福島核事故后，在**核安全局、能源局等5大部委聯(lián)合下發(fā)的《核安全與放射性污染防治“十二五”規劃及2020年遠景目標》的基本原則中提出了“預防為主，縱深防御”和“依靠科技、持續改進(jìn)”兩項基本原則，并在重點(diǎn)任務(wù)中提出了需要增強乏燃料水池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“乏池”）的補水和監測能力。2012年，**核安全局提出了《福島核事故后核電廠(chǎng)改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“改進(jìn)要求”），明確定義“乏池監測”應針對各種工況下的乏池參數（如溫度、液位、放射性水平等）進(jìn)行監測，以獲取事故后乏燃料水池的信息，并要求考慮喪失廠(chǎng)外電和應急柴油機供電情況下對液位和溫度測量的供電。

1、液位計選型

目前工業(yè)領(lǐng)域已被成熟應用的水位測量的技術(shù)方式有壓差式、電接點(diǎn)式、熱效應式、非接觸式等多種原理型式。然而對于核電站已經(jīng)運營(yíng)的機組，由于乏池中已充滿(mǎn)冷卻水并儲存有乏燃料，故水池中的水不能排空，水池中輻射劑量較大，因此對于壓差式、電接點(diǎn)式、熱效應式等接觸式液位計，現場(chǎng)無(wú)法提供安裝條件，故無(wú)法應用。

目前新型的非接觸式液位計超聲波及雷達液位計得到廣泛應用。其測量原理是通過(guò)發(fā)射一束波束到液面并接收從液面反射回來(lái)的該波束，通過(guò)檢測該波束往返所需的時(shí)間來(lái)確定液體的液位。超聲波是機械波，因聲波要靠振動(dòng)發(fā)聲，環(huán)境壓力大時(shí)發(fā)聲部件受影響；且其傳播速度與傳播媒介的狀態(tài)密切相關(guān)，故受影響的條件（溫度、壓力等）較多；另外超聲波頻率一般為幾萬(wàn)赫茲，故其穿透能力差，在信號傳輸過(guò)程中，衰減較大；此外超聲波發(fā)射器不能耐受高溫。雷達液位計發(fā)射的是電磁波，頻率一般在6G～26GHz之間，波速與環(huán)境溫度、煙霧、壓力等沒(méi)有關(guān)系，傳播速度始終為光速。

因此兩者主要區別有：

1）超聲波液位計精度不如雷達。

2）超聲波液位計不能應用于真空、蒸汽含量過(guò)高或液面有泡沫等工況，而電磁波可以滿(mǎn)足很多種狀態(tài)下測量，外部環(huán)境（霧氣等）不會(huì )影響被測物體的測量范圍和精度；

3）雷達液位計測量范圍要比超聲波大很多，方式多樣，相對超聲波能夠應用于更復雜的工況。

2、調頻連續波FMCW

應用頻差原理如圖2所示。雷達天線(xiàn)發(fā)射的雷達波是被調制成圍繞基本工作頻率、以固定速率連續變化的GHz級的高頻信號。雷達信號被液體表面反射后，天線(xiàn)接收回波，由于雷達波頻率按固定規律變化，使回波與發(fā)射波的頻率不同，從而形成頻率差△f ?！鱢與發(fā)射天線(xiàn)到液面的距離H成正比。這種調頻信號能有效地提高信噪比，并獲得更高的精度。

如果設定雷達波發(fā)射頻率**間線(xiàn)性增加，增加的斜率為k，當遇到液面發(fā)生反射時(shí)，反射回來(lái)的信號比發(fā)射信號滯后了一定時(shí)間t。根據電磁波傳播原理可知：t=2R/C （6）

式中：

C為微波在空間中的傳播速度；

R為液面距雷達液位儀的距離。

信號反射頻率與發(fā)射頻率間的差頻為：△f =kt （7）

將以上兩式合并后可以得到：R=C*f/2k （8）

因此R與△f是成正比的，故反射液面離雷達天線(xiàn)的距離越遠，則所產(chǎn)生的差頻頻率△f越大，由此可計算天線(xiàn)到反射面的距離。

3、適用性評價(jià)

