某核电厂1RPN系统中间量程探测器故障分析及处理

赵鹏

摘 要：堆外核测系统用于持续在核电站启动及其后运行过程中，提供连续不断的控制和保护。本文对某核电厂1、2号机组RPN堆外核测系统的中间量程探测器的功能、工作原理进行了简单介绍。对中间量程探测器1RPN023MA的故障现象进行阐述，对故障原因进行分析。并解析了在机组降功率过程中，该探测器的可能出现的现象，并针对性地采取处理方式，检修结果表明分析和处理是正确有效。最终实施了探测器的更换，并对故障处理的经验进行总结和归纳，为后续的维护工作优化提供建议。

关键词：堆外核测系统；中间量程；故障；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.161

1 前言

RPN系统探测器安装在压力容器的外围，生成脉冲或电流信号用以表征中子通量水平实时监测反应堆功率、功率变化和功率分布状况，通过对应量程通道调理单元的处理后，传输给处理单元转化为数字量从而进行软件处理，并转换为所需的信号进行输出，为反应堆的运行提供连续不断的测量和监视。

从反应堆启动到满功率运行，一直持续到反应堆安全停堆，反应堆中子通量的范围超过10个数量级以上的量程，因此系统采用了三种不同量程通道，即源量程通道、中间量程通道以及功率量程通道。它们各自配备性能各异和测量范围不同的探测器，不仅能够覆盖整个中子通量的范围，而且三个量程在测量上相互之间有1—2个量级的重叠，从能够消除盲区；在功能上相互制约和补充，共同实现系统的保护功能和控制功能。

2 中间量程探测器

2.1 功能

RPN系统中间量程探测器的量程范围为中子注量率2*102—5*1010n.cm-2.s-1，通道为反应堆连续的启动运行或功率提升过程中设置了一系列的停堆、允许、闭锁信号，如表1所示。

2.2 原理

中间量程探测器安置在一个密封的简形容器内，充有以氩气为主的混合气体，具体成分为%1氦、6%氮、93%氩。入射中子与10B发生反应，过程如下：

n+105B→73Li+42He+2.795mev

3Li*+42He+2.316mev

3Li+γ（0.48mev）

在高压作用下，锂离子在气体中产生的离子对被电极收集，形成电流信号输出。

因为电离室所处的工作场所有较强的γ场，所以输出的信号中会包含有γ射线产生的电流，从而影响中子通量测量的精确度和范围。为消除γ射线的影响，采用了γ补偿电离室，结构和原理如图1所示。

该电离室由A、B两个相邻的小室组成，其结构和内部充气情况完全相同。区别为A室内壁有10B涂层接正压，B室内壁无10B涂层接负压，中间收集电极公用，经电流表或电阻接地。

当中子和γ射线同时入射时，A室产生的电流i1中既包含中子产生的电流in，也包含γ射线产生的电流iγ，即i1=in+iγ。而B室因内壁没有10B，不会有因10B（n，γ）的反应引起气体电离，所以B室产生的电流i2仅是由γ射线产生的，即i2=iγ。因为i1与i2的方向相反，所以最终的输出电流是两个电流之差，即i=i1-i2=in+iγ-iγ=in。这样探测器所测得的电流i仅与中子通量密度成比例，消除了γ射线的影响[1]。

3 故障分析

在执行预大修项目RPN中间量程坪特性绘制时，发现1RPN023MA坪曲线发散、坪特性差，如图2所示。

3.1 定性分析

中间量程探测器饱和特性形状的典型变化如图3所示。图中曲线1为寿期初新探头的曲线，起点斜率大，曲线平滑。曲线2的起点斜率相对变小，表明低压区丧失功能。曲线3不仅起点斜率相对变小，平坦区也有所减少，表明高、低压区均丧失功能。而曲线4中的平坦区则完全消失。

对比图2和图3中间量程探测器饱和特性形状的典型变化可以看出1RPN023MA的坪曲线特性已与图2中的曲线4相符合，该坪曲线属于彻底丧失功效的形态。这主要因探测器内部的稀有气体泄漏、硼涂层减少造成、和探测器绝缘性能下降所导致。

3.2 定量分析

3.2.1 低压区性能分析

低压区性能是通过计算低压区坪斜来判定。利用V0来代表曲线变化的始点，先计算出其额定电压Vn 对应饱和电流的20%电流值，再找出该电流值所对应的电压值即为V0。如果V0的数值越高，表明探测器性能下降得越严重。判定标准为：如果V0>70V，不必更换探测器，但每三个月绘制一次坪曲线；如果V0>140V，则需要更换探测器。

利用上述算法，进行计算，过程如下：

I0（A）=0.2*I600V=0.2*2.0410E-04=0.4082E-04=4.082E-05（A）

V0（V）=VI=I0=VI=4.082E-05（A）=302V>140V；

从结果可以看出低压区坪斜已经超差，已达到需要更换的程度。

3.2.2 高压区性能分析

理论上来说，在正常的工作高压范围内，电流值是不会有改变的，与电压没有关联。而在实际中，这种情况是不存在的，因为探测器输出的实际电流是饱和电流与漏电流累加的总和。探测器的绝缘阻值是不可能为无穷，因此始终会存在漏电流，且漏电流的大小正比于探测器上的电压值[2]。所以在饱和曲线上存在着一个很小的斜坡。对于新的探测器来说，泄漏电流是很小，坪区大，坪曲线平滑。

