紧凑型小型堆堆芯测量系统设计

黄 勇，郭 伟，何伯阳

（1.中广核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中广核研究院有限公司，深圳 518031）

0 引言

堆芯测量系统是核电站重要的专用仪控系统，为核电站提供堆芯中子注量率、堆芯温度和压力容器水位参数测量。衡量反应堆正常运行工况下的安全裕度主要依据两个参数：偏离泡核沸腾比（DNBR）裕度和失去冷却剂事故（LOCA）裕度。这两个参数奠定了量化运行安全裕度的基础，从根本上来说，DNBR 裕度和LOCA 裕度与反应堆堆芯功率分布有着直接的关系，而堆芯温度、压力容器水位和堆芯中子注量率分布是获取堆芯功率分布所需的重要数据。同时，堆芯温度和压力容器水位参数也是事故后，操作员判断反应堆压力容器是否熔穿的重要依据。因此，堆芯参数测量对核电站的安全运行有着重要的意义。

本文根据IAEA NS-G-1.12《Design of the Reactor Core for Nuclear Power Plants》、HAD102/07《核电厂堆芯的安全设计》和HAD103/03《核电厂堆芯和燃料管理》中提出的堆芯监测要求，设计了一种满足三代核电站要求的紧凑型小型堆堆芯测量系统。

1 系统功能设计

根据堆芯监测需求，堆芯测量系统按照功能划分为3个子系统：堆芯中子通量测量子系统、堆芯温度测量子系统和压力容器水位测量子系统[1]。

堆芯中子通量测量子系统负责连续测量堆芯中子通量，给出三维的堆芯全通量分布图，计算线功率密度（LPD）和DNBR 等相关信息，从而实时监测堆芯工况。

堆芯温度测量子系统负责堆芯出口温度（COT）测量和反应堆压力容器上封头温度（RPVDT）测量，给出堆芯出口饱和裕量（△TSAT）和压力容器上封头饱和裕度，从而实时监测堆芯状态信息。

压力容器水位测量子系统负责测量压力容器冷、热段进出口处不同高度位置的水位，从而监测压力容器水位状态。

堆芯出口温度测量和压力容器水位测量系统主要用于以下状态信息：COT、△TSAT 和反应堆压力容器水位（RPVL）作为判断事故后工况下一回路热工水力状态的重要判据。RPVL 反映了堆芯水装量的变化，用于监测堆芯是否裸露，并直接用于决定采取事故后控制策略和操作规程。同时，COT 还用于严重事故管理。

2 系统组成与总体结构

堆芯测量系统主要由：一体化堆芯探测器组件、组件配件（连接器、电缆、转接装置等配件）、压力容器水位信号处理机柜、中子通量信号处理机柜和堆芯在线监测系统（KSS）等处理设备组成。

堆芯测量系统总体结构如图1 所示，一体化堆芯探测器组件中的温度信号经过转接装置转接后直接送到安全级数字化控制系统（DCS）进行处理；水位信号经水位处理机柜处理后通过硬接线送往安全级DCS；自给能中子探测器（SPND）信号经中子通量信号处理机柜处理后通过网络送KSS 系统；KSS 系统负责与非安全级DCS 的通讯，并进行堆芯功率分布、LPD、DNBR 等参数计算和监视，最终在主控室显示堆芯状态监测信息。

3 系统方案设计

3.1 堆芯测点布置设计

图1 堆芯测量系统总体结构图Fig.1 Overall structure diagram of in-core instrumentation system

图2 堆芯中子通量、温度、压力容器水位测点径向布置图Fig.2 The radial arrangement diagram of core neutron flux,temperature, RPV water level measurement point

根据堆芯测点布置原则：利用堆芯对称性减少测点布置；利用堆芯对称性适当冗余布置；每组探测器应分散在全堆；各组探测器之间应相互交叉渗透；应适当考虑各组探测器之间的对称性。堆芯中子通量、温度、压力容器水位测点径向布置设计如图2 所示。

