核仪表系统源量程通道投入滞后问题分析

胡 劲，王银丽，金舟锴，赵 俊，熊之光，罗 炜

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.中国核动力研究设计院，成都 610041）

0 引言

2019 年4 月15 日8 时45 左右，方家山核电1 号机组反应堆处于热停堆平台，核仪表系统（RPN）中间量程通道所测电流随中子注量率水平下降而逐渐减小。一小时后，中间量程通道电流降至9E ～10A 左右，随后中间量程通道电流下降速度缓慢，运行人员进行硼化干预后，晚上19点25 分左右，中间量程通道电流降至1.7E ～10A 左右，P6 信号随后消失，源量程通道投入，此时源量程通道计数率为800CPS。

图1 核仪表系统通道测量范围示意图Fig.1 Chart of the range of channel measurements for nuclear instrument ation systems

此次停堆过程中，从进入热停堆状态到P6 信号消失直至源量程通道投入，共用时10 小时40 分钟左右，且进行了人为硼化干预。与以往核电站大修源量程通道投入时间相比，延长了5 小时，且没有进行人为硼化干预。

本文基于核仪表系统源量程和中间量程通道的信号测量与处理原理[1]，重点介绍源量程和中间量程如何进行量程衔接，通过对不同阶段的数据进行对比分析，最终通过调整中间量程补偿电压，使得源量程和中间量程在反应堆启堆和停堆过程中更好地衔接，实现对反应堆状态的连续监测。

1 核仪表系统测量通道简介

由于反应堆从启堆到满功率运行中子注量率的变化范围大于10 个量级，为实现从低功率水平到高功率水平对反应堆的连续保护和控制，RPN 系统设计了源量程、中间量程、功率量程3 种量程相互覆盖的测量通道[2,3]。源量程通道主要在反应堆停堆、启堆到临界阶段使用，中间量程通道则覆盖了从反应堆临界前到低功率运行阶段这一较宽的范围，功率量程通道主要在功率运行阶段使用。

源量程和中间量程、中间量程和功率量程测量范围至少有两个数量级的重叠，方家山核电机组RPN 系统3 种量程通道测量范围和重叠区域如图1 所示。

2 3种量程通道运行联锁原理

反应堆正常启堆过程中（堆芯γ 相对较小），在堆芯装料后，源量程通道开始有计数，此时中间量程通道电流很小，基本在量程下限以下，功率量程通道测量值此时忽略不计；当反应堆功率水平慢慢提升，源量程通道计数率在1000CPS 左右时，中间量程通道电流进入量程下限，此时功率量程仍忽略不计测量值；当中间量程电流增大到P6信号出现（此时中间量程通道电流约为1E ～10A，不同核电站和功率循环会有差异），允许操纵员手动闭锁源量程通道紧急停堆功能，并切断源量程探测器高压供电，此时功率量程通道测量值仍忽略不计；当中间量程通道电流慢慢增长到约1E ～5A 时，功率量程通道电流进入量程下限；当核功率继续上升至P10 信号出现，允许操纵员手动闭锁中间量程通道紧急停堆功能和功率量程低定值紧急停堆功能，自动闭锁源量程通道紧急停堆功能。

反应堆正常降功率至停堆过程中（堆芯γ 相对较大），在反应堆进入热停状态后，当功率量程通道电流下降到P10 定值以下，P10 信号消失，中间量程通道紧急停堆功能和功率量程低定值紧急停堆功能自动恢复，允许手动恢复源量程紧急停堆功能；当中间量程通道电流下降到P6 定值以下，P6 信号消失，源量程探测器高压供电自动恢复，源量程通道紧急停堆功能自动恢复。

3 中间量程γ补偿电离室的工作原理

由于中间量程探测器工作于中间功率水平且堆芯γ 辐射相对较高的环境下，所以中间量程探测器采用γ 补偿电离室，γ 补偿电离室原理图如图2 所示。γ 补偿电离室由中子室和γ 补偿室两部分组成。

