移动式堆芯中子注量率测量系统概述

2010-11-20杜晓光王铭涛汪明珠陈章国肖功珊黄国良陈雅杰

中国核电 2010年4期

杜晓光，王铭涛，汪明珠，陈章国，肖功珊，黄国良，张尧，陈雅杰

（中核＜北京＞核仪器厂，北京100076）

核电站反应堆的堆芯由燃料组件、控制棒束组件和中子源组件等组成。堆芯内燃料组件中的燃料发生核裂变反应后，释放出热量，将反应堆内的一回路冷却水加热，一回路水通过热交换将能量传递给二回路水并产生水蒸气，水蒸气推动汽轮发电机，实现将核能转化为电能。

在核裂变过程中，反应堆不是一个静止的系统，而是一个在运行中相关物理量不断变化的动态系统。由于核燃料的裂变、冷却剂温度不均匀等原因，堆芯中子注量率分布会随时间发生变化。因此核电站必须具备监测堆芯中子注量率的系统。

堆芯中子注量率测量系统属于反应堆核测量系统的子系统，用于测量反应堆堆芯的中子注量率分布，监测堆芯功率畸变，积累燃耗数据，对核电站的安全运行起到重要的作用，见图1。

堆芯中子注量率测量系统主要设备包括：主机柜、通道柜、分配柜、微型裂变室、导向管、指套管、密封段、手动阀、连接管组件、止回阀、电动阀、选择器、驱动装置、导向管支架、导向管贯穿件、保护通道、电缆托架、连接管系、移动支架、固定支架等，见图2。

图1 堆芯中子注量率测量系统Fig.1 In-core neutron flux instrumentation system

图2 堆芯中子注量率测量系统控制柜Fig.2 Control cabinet of in-core neutron flux instrumentation system

1 国内外概况及发展趋势

堆芯中子注量率测量系统用于提供反应堆堆芯中子注量率分布。中子注量率的实测数据可用于验证堆芯设计参数。根据对该系统具体的测量要求，可以采用不同的测量方法实现系统功能，目前国内外核电厂采用的测量方法主要有移动式微型裂变室测量法、固定式自给能钒（铑）中子探测器测量法和气动球活化测量法。

国内包括秦山一期、二期、大亚湾和岭澳等多数在役核电站，福清、方家山等多数在建核电站均采用移动式微型裂变室实现堆芯中子注量率测量，但测量系统基本是从法国进口。

堆芯中子注量率测量系统是集机、电、核测量于一体的控制和测量系统，过程复杂，控制对象多，使用环境恶劣。中核（北京）核仪器厂历经三年，对整个系统进行优化设计、更新设备选型，研制生产了主机柜、通道柜、分配柜、微型裂变室、导向管支架、导向管贯穿件、保护通道、电缆托架、连接管组件、移动支架、固定支架等；编制了可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中应用的过程控制软件和工控机中应用的人机交互软件。目前该系统通过了出厂验收，正在巴基斯坦恰希玛核电站二期工程中安装调试。

2 测量系统工作原理及功能

反应堆的全部能量来自堆内核燃料的裂变反应。中子是核裂变的产物之一，核反应堆的功率水平被认为是与活性区的中子注量率成比例的。因此，通过测量中子注量率可以获得当前反应堆的功率。

微型裂变室的探头内部由涂有二氧化铀涂层的中心电极和两个密封的不锈钢外壳组成，室内充满氩气。探头外壳连接到螺旋软管和同轴电缆的端头。螺旋软管是空心的，内装同轴电缆，测量装置通过该同轴电缆为微型裂变室提供电源。微型裂变室测得的中子注量率电信号也通过该同轴电缆送至测量装置。

测量系统工作时，操纵员在主控室通过测量系统的主控制柜发送命令，堆芯仪表间的驱动装置将移动式微型裂变室送到指定的管路中。微型裂变室高速移动到堆顶之后，以低速回抽，此时系统将微型裂变室测得的电流信号采集并保存到记录文件中。中子测量结束后，微型裂变室再被高速回抽到机械原点。