堆芯中子通量测量子系统分为A、B 两列。每列探测器包含8 个堆芯探测器组件（IDA，In-core detector assembly），径向均匀布置在堆芯4 个象限内；在堆芯活性段区域，每个组件沿轴向均匀布置5 个SPND。上述分布保证堆芯轴向和径向功率分布测量的均衡性。

堆芯出口温度测量子系统分为A、B 两列：每列探测器包括9 支热电偶（TC），分别为8 支COT 热电偶和1 支RPVDT 热电偶。每列所包含的热电偶均匀分布在堆芯出口的4 个象限内，以保证能独立测量堆芯每个象限的出口温度，满足冗余性的要求。RPVDT 测量的2 支TC 分别径向布置于D5 和D3 位置。

压力容器水位测量子系统分为A、B 两列：每列测点径向均匀对称布置在堆芯4 个象限内，布置于堆芯B3、F3、B5、F5 四个位置，每个位置的组件沿轴向布置了3 个RPVL 测量传感器，分别位于反应堆冷却剂系统热段顶部、中部和底部。

3.2 堆芯测量一体化探测器组件设计

文献[2-5]介绍了EPR 和AP1000 堆型堆芯测量系统，均采用基于一体化组件的结构型式设计。系统在图2 的16个燃料组件中安装用于中子通量测量、温度测量和水位测量的一体化探测器组件，根据测点布置，设计了3 种类型的一体化探测器组件，分别为IDA-1、IDA-2、IDA-3。

IDA-1 型组件可测量堆芯中子通量和堆芯出口温度；IDA-2 型组件可测量堆芯中子通量、堆芯出口和压力容器上封头温度；IDA-3 型组件可测量堆芯中子通量、堆芯出口温度和压力容器水位。堆芯测量一体化探测器组件中采用SPND 测量堆芯中子通量；堆芯温度测量包括堆芯出口和压力容器上封头温度测量，采用热电偶（TC）测量，分别用于监测燃料组件出口和上封头处的冷却剂温度；压力容器水位测量采用热电偶式水位传感器（TCLS），用于监测压力容器水位。

采用堆芯测量一体化探测器设计的优势在于：集成度高，实现堆芯中子通量、温度和压力容器水位测量的一体化；从压力容器顶盖开孔插入堆芯固定式测量，提高了压力容器的完整性和整体安全性，减少了堆芯泄漏的风险[6]；堆测仪表使用寿命长，维护更方便。

3.3 堆芯中子通量测量子系统设计

堆芯中子通量测量通过SPND 实现，SPND 在反应堆堆芯呈轴向和径向分布，连续测量堆芯各不同位置处的中子通量密度信号。测得的中子通量密度信号在KSS 中被处理成适合堆芯运行最佳评估分析器使用的数据，生成连续的三维反应堆堆芯功率分布图，计算堆芯运行参数和安全裕量，校核堆外测量系统功率量程的相关参数。另外，堆芯中子通量测量子系统设置了LPD 和DNBR 保护功能。堆芯中子通量测量子系统架构如图3 所示。

DNBR 和LPD 为保护功能，在安全级仪控机柜中实现；在线三维堆芯功率分布图的重构和LOCA 裕量等堆芯运行参数监测为非安全级功能，在非安全级仪控机柜实现。由于两者共有SPND 信号，因而根据安全级就高原则，SPND的采集在安全级仪控机柜进行。SPND 信号由探测器组件所属列的安全级机柜进行采集，经由信号转换和限值比较后，通过网络传输，送往在线三维功率分布重构计算机。DNBR和LPD 的计算、停堆阈值比较的过程放在A/B 列机柜进行，A/B 列比较的结果送另一列进行二取一表决，产生对应各列的停堆信号。

图3 堆芯中子通量测量子系统架构Fig.3 The architecture of in-core neutron flux measurement subsystem