在中子室的正高压电极和收集极相对的电极表面涂覆有硼膜，中子室对慢中子及γ 辐射均灵敏，在中子和γ 射线的辐射场中形成中子电流In和γ 电流Iγ1。

在γ 补偿室的负高压电极和收集极相对的电极表面没有涂覆硼膜，仅对γ 辐射灵敏，在n 和γ 射线的辐射场中仅形成γ 电流Iγ2。

这样，流过收集极的电流即为I0：

由于Iγ1与Iγ2的流向相反，且|Iγ1|≈|Iγ2|，因而I0≈In。

图2 γ补偿电离室原理图Fig.2 Compensation ionizing chamber schema

通过设置合适的γ 补偿电压，使探测器输出电流能准确表征堆内中子情况。

γ 补偿结果的好坏，一般用γ 补偿度来衡量，即γ 补偿后的输出电流与非补偿时的全收集电流之比值的百分比数。对电离室本身而言，补偿度的设计值一般都能达到|1%|。

通常，γ 补偿电离室设计成过补偿，即在正、负高压绝对值相同时，输出电流为负值，甚至为较大的负值。这样在实际使用中，通过调节负高压值比较容易获得理想的补偿效果。

工程应用中，并不要求补偿度的指标，而只要求给出获得最佳补偿时的负高压值，且最佳补偿时的负高压的绝对值要低于正高压值。

4 源量程投入滞后问题分析

根据3 种量程通道运行联锁原理，在降功率阶段，源量程通道的投入有两种方式：一种是允许手动投入，前提是反应堆功率下降至P10 定值以下，当然此时需要对反应堆工况做出判断，防止堆芯功率过高导致源量程投入产生源量程高中子注量率停堆，更严重的可能会损坏源量程探测器；一种是自动投入，在反应堆功率下降至P6 定值以下时，源量程通道自动投入使用。目前在运行压水堆核电站暂未出现过源量程通道手动投入滞后的问题反馈。

基于此，针对此次停堆过程中源量程通道自动投入时间过长的问题进行如下具体分析。

4.1 直接原因分析

源量程通道自动投入与P6 信号定值直接相关，P6 信号由中间量程通道产生，其定值通常设计为1.00E-05%FP（对应的中间量程电流值约为1.00E-10A 量级，功率水平信号由电流值乘以相应的转换系数计算得到）或直接以电流值1.00E-10A 作为定值，P6 信号产生时反应堆功率水平很低。

此次停堆过程相比以往核电站大修，在额外进行了人为硼化干预情况下依然存在源量程通道投入滞后的问题，考虑是中间量程探测器实际输出电流偏高，导致中间量程测得的功率降低至P6 定值以下所需时间过长。

4.2 根本原因分析

1）中间量程探测器输出影响分析

在低功率阶段，中间量程探测器输出电流的成分和高功率阶段不一样。在高功率阶段，中子注量率产生的电流远大于γ 产生的电流，此时中间量程探测器输出电流可以反映堆内真实情况；在低功率阶段，例如在反应堆热态时，中子注量率水平很低，随着反应堆状态的变化，γ 产生的电流在探测器输出电流中所占比重会大于中子电流，此时需要对γ 进行补偿，使探测器输出电流真实地反映反应堆实际状态[4]。

下面针对P6 信号定值的设计分两种情况进行分析：

◆ P6 信号定值设计为功率值（1.00E-05%FP）时：功率值通过中间量程电流乘以转换系数计算得到，转换系数设置是否合理会直接影响源量程通道投入的时间。如果转换系数偏大，P6 信号定值对应的电流值则偏小，会导致P6 信号消失滞后，源量程通道投入滞后。工程应用中，转换系数由物理人员根据堆芯状态计算得出，误差较小。

◆ P6 信号定值设计为电流值（1.00E-10A）时，中间量程探测器电流输出值直接与定值进行比较，而影响探测器电流输出的因素有4 种：探测器正高压、探测器负高压、堆内中子通量、堆内γ 强度，下面对这4 种影响因素进行逐一分析。

◇ 探测器正高压：通过绘制探测器饱和特性曲线得出探测器工作电压有一定长度的坪区，探测器工作电压通常设置在坪区内，一般情况下不会影响探测器输出电流的偏离。

◇ 探测器负高压：即探测器补偿电压，通过设置合理的补偿电压，尽可能补偿掉探测器输出电流中的γ 部分，使探测器输出电流尽可能真实反映反应堆状态，如果补偿电压设置偏低，将导致探测器输出电流中γ 电流成分未被充分补偿，导致探测器输出电流比实际值偏高，反之亦然。

◇ 堆内中子注量率：代表反应堆真实状态，探测器只要不故障，探测器输出电流中的中子电流成分不会产生偏离。

◇ 堆内γ 强度：代表反应堆真实状态，探测器只要不故障，探测器输出电流中的γ 电流成分不会产生偏离。

通过上述分析，发现探测器负高压的设置偏低导致中间量程探测器实际输出电流偏高，从而导致此次停堆过程中源量程通道投入滞后。需要说明的是探测器负高压的设置取决于反应堆所处状态下对堆芯γ 强度。

2）不同运行阶段堆芯γ 强度分析

下面针对方家山核电1 号机组最近几次启堆和停堆过程中源量程和中间量程通道的实测数据进行具体分析。

图3 R104大修结束C5启堆过程中源量程和中间量程的实测数据Fig.3 R104 Overhaul ends the measured data for the source and intermediate ranges during the C5 start-up process

图4 R103结束C4启堆过程中源量程和中间量程的实测数据Fig.4 R103 Ends the measured data for the source range and the intermediate range during the C4 start-up process

图5 R10420180713小修停堆过程中源量程和中间量程的实测数据Fig.5 R10420180713 Measured data for source and intermediate ranges during the small repair stop heap

