引言：核安全壳监测的技术挑战与需求

核安全壳作为核电站防止放射性物质泄漏的最后一道实体屏障，其完整性直接关系到核设施的安全运行。根据中国核安全法规HAF00200和安全导则HAF0212要求，安全壳需满足严格的密封性和结构强度标准，包括日常泄漏率监测（限值5m³/h）、每10年一次的整体气压试验（设计压力0.42MPa）及强度试验（设计压力1.15倍）等核心指标。传统监测手段如点式传感器存在覆盖范围有限、电磁干扰敏感、布线复杂等局限，难以满足安全壳全生命周期监测的高精度、分布式需求。分布式光纤声纹解调技术（DAS）的出现，为解决这一难题提供了革命性的技术路径。

核电站

分布式光纤声纹解调技术原理与核心优势

技术原理：基于瑞利散射的分布式感知

分布式光纤声纹解调技术（DAS）通过激光脉冲与光纤中瑞利散射光的干涉效应实现振动信号的分布式检测。其工作机制包括三个关键环节：

1. 光脉冲发射与散射：激光器向光纤发射窄脉冲激光，部分光经光纤微观结构（杂质、密度波动）反向散射形成干涉光

2. 相位调制与信号传输：外界振动引起光纤轴向微应变，导致散射光相位变化，通过光速恒定特性实现扰动位置定位（空间分辨率可达1-5米）

3. 高速解调与分析：采用250MSPS以上采样率的ADC模块，结合相干探测与偏振补偿算法，将光信号转化为可量化的声纹振动数据

该技术本质上将单根光纤转化为"分布式麦克风阵列"，每米光纤均可作为独立传感点，实现长距离（数十公里）、高密度（数千点）的实时监测。

技术优势：核安全场景的适配性特征

核安全壳监测的关键应用场景

密封性实时监测系统

基于DAS技术的密封性监测可实现传统方法难以企及的动态监测能力：

• 泄漏声源定位：通过分析气体泄漏产生的湍流噪声（100-5000Hz特征频段），精确定位泄漏点，定位误差<3米

• 贯穿件状态评估：对人员气闸门（B类）、隔离阀（C类）等关键部件，通过监测其微振动模式变化，提前识别密封性能退化

• 日常与试验结合：在常规运行中提供连续监测，在A类密封性试验期间作为辅助手段，提升数据空间分辨率

某油田应用案例显示，DAS系统成功在2公里外识别轻微泄漏，该技术迁移至安全壳监测可实现泄漏率0.1%/24h级别的早期预警。

结构健康监测体系

DAS技术可构建安全壳结构的"数字孪生"监测网络：

• 预应力钢缆监测：通过附着式光纤监测钢缆张力变化（精度±0.1%），符合NB/T 20325.4-2018标准要求

• 混凝土应变分析：捕捉0.01%级微应变，识别穹顶、筒体的不均匀沉降

• 冲击事件定位：对内部设备坠落、管道破裂等突发冲击，实现毫秒级定位与强度评估

港珠澳大桥应用中，DAS系统实现0.1毫米级裂缝监测，该能力可直接应用于安全壳混凝土结构的微损伤识别。

事故应急响应支持

在设计基准事故（如失水事故）工况下，DAS系统可提供关键决策支持：

• 压力波传播监测：记录事故压力瞬变过程，为安全壳动态响应分析提供数据

• 喷淋系统运行评估：通过水流撞击声纹监测喷淋覆盖均匀性

• 人员定位与搜救：利用振动信号识别被困人员活动，辅助应急救援

实施路径与技术挑战

系统部署方案

核安全壳DAS监测系统需采用三级架构设计：

1. 传感层：采用耐辐射光纤（掺锗石英光纤，耐辐照剂量>1000kGy），沿安全壳内壁环形敷设+穹顶放射状敷设，形成立体监测网络

2.数据传输层：通过安全级光缆（符合IEEE 1687标准）将信号传输至安全级控制室

3.分析层：部署基于FPGA+GPU的实时处理单元，集成：振动信号时频分析模块（STFT、小波变换）、异常模式识别算法（CNN-LSTM混合模型）、与电厂DCS系统的数据接口

关键技术挑战

• 辐射硬化处理：需对激光光源、光电探测器等核心器件进行辐射加固，确保在100kGy累积剂量下性能衰减<20%

• 数据处理压力：250MSPS采样率产生的TB级日数据量，需采用边缘计算+云端协同架构实现智能压缩

• 多源干扰抑制：安全壳内泵组、风机等设备产生的背景噪声（80-120dB），需通过自适应滤波算法提取有效信号

未来展望：智能核安全监测体系

随着技术演进，DAS系统将向"感知-认知-决策"一体化方向发展：

• 多物理场融合监测：结合瑞利散射（振动）、拉曼散射（温度）、布里渊散射（应变），实现三参量同步监测

• 数字孪生交互：将实时监测数据注入安全壳数字模型，实现结构老化趋势预测与寿命评估

• 自主决策系统：通过强化学习算法，实现异常事件自动分级（预警/报警/紧急）与处置建议生成

结论

分布式光纤声纹解调技术凭借其全分布式感知、抗极端环境、无源部署等独特优势，正在重塑核安全壳监测范式。该技术不仅能满足HAF00200等法规要求的密封性与结构完整性监测需求，更能通过声纹特征分析实现早期故障预警，为核电站提供从"被动合规"到"主动防御"的技术升级路径。随着国产化DAS系统性能的持续提升与成本优化，预计未来5年内该技术将在新建核电机组实现规模化应用，成为智慧核电厂的核心感知技术之一。