堆芯中子注量率测量系统在反应堆物理启动试验中的功能包括：验证反应堆寿期内堆芯中子注量率分布是否与设计要求相符、验证热管因子是否有余量、校刻堆外核测系统以及监测反应堆装错料事件。

在反应堆正常运行过程中的功能包括：验证反应堆燃耗比与设计要求是否一致、提供燃料的历史数据、校刻堆外核测系统以及探测反应堆堆芯功率分布等。

3 系统组成

堆芯中子注量率测量系统分为微型裂变室、电气设备和机械设备3部分。

移动式堆芯中子注量率测量系统使用的中子探测器称为移动式微型裂变室。微型裂变室工作时，经管路进入反应堆堆芯；不工作时存放在测量系统的保护通道中。微型裂变室用于探测堆芯的中子注量率，将其转换为电流信号之后，经同轴电缆传送到测量系统的测量机箱。

电气设备包括分配柜和控制柜。分配柜安装在堆芯仪表间外侧，用于为堆芯仪表间的机电设备供电和为控制柜提供监测和控制信号。控制柜安装在电站主控室的环廊中，用于控制整个测量系统。

机械设备中一部分安装在堆坑和堆芯仪表间，包括手动阀、止回阀、密封组件、导向管、指套管、导向管贯穿件、导向管支架等，用于保证一回路压力边界完整性。另一部分安装在堆芯仪表间，包括驱动装置、选择器、连接管、电动阀等，用于驱动和控制移动式微型裂变室进出堆芯。

堆芯中子注量率测量系统的结构框图如图3所示。

图3 堆芯中子注量率测量系统的结构框图Fig.3 Composition and structure of the in-core neutron flux instrumentation system

不同的核电厂，反应堆的设计功率不同，设计所确定的测量要求也不同。根据反应堆功率的不同，系统的测量通道有3到5个不等。巴基斯坦恰希玛二期（简称C2）核电站采用3个微型裂变室，在30根指套管中进行测量，因此整个系统配备了3个测量通道。下面对上述各部分设备分别加以描述。

3.1 微型裂变室

微型裂变室由探头、铠装同轴信号电缆、驱动螺旋软管、过渡接头、射频同轴电缆、插头等部分组成。

C2堆芯中子注量率测量系统中使用的微型裂变室型号为LB123，它是由中核（北京）核仪器厂自行研制的最新型的微型裂变室。巴基斯坦恰希玛一期（简称C1）核电站的堆芯中子注量率测量系统中使用的微型裂变室也是由中核（北京）核仪器厂攻关研制，已经在核电站安全运行10多年。

3.2 控制柜

控制柜作为整个系统测量和控制中枢，由1台主控柜和3台通道柜组成。主控柜中安装了1台工控机，操纵员通过工控机可以完成整个测量系统的所有测量工作。3台通道柜分别对应3个测量通道，通道柜中设计了控制面板和液晶显示器。操纵员通过通道柜可以完成其对应通道的测量工作。

控制柜的主要功能有：

（1）中子注量率测量功能。驱动装置将微型裂变室送到堆芯指定位置时，微型裂变室将测得的中子注量率以电流信号的形式通过同轴电缆送至测量机箱。测量机箱通过信号放大和模/数转换等电路对电信号进行处理和采集。

（2）探测器位置测量功能。测量系统进行中子注量率数据采集时，必须所有探测器同时从堆芯抽出。为了使测量结果能够表征堆芯实际的中子注量率分布，必须确保每次数据采集时所有探测器尽可能位于同一水平面，因此必须对探测器的位置进行实时测量。

在驱动装置中安装了旋转变压器，其与驱动齿轮同轴。当驱动齿轮转动并插入或抽出探测器时，旋转变压器随之转动，并把角位移信号转变为正弦波电压信号传送给通道柜内的解码板。解码板再将电压信号转变为数字信号传递给PLC。PLC通过计算确定探测器的位置。