图6 20190315R104大修停堆过程中源量程和中间量程的实测数据Fig.6 20190315R104 Measured data for source and intermediate ranges during the overhaul of the stop heap

首先，以R104 大修结束C5 启堆和R103 大修结束C4启堆为例开展分析。这两次大修耗时都在30 天左右，启堆过程中源量程和中间量程的实测数据如图3、图4 所示。可以看出，源量程和中间量程重叠性较好，当中间量程通道电流在1.00E ～10A，源量程通道计数率都在5000CPS左右；当中间量程通道电流在1.50E ～10A，源量程通道计数率都在10000CPS 左右。启堆时，堆内γ 强度都降低至一个较低水平，中间量程和源量程通道输出信号能够比较真实地反映堆芯中子注量率水平。

接下来，以20180713 小修停堆和20190315R104 大修停堆为例开展分析。这两次停堆过程中，源量程和中间量程通道的实测数据如图5、图6 所示。可以看出，两次停堆过程中中间量程通道电流和源量程通道计数率的对应关系不完全相同，这与两次停堆前反应堆带功率运行的时间长度有关。小修停堆前反应堆连续运行了9 个月左右，而R104 大修停堆前反应堆连续运行了16 个月左右，故R104大修停堆时堆内γ 强度是高于小修停堆的，在探测器负高压设置相同的情况下，R104 大修停堆时中间量程探测器的欠补偿程度远高于小修停堆。

通过上述启堆和停堆过程中源量程和中间量程通道的实测数据的具体分析，可以看出对于相同中间量程通道电流值1.00E ～10A，启堆和停堆过程中对应的源量程通道计数率分别为5000CPS 和500CPS。由于源量程探测器仅对堆内热中子敏感，可以认为上述两次停堆过程源量程通道计数率为500CPS 时，对应的中间量程电流1.00E ～10A 中大部分成分是γ 电流。

5 解决方案

基于上述分析，认为中间量程补偿电压设置是解决源量程投入滞后问题的关键。中间量程补偿电压的正确设置不仅仅要考虑反应堆停堆阶段的γ 补偿程度，同时也要考虑反应堆启堆阶段源量程和中间量程通道的量程衔接问题。例如，如果补偿电压设置过大，对于反应堆启堆时γ强度的大大下降，中间量程容易产生过补偿，可能在中间量程P6 信号还未产生时就已经触发了源量程高中子注量率停堆。

一般中间量程补偿电压设置原理如下：首次启堆时参考厂家给出建议值，在首次停堆时进行γ 补偿试验，取输出电流在n1.00E ～11A 时负压值，n 取值1 ～2。采取这种设置是基于稍微偏欠补偿角度考虑的，从而不会影响下次反应堆的正常启动，但在下一次停堆解列过程中，源量程通道的投入必定会滞后。原因在于随着反应堆的功率运行，γ 强度会在一个运行循环即停堆解列过程中达到最大值；另一个原因是随着探测器使用时间加长，γ 补偿室的补偿能力存在慢慢弱化，这一说法可以从已运行核电站中间量程补偿电压设置的缓缓增大的现象得到印证。以下给出两种解决方案：

第一种解决方案，考虑到反应堆功率运行后再停堆降功率至热停堆状态时的堆内γ 强度远远大于反应堆启堆时，针对启堆和停堆的不同需求，设置两个不同的中间量程补偿电压值。在反应堆启堆期间，γ 强度远低于停堆期间时，补偿电压设置成稍微欠补偿；在反应堆升功率直至产生源量程通道闭锁信号后再稍微调高补偿电压值，具体的增加值可以根据中间量程探测器的补偿曲线和实际需要的补偿电流值大小来调整。一般的检修周期会在1 个月左右或者更长，这个方法针对正常的大修周期使用有很好的效果。

第二种解决方案，针对现有核电站运行限制，增加一个中间量程探测器补偿试验窗口。即在反应堆达到热停堆状态后两小时，如果反应堆功率还未降到P6 定值以下，增加1 个中间量程探测器补偿试验，根据试验结果得出合适的补偿电压值并进行设置后，反应堆功率降至P6 定值以下后源量程通道自动投入。两小时是基于已运行核电站提供的数据给出的经验数值，同类核电站运行数据表明，在补偿电压值设置合适的情况下，两小时内源量程通道会自动投入。

6 结束语

本文基于核仪表系统3 种量程通道运行联锁原理和中间量程γ 补偿电离室的工作原理，针对引起核电厂反应堆停堆过程中源量程通道自动投入时间过长问题的原因进行了具体分析。经过对方家山核电1 号机组反应堆多次启堆和停堆过程数据进行分析，并结合同类核电站状况进行评估，给出了两种方案以解决源量程通道自动投入滞后的问题。两种解决方案需要试验人员有一定的核仪表系统运行工作经验和能力，方案实施不涉及对核电厂已有系统设备的硬件修改，实现了对系统的改动最小化，实施后可为后续使用相同设备的多个核电机组提供了重要的经验反馈和参考。