振動試驗需在10Hz~5000Hz頻率范圍、5g峰值加速度條件下，沿兩個軸線方向各測試2小時，無短路、開路現(xiàn)象。

（三）精度與響應(yīng)特性要求

1. 測量精度：鉑電阻溫度計需滿足A級或B級精度要求，A級允差為±(0.15+0.002|t|)℃，B級為±(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級允差在0℃~400℃范圍內(nèi)為±1.5℃。

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

（四）結(jié)構(gòu)與材料要求

核級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)械強度和抗振動能力。絕緣材料選用99.4%以上純度的電熔氧化鎂，壓實密度≥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)，密封面需通過氦質(zhì)譜檢漏，漏率≤1×10??Pa·m3/s。對于設(shè)計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，便于運維更換。

（五）鑒定與驗證要求

所有核級溫度傳感器需通過全項鑒定試驗驗證，1E級產(chǎn)品至少包含電磁兼容性試驗、振動試驗、熱循環(huán)試驗、輻照試驗、抗震試驗及LOCA（失水事故）試驗。LOCA試驗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小時后，性能仍需滿足設(shè)計要求。鑒定試驗樣品需從同批次產(chǎn)品中隨機(jī)抽取10%（不少于3支），試驗流程需符合GB/T 25838-2010《核電廠安全級電阻溫度探測器的質(zhì)量鑒定》要求，試驗報告需提交用戶及核安全監(jiān)管部門審核。

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)工況特點選用不同類型的溫度傳感器。

（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、空間狹小的特點，溫度測量直接用于反應(yīng)堆功率控制和燃料包殼過熱防護(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。其中燃料組件內(nèi)部測溫采用外徑1.0mm～2.0mm的細(xì)鎧裝熱電偶，響應(yīng)時間＜1s，可實時監(jiān)測燃料棒表面溫度，防止超過設(shè)計限值導(dǎo)致包殼破損；堆芯上下板溫度測量選用帶耐磨套管的鉑電阻溫度計，耐受600℃高溫和強輻射環(huán)境，為堆芯熱工特性分析提供數(shù)據(jù)支撐。目前國產(chǎn)化的堆芯出口溫度測量鎧裝熱電偶已在“華龍一號”等項目中應(yīng)用，通過了核環(huán)境質(zhì)量鑒定試驗。

（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），溫度測量用于冷卻劑溫度控制和設(shè)備熱工性能驗證。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級鉑電阻溫度計和耐高壓熱電偶。壓力容器壁溫測量采用表面式熱電偶，通過特殊粘貼工藝固定，監(jiān)測容器殼體溫度分布，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量采用插入式鉑電阻溫度計（A級精度），實時反饋冷卻劑溫度，為反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)提供核心參數(shù)；蒸汽發(fā)生器管板溫度測量選用抗振動鎧裝熱電偶，監(jiān)測傳熱效率，避免管板溫差過大產(chǎn)生裂紋。川儀股份的主管道快響應(yīng)鉑電阻溫度計已應(yīng)用于石島灣高溫氣冷堆等四代核電項目。

（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)，溫度測量主要用于事故后環(huán)境監(jiān)測和泄漏預(yù)警。應(yīng)用設(shè)備包括安全殼大氣監(jiān)測裝置、應(yīng)急冷卻管道、噴淋系統(tǒng)，選用耐輻照鉑電阻溫度計和無線溫度傳感器。正常運行時監(jiān)測安全殼內(nèi)大氣溫度，維持在40℃以下；發(fā)生失水事故（LOCA）時，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)啟動提供溫度觸發(fā)信號?？紤]到安全殼完整性要求，該環(huán)節(jié)逐步推廣無線溫度傳感器，減少貫穿件數(shù)量，降低泄漏風(fēng)險。

（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，溫度測量用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警，工況相對溫和，但對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和普通鎧裝熱電偶。主泵軸承溫度測量采用埋入式鉑電阻溫度計，監(jiān)測軸承運行溫度，防止過熱導(dǎo)致軸承失效；發(fā)電機(jī)定子繞組溫度測量選用嵌入式熱電偶，實時監(jiān)測繞組溫升，避免絕緣材料老化；變壓器油溫測量選用防爆型鉑電阻溫度計，結(jié)合油位監(jiān)測，保障變壓器安全運行。此類傳感器雖多為NC級，但需通過抗震試驗驗證，適應(yīng)核電廠的振動環(huán)境。

（五）嚴(yán)重事故工況：堆腔熔融物與氫氣濃度監(jiān)測輔助

針對嚴(yán)重事故場景，需配備SR級溫度傳感器，用于堆腔熔融物溫度監(jiān)測和氫氣濃度監(jiān)測輔助。選用嚴(yán)重事故堆腔熔融物測溫鎧裝熱電偶，可耐受1100℃以上高溫，在堆芯熔融物下落至堆腔時，實時監(jiān)測溫度變化，為事故處置決策提供數(shù)據(jù)；氫氣濃度監(jiān)測用鎧裝熱電偶則通過溫度補償提升氫氣濃度測量精度，防止氫氣積聚引發(fā)爆炸。重材院研制的嚴(yán)重事故專用熱電偶已在中子散裂源項目中獲得應(yīng)用。

四、結(jié)語

核級溫度傳感器的技術(shù)要求源于核工業(yè)極端運行環(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)已實現(xiàn)部分核級溫度傳感器的國產(chǎn)化突破，產(chǎn)品通過了最新國家標(biāo)準(zhǔn)的鑒定驗證，應(yīng)用于“華龍一號”、高溫氣冷堆等重點項目。

審核編輯 黃宇