核电厂物理试验仪器的发展和改进

王勇智

[摘    要]核电厂的物理试验仪器是大修期间监督堆芯参数和反应性的重要工具。本文简要分析了国内核电厂物理试验仪器发展和应用，详细介绍了目前国内外最新试验仪器的研发和改进，改进后的试验仪器不仅具备传统反应性仪和多笔记录仪的功能，还增加了很多传统反应性仪不具备的功能。具有多功能、体积小、功耗低、操作方便、界面友好的特点，明显改进了核电站物理试验的工作方法，极大提高了物理试验的效率，缩短了大修试验的时间，减轻了物理人员的工作量。

[关键词]反应性仪;动态刻棒技术;物理试验仪器

[中图分类号]TL 326 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]Physical test instruments in nuclear power plants are important tools for monitoring core parameters and reactivity during overhaul. In this paper， the development and application of physical test instruments for nuclear power plants in China and abroad are briefly introduced. The research and development and improvement of the latest test instruments at home and abroad are introduced in detail. The improved test instruments not only have the functions of traditional reactivity instrument and multi pen recorder， but also add many functions that traditional reactivity instrument does not have. It has the characteristics of multi-function， small volume， low power consumption， convenient operation and friendly interface. It obviously improves the working method of physical test in nuclear power plant， greatly improves the efficiency of physical test， shortens the overhaul test time， and reduces the workload of physical personnel.

[Keywords]reactivity instrument; dynamic stick cutting technology

核电厂的物理试验仪器是大修期间监督堆芯参数和反应性的重要工具，目前国内外广泛使用的试验仪器有监督堆芯状态参数的多笔记录仪和反应性仪。其中多笔记录仪经历了带纸的记录仪和无纸化数字记录仪，反应性仪设备也经历了好几代，传统的多笔记录仪和反应性仪使用不便，需要将大量电站数据系统中的状态参数信号连接到多笔记录仪，存在体积较大、搬运不便、接口松动、连接线老化等问题，

随着物理试验方法的进步，美国西屋公司在20世纪90年代研发出全新的控制棒价值测量技术，这项技术不仅改变了物理试验的工作方法，也极大地缩短了控制棒价值測量时间，大大增加了电厂的经济效益。1996年获得美国核管会（NRC）批准，2009年获得法国核安全监管当局批准。此项技术已在美国、英国、日本、西班牙、法国等多个国家成功使用，大亚湾核电厂和岭澳核电厂从2009年开始引进该项技术[1]。

受到西屋公司动态刻棒技术的启发，国内很多单位都在研发兼具堆芯参数监督和反应性测量的新型物理试验仪器，具有多功能、体积小、功耗低、操作方便、界面友好的特点。

1 传统物理试验仪器介绍

大修临界和零功率物理试验期间，一般需按照图1方式将专用的多笔记录仪和反应性仪按照接线操作手册与上游信号相连接，试验前需设置好反应性仪和记录仪的相关测量参数，并且检查仪器上的数值与电站数据采集系统上的指示值是否一致，如果不一致则需重新检查接线、相关参数物理量程和电量程的设置是否准确，逐一排除原因。图1中的加法器用于引出堆外探测器功率量程电流信号，多笔记录仪2是冗余配置，是用来采集堆芯状态参数，数据采集系统连接两台多笔记录仪专用笔记本电脑，安装了专用数据采集软件。反应性仪有带信号放大器功能的1台反应性仪和专用笔记本1台，因此总计6台硬件设备，这些设置不仅硬件笨重、占用狭窄的主控室空间、搬运不便、接口容易松脱、连接线老化、信号稳定性不足、进口硬件采购困难等问题，因此存在很大的改进空间。

2 美国西屋动态刻棒技术和试验仪器研发

自从核能被用于发电开始，美国的核能技术就一直全球领先，汇集了全世界最优秀的核能研发人才，积累了强大的研发实力。研发出大量的先进核能技术当然也包括核电站先进物理试验方法，其中动态刻棒测量技术是美国西屋公司1990年前后研发出来的，包括试验方法和最新的试验仪器。

这项技术的原理并不复杂，与常规的棒价值测量方法一样，其概念都是基于点堆方程的基础上得出的，分析如下：

点堆模型中反应性和中子通量的关系由下列中子动力学方程确定[2]：

由（1）和（2）式变换整理后得出反应性：

式（3）中的n是表示反应堆功率的电流、電压、脉冲（计数率）等信号。

但点堆模型只能描述反应堆的积分特性，不能描述反应堆内部与能量和空间有关的中子学问题。当有控制棒插入堆芯时，会引起堆内中子通量密度分布形状变化，点堆模型不再适用，需要引入空间修正因子修正这一效应的影响。控制棒插入会带来两种空间效应：一是静态空间效应，控制棒插入之后瞬发中子通量密度发生变化，在极短时间内瞬发中子通量密度分布形状改变。二是动态空间效应，这是由缓发中子通量密度分布形状发生改变引起的，由于缓发中子先驱核衰减时间较长，控制棒插入之后通常需要十几分钟缓发，中子分布形状才能达到稳定状态。

试验过程中的空间效应需要用专用的三维堆芯软件计算空间修正因子，包括静态空间因子和动态空间因子对堆外探测器电流进行修正，在线或离线处理软件进行棒价值计算。

在反应性测量中通量水平较低时，源项应当考虑。当通量的电流测量值超过10～8 A时，源项的作用可以忽略不计。

西屋动态刻棒试验反应性仪是专门为自己的动态刻棒技术研发的，虽然使用方便，但是国内核电站不能照搬照抄，需要根据实际情况对试验方法和仪器进行改进，才能更好的满足国内核电厂的需求。

