AP1000堆外核测功率量程信号处理详述

聂森 刘辰星

摘要：堆外核测系统通过测量堆芯泄漏中子通量，提供反應堆功率的指示并参与反应堆保护功能，功率量程作为堆外核测系统的组成部分，参与停堆保护、轴向功率控制等功能，本文从探测器信号产生、机柜硬件处理及软件处理三个方面详细介绍了信号处理流程。

0 引言

AP1000堆外核测系统（NIS）作为反应堆保护和监视系统（PMS）的子系统，通过堆外核测探测器测量堆芯泄漏中子通量，反映反应堆内核功率水平，为PMS系统提供核启动停堆及超功率停堆信号，并提供相关联锁信号。NIS系统包括四个冗余且相互独立的通道，为确保对量程范围高达9个数量级的泄漏中子通量进行高精度测量，每个通道包括三种量程相互重叠的堆外核测探测器，分别称作源量程（Source Range，SR）、中间量程（Intermediate Range，IR）和功率量程（Power Range，PR）。

每个通道的功率量程包括上下部两段探测器，探测器产生的信号经过堆外核测信号处理机柜处理后，送往PMS系统并使用NIS处理器中的软件进行处理，最终为PMS系统及电厂控制系统（PLS）提供反应堆功率及轴向功率偏差（AFD）信号，参与停堆保护、轴向功率控制并提供相关联锁信号。功率量程信号处理主要包括探测器信号产生、NIS信号处理机柜硬件处理及PMS系统软件处理。

1 探测器信号产生

功率量程探测器类型为非补偿电离室，安装完成后上部探测器中心位置与堆芯上半部中心线平齐，下部探测器中心位置与堆芯下半部中心线平齐。探测器主要构件是两个同心圆筒型电极，分别为信号电极和高压电极，信号电极上涂有高富集度（>90%）的，用于与中子发生反应;高压电极上加高压，在两个电极之间形成电场;探测器内部充有1个大气压的氮-氦混合惰性气体，作为电离的工作气体。

当中子进入电离室灵敏体积时，中子与发生反应，产生带有一定动能的α粒子和核，它们射入电离室的工作气体，使惰性气体分子电离或激发，生成大量的电子和正离子，这些电子和正离子在外加电场的作用下分别向两极漂移，形成正比于入射中子注量率的电流信号。

功率量程探测器对中子的的灵敏度为6E-13 A/nv，可用于探测的中子通量范围为5E2nv到2E10nv，对γ射线的灵敏度小于1E-10 A/R/hr。在功率运行期间，由于中子产生的电流远大于γ射线产生的电流，且大多数γ射线与功率水平成正比，因此不需进行补偿。

功率量程探测器工作在电离区，一旦高压产生的电场强度足够大使得离子对无法复合，探测器输出电流就不再受高压变化的影响，在正常运行时，探测器输出电流仅受中子通量变化影响，且与中子通量的变化成正比。每段功率量程探测器可测量的功率范围为1～80%，两段加起来测量的范围为1～160%。

2 NIS信号处理机柜硬件处理

在NIS信号处理机柜内使用功率量程信号处理卡件（PRPM）对功率量程探测器产生的电流信号进行处理。由于探测器产生的电流信号比较微弱，100%功率时大约为600μA，为保证信号传输质量并满足PMS机柜内的模拟量输入卡件（AI688）的接口要求，需将电流信号转换为电压信号。考虑到堆芯寿期内探测器输出电流可能会改变，在进行电流电压转换时使用可调节增益，在满足AI688卡件输入信号0～10V量程范围要求的同时尽可能提高精度。以上部探测器为例，电流电压转换电路使用PRPM上的两个五档旋钮（S1、S2）进行增益调节，共可获得25种增益，每种增益对应一个反馈电阻（Rf），电流电压转换公式如下：

为确保在160%功率时PRPM输出信号不超过AI688卡件的量程上限10V，在100%功率时PRPM输出信号不能超过10/1.6=6.25V。增益旋钮选择的原则为100%功率时的输出电压信号应尽可能接近6.25V但又不超过6.25V。PRPM输出的电压信号送往PMS机柜进行软件处理。

3 PMS系统软件处理

PMS系统内有一个处理器专门处理堆外核测相关信号，在接收到AI688输入的信号后，首先将AI688输入的百分比信号转换为电压信号（100%对应10V），然后使用电压除以当前所选增益对应的反馈电阻Rf。

软件确定当前增益对应Rf值的方法为手动输入当前旋钮（S1、S2）的档位，通过查表获得对应的Rf值。得到探测器输出的电流值后，使用公式（1）将电流值转换为功率值

KISC是基于探测器灵敏度和满功率中子通量得出的预测值，通常为0.1355%/μA，通过KISC转换得到功率值使用公式（2）进行修正。

由于功率量程探测器安装在压力容器外，输出信号受到下降段的水密度影响，为补偿这种影响，需使用公式（3）对修正后的探测器功率信号进行补偿。

其中补偿因子使用公式（4）计算

公式（4）中的系数A用于调节，使满功率时该补偿因子的值为1;系数B由曲线的斜率决定，为下降段的水密度，是稳压器压力和冷腿温度的函数。

经过补偿后的上部功率量程信号与下部功率量程信号相加，得到未修正的反应堆功率，为确保最终输出的反应堆功率与热功率匹配，需使用公式（5）进行修正，得到修正后的反应堆功率。

为确保功率运行期间修正后的反应堆功率与热功率保持一致，需每隔24小时对修正后的反应堆功率进行检查，若与热功率偏差超过5%，则通过调整可调增益，使修正后的反应堆功率显示与热功率一致。修正后的反应堆功率信号提供功率量程高中子通量停堆、功率量程高正变化率停堆保护及P-10连锁信号。

经过补偿后的上部功率量程信号减去下部功率量程信号，得到未修正的轴向功率偏差，然后通过公式（6）进行修正，得到修正后的轴向功率偏差。

修正后的轴向功率偏差信号将参与反应堆超温（OTDT）、超功率（OPDT）停堆信号的计算，并送往PLS，用于控制AO棒移动，调节轴向功率偏差。

4 结论

（1）功率量程探测器工作在直流电流模式，因此不需要前置放大器对信号进行放大，对比源量程及中间量程信号处理流程，功率量程信号处理过程较简单，但功率量程产生的信号用于反应堆保护系统核启动停堆、超功率停堆等保护功能，并提供P-10信号连锁。同时送往PLS系统参与轴向功率偏差调节，对核电厂的运行具有重要意义，了解功率量程信号处理流程，有助于在故障出现时根据故障现象快速定位故障位置，有助于保障电厂安全稳定运行。

（2）使用可调增益对电流进行放大并转换为电压信号，有助于提高信号传输质量，并在满足卡件量程范围的同时尽可能提高精度，软件处理环节中设置多个可调增益及可调偏置，可满足机组启动不同阶段的调节需求。探测器使用非补偿电离室，无调节补偿电压需求，降低维修负荷。

参考文献：

[1]AP1000堆外核测系统信号处理分析.何玉鹏，李恕群，王超.DCS控制系统，2015.

[2]安继刚. 电离辐射探测器 [M]. 北京： 原子能出版社， 1995.