（3）机电设备控制功能。通过通道柜内的PLC发出控制指令。这些指令通过控制网以数据包的形式传送到分配柜，在分配柜内的PLC输出模块通过机柜内的继电器以硬接线方式连接到各个机电设备以实现其控制（如选择器的旋转和电动阀的开闭等）。

机电设备的状态被分配柜内的PLC输入模块反馈到通道柜的PLC控制器中，并在主控柜的工控机中实时显示。

（4）泄漏探测功能。其中包括指套管泄漏探测和密封组件泄漏探测。

指套管泄漏探测。指套管泄漏探测器安装在密封组件和电动阀之间的止回阀上。当指套管中发生泄漏时，泄漏探测器的电阻变小，分配柜内的PLC输入模块采集到电信号，并将其送到通道柜中。系统运行时主控柜的显示器中可以实时显示泄漏探测器的状态，操纵员可以判断是否发生泄漏，若发生泄漏，还可以确定发生泄漏的管路号。

密封组件泄漏探测的原理与指套管泄漏探测相同。不同之处在于密封组件泄漏探测器安装于密封组件两道串联的密封之间。

（5）数据保存功能。中子注量率测量得到的原始数据按照规定的格式存放在主控柜内的工控机中。操纵员可将原始数据与代表反应堆运行工况的其他数据相结合，并由专门的软件进行数据处理。

3.3 分配柜

分配柜位于堆芯仪表间的外侧。它是堆芯仪表间内机电设备与控制柜之间的接口。分配柜中有3个通道对应的3组PLC机架、驱动板和泄漏检测板等。分配柜的主要功能是：

（1）为机电设备供电，并提供机电设备与电气厂房内控制柜的接口。

（2）接收和处理并读出控制柜的信号。

（3）采集来自机电设备（如驱动装置、电动阀、选择器等）的状态信号，并送往控制柜。

3.4 机械设备

测量系统3个通道的机械设备几乎完全相同。机械设备都安装在堆芯仪表间和堆坑内。每个通道由下列部件组成。

（1）驱动装置

驱动装置用于推动螺旋电缆进出堆芯。螺旋电缆内有同轴电缆，为微型裂变室提供高压电源和传输电流信号。微型裂变室焊接在螺旋电缆的端部。驱动装置主要包括：驱动电机、驱动轮、反馈装置、卷轮电机和卷轮盘等。

（2）选择器

选择器包括组选择器和路选择器，组选择器为1个进口，若干个出口；路选择器为若干个进口，10个出口。两种选择器配合使用，可以确保微型裂变室进入系统指定的管路。选择器主要包括：步进电机、光电开关、入口微动开关和出口微动开关。

（3）其他机械装置

其他机械装置包括电动阀、止回阀、手动阀、密封组件、指套管和导向管，其中：

电动阀在指套管破裂的情况下，隔离从压力容器来的水。在测量指定管路时，该管路的电动阀打开，当螺旋电缆抽出后，电动阀关闭。

在测量过程中，如果指套管发生泄漏，当螺旋电缆回抽过止回阀后，止回阀会立即阻止一回路水通过连接管进入电动阀。

在停堆大修期间，手动阀由操纵员手动关闭，防止一回路水泄漏。

密封段用于密封指套管和导向管，它是一回路水的压力边界。

微型裂变室通过指套管可以进入堆芯的指定位置。

4 结束语

堆芯中子注量率测量系统是核电站核测量系统的重要组成部分。测量系统提供的测量数据可以帮助操纵员了解反应堆内部的情况，为评估和计算反应堆当前功率提供帮助。中核（北京）核仪器厂设计制造的堆芯中子注量率测量系统在巴基斯坦恰希玛二期工程中的应用，标志着30万kW核电站堆芯中子注量率测量系统国产化的实现，为百万千瓦核电站堆芯中子注量率测量系统国产化打下坚实的基础。