3 国内物理试验仪器的研发和改进

自从2009年大亚湾和岭澳核电站引进西屋公司的动态刻棒技术以后，国内许多研究所和高校都开始整合科研力量，自主研发这项技术，在很短的时间就攻克了动态刻棒技术并投入实际应用，打破西屋的技术垄断，为电厂带来可观的经济效益。

当然技术原理都是一样的，都是专用软件计算静态和动态修正因子修正空间效应，目前国内各大发电集团和研究机构都组织了专门的研发力量。

动态刻棒技术需要专用的反应性仪来辅助，现在国内很多设计单位开发的新型反应性仪实现了强大的功能，基本上都兼备多笔记录仪的功能，将多路P2信号接入反应性仪，实现堆芯重要状态参数的在线监督。在增加功能和便利性的同时，实现试验仪器的精简。

这种新型的反应性仪由1台信号调理器和1台数据处理器（笔记本电脑）构成，信号调理器和数据处理器之间通过数据线连接，如图2所示，其中信号调理器将堆外探测器的电流转化为实时的数字信号。信号调理器由低压电源模块、小电流放大模块、采集处理功能组成。图2中具体的信号输入输出流向、电流以及电压信号需要区别，有的信号输入和输出以电流形式，有的以电压形式，有的信号既可以电流也可以电压形式，比如反应堆中子通量既可以设置成电流输入信号，也可以设置成电压输入信号。这种新型的反应性仪不仅集成了传统多笔记录仪的所有功能，实现P2数据采集和在线显示，而且增加了很多实用功能，比如增加装卸料临界安全监督，启堆达临界外推，离线处理，反应性精度检查。

3.1 新型反应性仪功能介绍

仪器通电时自动调出软件的在线测量功能主菜单界面。另外，当操作人员退出应用程序的运行环境后，还可以鼠标点击桌面上“在线测量”、“离线处理”、“临界监督”和“动态刻棒”四个图标来运行相应的应用软件。图3是新型反应性仪的功能界面示意图。

3.1.1 信号采集功能

（1）采集通过反应性仪信号调理器串口通讯接口送来的来自探测器的2路小电流信号以及来自核测量系统输出的2路0～10V电压信号。

（2）采集来自反应性仪信号调理器串口通讯接口送来的8路P2参数。P2参数与反应性直接相关，可以是温度、压力、棒位等，与反应性及中子探测器信号同时显示在测量屏幕上，并参与离线数据处理计算，P2有自动和手动两种采集方式。

3.1.2 参数设置功能

反应性仪在开始测量之前，需要设置必要的工作参数。一旦工作参数设置完成并保存，若不进行新的修改，则软件将保持设定的参数值进行以后的所有测量及计算。当第一次使用软件时，软件的工作参数为初始设定值，以后每次使用软件，软件就处于用户前次使用时所处的工作参数状态，除非用户有新的参数修改要求，否则不必重新设置工作参数。

所有的参数设置被同时保存在硬盘文件中，用户可直接用任意文本编辑器打开。

3.1.3 自检功能

仪器根据设置的反应堆周期或倍增周期值，产生指数信号，可以对设备进行自动检查，以判定其工作正常与否。

3.1.4 精度检查功能

反应性仪包括以下离线数据处理功能，即数据文件复现、精度检查、温度系数处理和棒值处理，可以覆盖反应堆临界外推、周期计算、反应性仪校刻、末端反应性价值计算、慢化剂温度系数计算和调硼法测量棒价值等各项试验的数据处理。

3.1.5 报警功能

当堆功率和反应性超过参数设置的量程档时，仪器在人机界面上亮起红色指示灯，并伴随蜂鸣器报警。

3.1.6 容错功能

（1）正常情况下，软件可无故障连续工作24h。

（2）具有一定的容错和逻辑判断能力，设定某些提示信息防止用户错误操作，当用户出现错误操作或违反指定规则时，能够保证软件自身功能运行正常。

（3）具有易恢复性，当故障发生时（例如通讯故障等）能较快重新建立其性能水平，并恢复直接受影响的数据。

3.2 新型反应性仪性能

3.2.1 易用性

（1）具有易理解性和易学性，用户可在较短时间内理解软件功能，并学习其应用。

（2）具有良好的人机交互性能。

（3）具有操作简单特点，用户可根据需要对软件进行配置，可采用鼠标点击和快捷键等方式对软件进行控制。

3.2.2 可维护性

（1）具有易分析性，较容易诊断软件缺陷和失效原因。

（2）较容易对软件进行修改、排错和适应环境变化的修改。

（3）具有易测试性，可对软件进行测试确认。

3.2.3 数据安全性

当用户开展物理试验时，由软件自动在硬盘上存储试验数据并生成文本文件。文本文件内容可在Windows操作系统中用任何文本编辑软件查看和编辑，其中文件名称由用户手动输入，文件内容则包括测量起止时间，文件头相关信息，中子通量信号、测量的反应性、P2参数、经静态修正因子修正后的实测电流信号、经动态修正因子修正后的反应性。

4 结语

随着技术的研发和进步，将出现越来越多的先进物理试验方法，伴随而来的是更加先进、智能、便捷的试验测量仪器，通过近10年的努力改进，国内核电厂的物理试验方法和测量仪器有了巨大的发展和进步。

参考文献

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