3.4 堆芯温度测量子系统设计

堆芯温度测量子系统具有以下功能：能够连续显示和记录反应堆堆芯温度；LOCA 事故时和事故后能保持对堆芯出口温度的监测；严重事故期间及事故后保持对堆芯出口温度的监测；对堆芯出口饱和裕度△TSAT和压力容器上封头温度饱和裕度△TSAT-HEAD进行监测。该子系统功能与CPR1000 堆型的功能设计基本相同，参考二代加核电站堆芯冷却监测系统（CCMS）的设计，堆芯温度测量子系统架构如图4 所示。

根据堆芯测量系统总体结构图，堆芯温度TC 信号分A/B 列分别送安全级DCS 中的事故后监测系统（PAMS）A/B 列机柜进行处理。温度信号处理过程如图4 所示，A/B 列冗余设计，每列使用各自隔离的传感器和输入通道，计算产生COT、RPVDT、△TSAT、A_△TSAT（数据△TSAT的有效性）、△TSAT-HEAD和∑（△TSAT的不确定度）。在每列中，△TSAT、∑和A_△TSAT都被发送另一列的互校处理模块进行互校处理：B 列的△TSAT和∑送往A 列进行互校处理，A 列的△TSAT和∑送往B 列进行互校处理。最终，通过互校输出模块输出互校后的唯一△TSAT和∑至主控室显示，供操作员在电厂事故后状态时使用。当互校处理没有进行，即互校处理模块无效时，每列的初始数据直接用于显示或产生相应报警。另外，A 列的COT 经隔离分配后送严重事故仪控系统（SIC）处理，为操纵员在严重事故期间及事故后提供堆芯状态信息，用于严重事故管理。

3.5 压力容器水位测量子系统设计

图4 堆芯温度通量测量子系统架构Fig.4 The architecture of in-core temperature measurement subsystem

参考文献[2-5]介绍了ERP 及AP1000 三代堆型压力容器水位测量系统设计。压力容器水位测量利用水的传热特性与蒸汽有很大差别的原理，对压力容器水位进行测量。其测量部分由加热端热电偶、不加热端热电偶及加热元件三部分组成：加热端热电偶为水位测点，不加热热电偶为参考点。水位探测器的结构示意图如图5 所示，其中被加热的热电偶作为主动端，测点对应的不加热热电偶作为参考端以反映环境温度，通过比较两个热电偶的温差以判断测点是否被水淹没，给出离散的水位信号，该信号通过硬接线输出至安全级DCS 系统。

压力容器水位测量子系统架构如图6 所示，其中SU设备作为辅助设备，执行水位机柜的运行维护、参数设置、定期试验等功能。压力容器水位信号处理机柜A/B 分别采集、处理探测器组件中的水位测点信号，处理后的信号通过硬接线送安全级DCS 进行表决，轴向同一高度的4 个水位测点进行四取二表决（表决逻辑如图7 所示），以确定该点是否被水淹没。在严重事故工况下，A 列的水位测量信号通过硬接线送往SIC 进行监测，轴向同一高度的2 个水位测点信号按二取一表决，确定水位位置。

4 结论

图5 水位探测器的结构示意图Fig.5 The structural diagram of water level detector

图6 压力容器水位测量子系统架构Fig.6 The architecture of RPV water level measurement subsystem

图7 压力容器水位信号四取二逻辑Fig.7 The logic 2/4 of RPVL

本文从核电站法规对堆芯监测的要求及堆芯测量的功能需求入手，设计了一种紧凑型小型堆堆芯测量系统。该系统采用一体化探测器从压力容器顶盖开孔插入堆芯、固定式测量的设计，解决了传统堆型使用的堆芯测量系统需要在压力容器本体上开孔的问题；采用基于一体化组件结构的设计，实现了堆芯中子通量、堆芯温度和压力容器水位的一体化测量；采用基于SPND 的堆芯中子通量测量子系统的设计，实现了反应堆停堆裕量监测、DNBR 保护、LPD 保护和堆芯预测功能。上述系统在兼顾紧凑性、集成度和可靠性的同时，避免了压力容器开孔问题。该系统的设计满足紧凑型小型堆的设计需求，同时也符合国内和国际法规标准要求。