高压区性能判定通过额定的坪斜来表征，计算方法为：

Slope（%）=x100

判定標准为如果坪斜Slope（%）>6%，需要更换探测器。

将数据带入公式进行验证，过程如下：

Slope（%）=x100=44.8%>6%

结果可以得出正常电压的坪斜已经超出合格标准。

从以上分析中，可以看出1RPN023MA的低压区坪斜、正常电压的坪斜这两个参数都已超过标准，表明探测器的性能已经严重下降。

4 故障处理

该探测器性能已不满足使用需求，需要进行处理，处理方案针对两个方面：

（1）降功率期间：降功率过程中1RPN023MA探测器的指示并不一定会呈线性变化，有可能会触发保护动作，导致意外停堆。

（2）低低水位期间：在1RPN系统退出运行的大修窗口期间，对1RPN023MA探测器进行更换，彻底消除缺陷。

4.1 降功率期间处理

4.1.1 后果分析及预案

对机组在停堆降功率的过程中，1RPN023MA所涉及到的重要信号及可能后果进行分析。

（1）在30%FP时，ATWT误动风险：如果1RPN023MA的ATWT信号未正常翻转，同时1RPN013MA的ATWT信号也未正常翻转，则当状态进一步向下时，SG流量低ATWT信号出现后将导致ATWT停堆。该风险概率极低，实际降功率过程中，只要1RPN013MA的ATWT信号能正常翻转即可保证不会误动。

（2）在25%FP时，中间量程中子注量率高紧急停堆风险：功率下降过程中，当P10消失时，如果1RPN023MA的停堆信号未正常消失，则会导致中间量程停堆信号误动。因此设定一个介于P10定值和中间量程中子注量率高定值之间的阈值18%FP ，当功率降至18%FP时，如果中间量程中子注量率高紧急停堆信号仍存在，则在反应堆保护系统闭锁1RPN023MA的停堆信号来避免机组停堆。

（3）P6信号消失时，源量程停堆信号误动风险：功率下降过程

中，当1RPN013MA的 P6信号消失时，如果1RPN023MA的P6信号未正常消失，则会导致源量程无法投运。这是需要手动复位“P6闭锁源量程信号”。在源量程投运的瞬间，其计数率有可能超过源量程停堆定值，导致源量程停堆信号动作。考虑到闭锁源量程停堆信号拒动风险较大，因此不做闭锁处理，采取跟踪监测的方式，分别在1RPN013MA的 P6信号消失、 1RPN013MA电流为8*10-11A这两个阶段，跟踪检查1 RPNO23MA的P6信号是否消失。如果未消失，则手动复位“闭锁源量程停堆信号”，使RPN系统源量程通道投运。

4.1.2 处理过程

首先在机组满功率时，对两个中间量程的电流-功率转化系数都进行了校准，使其电流与功率关系尽可能保持准确。

在降功率停机过程中，对中间量程的电流执行进行监测。对各个功率平台的电流值进行记录，跟踪线性化变化情况，以便能够在风险点到来之前对电流变化方向进行预判，快速而准确的采取措施。

（1）当核功率降至约30%FP时，此時1RPN013MA的ATWT信号翻转为时的功率值30.2%FP，功率持续下降至22%FP，1RPN023MA的ATWT信号翻转。

（2）当核功率降至约18%FP，检查1RPN013MA的停堆信号翻转时的功率值25.34%FP，此时1RPN023MA的停堆信号也已翻转，翻转时的功率值为17.8%FP。

（3）当核功率继续下降至1RPN013MA的P6信号消失时，监测到1RPNO23MA的P6信号并未消失。持续降功率，当1RPN013MA电流下降接近至8*10-11A时，1RPNO23MA的P6信号消失。此时源量程投运，1RPNO14MA和1RPNO24MA计数率分别为1130 和970。至此，源量程已安全投入运行，机组的运行状态已离开中间量程的保护定值。

4.2 低低水位期间处理

在大修的低低水位期间，成立专项工作小组，对探测器1RPNO23MA进行更换，并对废旧探测器进行了报废处理。

5 总结

RPN堆外核功率测量系统中间量程探测器对于机组起着十分重要的控制和保护作用。随着系统运行年限的增加，设备中部分元器件如电容、电阻、电离室、电缆绝缘等等，会出现不同程度的性能下降甚至失效迹象，在日常和大修需要通过针对其各类参数来判断探测器功能是否正常，同时要密切关注其他检修工作是否会对探测器造成意外损伤。

对于探测器的各类数据要进行全面的收集、整理、汇总，以便于利用大数据，对探测器性能指标进行预判，从而优化检修项目，强化维护管理。

参考文献：

[1]刘国发.核电厂仪表与控制系统基础[M].核工业研究生部，2008

：121-124.

[2]胡平，赵福宇.大亚湾核电站核仪表系统中子测量探头老化和故障鉴别[J]核动力工程，2009，30（01）：95-99.