核工业核级温度传感器核心技术要求与应用实践

一、引言

核工业运行环境具有高温高压、强辐射、介质腐蚀性强等显著特征，温度参数的精准监测直接关系到反应堆安全控制、设备寿命保障及事故预警处置。核级温度传感器作为感知温度变化的“神经末梢”，其性能可靠性直接影响核设施的安全等级与运行效率。随着三代核电“华龙一号”、四代核电高温气冷堆等技术的发展，对温度传感器的环境适应性、测量精度及寿命稳定性提出了更高要求。本文聚焦核工业温度传感器的核心技术规范与典型应用场景，结合最新行业标准与国产化实践，深入解析其技术要点与应用逻辑，为行业技术人员及采购从业者提供专业参考。

二、核工业对温度传感器的核心技术要求

核工业根据温度传感器的安全功能权重，将其分为1E级（安全重要级）、SR级（严重事故级）、NC级（非安全重要级）三类，其中1E级产品需满足最高安全标准。结合GB/T 12789.1-2025《核反应堆仪表准则 第1部分：一般原则》及NB/T 20375-2016《核电厂安全重要热电偶温度计》等标准要求，核心技术要求可归纳为以下五大维度。

（一）安全与质保分级要求

安全分级直接决定传感器的设计与验证标准：1E级传感器用于反应堆安全系统，需执行安全保护功能，其质保等级为Q1级，抗震类别为I类，鉴定等级需满足K1/K2/K3级（分别对应正常运行、中等事故、严重事故工况）。制造商必须具备国家核安全局核发的民用核安全设备设计/制造许可证，且需建立符合ISO 9001的核行业专项质保体系。在设计阶段需完成故障模式分析（FMEA），确保单一故障不会导致安全功能丧失；全生命周期需保留完整的质量追溯文档，包括材料合格证、工艺记录、试验报告等。

（二）极端环境耐受能力要求

1. 耐辐照性能：1E级传感器需耐受10⁶Gy以上的γ辐射剂量，绝缘材料中硼、镉总含量需≤30ppm，避免中子吸收引发材料性能劣化。堆芯及严重事故工况用传感器，需通过钴-60辐照试验验证，辐照后绝缘电阻下降幅度不超过50%，测量误差变化量≤±0.5℃。

2. 耐高温高压性能：根据应用场景不同，温度测量范围覆盖0℃~1100℃，主回路传感器需耐受35MPa以上压力。其中堆芯燃料组件测温用铠装热电偶，最高工作温度可达1100℃；主冷却剂回路用铂电阻温度计（RTD），工作温度范围为0℃~600℃，需在35MPa、350℃工况下稳定运行。传感器壳体采用316L、Z2CN18-10等奥氏体不锈钢，在硼酸冷却剂环境中年腐蚀率＜0.1mm。

3. 抗恶劣工况能力：需通过热冲击、振动、电磁兼容等试验验证。热冲击试验要求在-40℃~350℃范围内循环25次，传感器性能无明显漂移；振动试验需在10Hz~5000Hz频率范围、5g峰值加速度条件下，沿两个轴线方向各测试2小时，无短路、开路现象。

（三）精度与响应特性要求

1. 测量精度：铂电阻温度计需满足A级或B级精度要求，A级允差为±(0.15+0.002|t|)℃，B级为±(0.30+0.005|t|)℃；热电偶优先选用K型或N型，精度符合GB/T 16839.2要求，I级允差在0℃~400℃范围内为±1.5℃。

2. 响应时间：根据测量场景分为快响应（＜1s）、中响应（1~5s）、慢响应（＜60s）三类。堆芯燃料温度测量需选用快响应热电偶，不带套管型响应时间≤3s；主回路冷却剂温度测量用带套管传感器，响应时间≤20s。响应时间试验需在流速1m/s的流体介质中完成，阶跃温度变化后，输出信号达到稳定值63.2%的时间为判定依据。

（四）结构与材料要求

核级温度传感器普遍采用铠装结构，外径范围为1.0mm～8.0mm，具备良好的机械强度和抗振动能力。绝缘材料选用99.4%以上纯度的电熔氧化镁，压实密度≥2500mg/cm³，确保高温下绝缘性能稳定。连接件采用焊接密封结构，密封面需通过氦质谱检漏，漏率≤1×10⁻⁹Pa·m³/s。对于设计寿命小于核电厂寿期的传感器，需采用可更换式结构设计，便于运维更换。

（五）鉴定与验证要求

所有核级温度传感器需通过全项鉴定试验验证，1E级产品至少包含电磁兼容性试验、振动试验、热循环试验、辐照试验、抗震试验及LOCA（失水事故）试验。LOCA试验需模拟事故工况下的高温蒸汽环境，传感器在170℃、8MPa蒸汽中持续4小时后，性能仍需满足设计要求。鉴定试验样品需从同批次产品中随机抽取10%（不少于3支），试验流程需符合GB/T 25838-2010《核电厂安全级电阻温度探测器的质量鉴定》要求，试验报告需提交用户及核安全监管部门审核。