運行核電廠(chǎng)的乏燃料水池在正常情況下，由于儲存有乏燃料時(shí)，水位均保持在安全高度狀態(tài)，同時(shí)也為操作人員提供良好的生物防護。由于恐怖襲擊、自然災害、系統本身故障、衰變熱等原因使得乏池水溫升高、水位下降，可能導致乏燃料組件裸露甚至熔化等事故的發(fā)生。為保證乏燃料的正常冷卻和及時(shí)采取相應措施，乏池中水位必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。

乏燃料儲存水池位于核電站燃料廠(chǎng)房?jì)?，燃料廠(chǎng)房用于燃料裝卸、運輸、貯存系統（PMC）的設備布置及操作，同時(shí)也用于反應堆換料水池和乏池冷卻和處理系統（PTR）、燃料廠(chǎng)房通風(fēng)系統（DVK）的布置。乏燃料儲存水池所在的房間為輻射控制區，在燃料廠(chǎng)房區域的+7.50m至+20.OOm標高處，水池所處的燃料廠(chǎng)房長(cháng)50m左右、寬24m、屋頂*高為38.5m，距池水表面0.5m處的劑量率≤0.5μSv/h，因此離乏燃料池水表面更高處的輻照劑量率會(huì )更低，接近于天然本底輻照劑量率，因此可通過(guò)在水池上部的廠(chǎng)房頂部加裝一個(gè)安裝平臺，其上安裝雷達液位計以實(shí)現對乏池的水位測量。

乏池液位在19.3m時(shí)為其液位低報警，正常運行期間提示正常補水；19.55m時(shí)液位高報警，停止所有補水操作。因此其液位高度固定，處于室內，也不會(huì )出現由于風(fēng)吹而產(chǎn)生液位波動(dòng)的情況，因此基本不會(huì )出現由于液位大幅增加、而產(chǎn)生雷達波發(fā)射到接收的時(shí)間大幅變短、從而引起計時(shí)困難的情形，即利用脈沖-時(shí)間法測量精度不會(huì )產(chǎn)生大幅降低的情況。

由于核電站乏燃料廠(chǎng)房很少有人進(jìn)入，在雷達液位計電磁波波束所輻射的范圍內或其周?chē)?，鮮少出現數字無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統等強磁干擾的設備。而核電站電氣室需要實(shí)時(shí)獲知乏池的液位信息，故需將液位計的探測部分（雷達表頭及天線(xiàn)部分）通過(guò)法蘭或者螺紋固定在乏池上方的安裝平臺上，并保證天線(xiàn)正下方無(wú)干擾物，而將液位計的電子部分（電源和信號）放置在電站電氣廠(chǎng)房?jì)?，設置專(zhuān)門(mén)的電氣柜進(jìn)行信號的顯示和遠傳（遠傳到控制室，以進(jìn)行乏燃料池水位的自動(dòng)控制），根據《改進(jìn)行動(dòng)要求》，液位計電源需設置冗余的兩路來(lái)源，一路由電站電力供應系統供電（正常情況下），另一路連接于電站的備用電源或可替代電池，即應急供電系統（事故情況下）。綜上，采用二線(xiàn)制的24VDC供電的雷達脈沖波技術(shù)的液位計，具有功耗低、易實(shí)現且安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

4、結論

雖然液位計的類(lèi)型較多，但通過(guò)比較分析可知，能適用于已運行核電廠(chǎng)乏燃料水池液位測量的類(lèi)型卻不多。由于雷達液位計具有非接觸測量?jì)?yōu)勢，通過(guò)相關(guān)技術(shù)及安裝措施改進(jìn)，可在非放射性/放射性工況下可靠性的應用，因此可推動(dòng)雷達液位測量?jì)x表在核電站特殊場(chǎng)所中的使用。