三、核工业温度传感器的主要应用设备与环节

核级温度传感器广泛应用于核岛、常规岛及辅助系统的关键设备，按功能可分为反应堆核心区、主回路系统、安全壳系统、常规岛及辅助设备四大应用环节，各环节根据工况特点选用不同类型的温度传感器。

（一）反应堆核心区：堆芯燃料组件与堆芯上下板

该环节是核反应发生的核心区域，具有温度高、辐射强、空间狭小的特点，温度测量直接用于反应堆功率控制和燃料包壳过热防护。主要应用设备为燃料组件、堆芯上板、堆芯下板，选用K型/N型铠装热电偶和快响应铂电阻温度计。其中燃料组件内部测温采用外径1.0mm～2.0mm的细铠装热电偶，响应时间＜1s，可实时监测燃料棒表面温度，防止超过设计限值导致包壳破损；堆芯上下板温度测量选用带耐磨套管的铂电阻温度计，耐受600℃高温和强辐射环境，为堆芯热工特性分析提供数据支撑。目前国产化的堆芯出口温度测量铠装热电偶已在“华龙一号”等项目中应用，通过了核环境质量鉴定试验。

（二）主回路系统：压力容器、主管道与蒸汽发生器

主回路系统是核电厂的“血液循环系统”，负责冷却剂的循环输送，工况为高温高压（350℃、35MPa），温度测量用于冷却剂温度控制和设备热工性能验证。关键应用设备包括压力容器、主管道、蒸汽发生器、主泵等，选用1E级铂电阻温度计和耐高压热电偶。压力容器壁温测量采用表面式热电偶，通过特殊粘贴工艺固定，监测容器壳体温度分布，防止热应力不均导致结构损伤；主管道冷却剂温度测量采用插入式铂电阻温度计（A级精度），实时反馈冷却剂温度，为反应堆功率调节提供核心参数；蒸汽发生器管板温度测量选用抗振动铠装热电偶，监测传热效率，避免管板温差过大产生裂纹。川仪股份的主管道快响应铂电阻温度计已应用于石岛湾高温气冷堆等四代核电项目。

（三）安全壳系统：安全壳大气与应急冷却管道

安全壳是核电厂的最后一道安全屏障，用于包容事故状态下的放射性物质，温度测量主要用于事故后环境监测和泄漏预警。应用设备包括安全壳大气监测装置、应急冷却管道、喷淋系统，选用耐辐照铂电阻温度计和无线温度传感器。正常运行时监测安全壳内大气温度，维持在40℃以下；发生失水事故（LOCA）时，应急冷却管道温度骤升，传感器需在170℃、8MPa蒸汽环境下稳定工作，为喷淋系统启动提供温度触发信号。考虑到安全壳完整性要求，该环节逐步推广无线温度传感器，减少贯穿件数量，降低泄漏风险。

（四）常规岛及辅助设备：主泵轴承、发电机与变压器

该环节主要负责核能向电能的转换，温度测量用于设备状态监测和故障预警，工况相对温和，但对传感器的可靠性和抗震性有一定要求。应用设备包括主泵、发电机、变压器、给水泵等，选用抗震型铂电阻温度计和普通铠装热电偶。主泵轴承温度测量采用埋入式铂电阻温度计，监测轴承运行温度，防止过热导致轴承失效；发电机定子绕组温度测量选用嵌入式热电偶，实时监测绕组温升，避免绝缘材料老化；变压器油温测量选用防爆型铂电阻温度计，结合油位监测，保障变压器安全运行。此类传感器虽多为NC级，但需通过抗震试验验证，适应核电厂的振动环境。

（五）严重事故工况：堆腔熔融物与氢气浓度监测辅助

针对严重事故场景，需配备SR级温度传感器，用于堆腔熔融物温度监测和氢气浓度监测辅助。选用严重事故堆腔熔融物测温铠装热电偶，可耐受1100℃以上高温，在堆芯熔融物下落至堆腔时，实时监测温度变化，为事故处置决策提供数据；氢气浓度监测用铠装热电偶则通过温度补偿提升氢气浓度测量精度，防止氢气积聚引发爆炸。重材院研制的严重事故专用热电偶已在中子散裂源项目中获得应用。

四、结语

核级温度传感器的技术要求源于核工业极端运行环境与严格安全标准，其应用覆盖核电厂从核心反应到能量转换的全流程关键环节。随着核电国产化进程的推进，以中核西仪、川仪股份、重材院、晨穹电子为代表的企业已实现部分核级温度传感器的国产化突破，产品通过了最新国家标准的鉴定验证，应用于“华龙一号”、高温气冷堆等重点项目。

审核编辑 黄宇