堆芯核测探测器故障处理及现象分析

赵 亮，王 佳，陈锦裕

（福建福清核电有限公司，福建福清 350318）

0 引言

反应堆堆芯核测系统是核电站核测量系统的一个重要组成部分，其主要作用是测量反应堆堆芯功率分布，校刻堆外核测系统并提供堆芯燃耗的历史数据。作为堆芯核测系统的重要部件，目前国内外常用的中子探测器主要有可移动微型裂变室探测器、固定式自给能钒（铑）中子探测器和气动球活化测量探测器。

福清核电（即福建福清核电有限公司）1号、2号机组采用法国AREVA公司的微型裂变室探测器进行堆芯中子注量率的测量，是目前国内多数M310核电机组采用的测量方式。堆芯核测探测器的运行性能直接影响到机组的稳定经济运行。为了有效维护堆芯核测探测器的运行，本文通过分析福清核电功率运行以来出现过的多起探测器相关故障，总结提高系统设备可靠性的维修方法。

1 微型裂变室工作原理

堆芯核测探测器是堆芯测量的敏感元件，又称微型裂变室，外径4.7 mm，长66 mm。中子是不带电荷的粒子，不可能直接探测它们。微型裂变室通过中央涂有二氧化铀的电极，两层同心包壳之间充以氩气。裂变室端部连接到螺旋驱动电缆上，在相关外设的配合下驱动电缆促使裂变室进入反应堆中心区域，由热中子射入到微型裂变室灵敏体内，打在涂有二氧化铀的电极上，使235U核发生裂变。裂变产生的重的带正电的裂变碎片使氩气电离，产生电子—正离子对。电子和正离子在外加电磁场作用下向两极漂移，而形成脉冲，电子—正离子向两极漂移形成的电脉冲叠加起来，则形成电流。微型裂变室的输出平均电流I0=SNφ。其中，SN为微型裂变室灵敏性系数；φ 为变堆芯中子通量水平。

探测器通过指套管内部插入堆芯，指套管沿着L形导向管一直插至推芯顶部，与手动阀、密封段组成一回路边界。机械执行机构由电动阀、各类选择器和驱动装置等组成，实现将探测器插入指定通道的目的。控制部分由控制柜、分配柜、继电回路及显示单元组成。每个探测器有一个独立电源，提供可调的直流电压，正常运行时工作电压设定为125 V。

2 50%FP平台堆芯核测探测器坪特性曲线不合格

2.1 故障现象及可能的原因

在执行福清核电2号机组中子注量率刻度调试规程时发现，3个探测器在10%FP和30%FP功率平台坪特性曲线有超验收规范的趋势，而50%FP坪曲线斜率达0.33%/V，超过验收规范0.2%/V（图1）。FP即满功率，是Full Power的缩写。

此故障的可能原因主要有3个：①探测器性能下降；②探测器或测量回路绝缘问题；③机柜数据处理过程非线性放大造成误差。

图1 异常的坪特性曲线

2.2 故障处理

对机柜卡件精度、回路绝缘等进行检查未见异常，更换探测器后坪特性曲线恢复正常。

由于堆芯核测探测器制作工艺的特殊性，同时堆芯中子通量测量对反应堆控制和安全至关重要，国外有电厂采用定期更换中子探测器的方法来保证设备可靠性，此方法固然可行，但周期短成本高。也有根据使用次数来决定的，如探测器使用达到3500次左右时进行更换。而普遍的做法是，通过探测器坪曲线、探测器测试数据有效性以及螺旋电缆的磨损情况，来评估探测器是否满足运行要求。

福清2号机组首次50%FP功率平台测试，3个探测器的坪特性曲线坪区斜率过大，不满足验收准则。为保证测试数据的有效性，功率运行前更换了3个故障探测器。分析主要原因为：该批次探测器生产质量缺陷，导致首次使用即超出验收准则。

目前检查探测器性能主要通过分析坪特性曲线和测量绝缘电阻两种方式，由于坪曲线绘制在临界后功率运行期间执行，而且绝缘电阻不能直接反映探测器性能优劣，因此提高生产阶段系统设备可靠性显得尤为重要。

3 探测器绝缘下降导致测量数据异常

3.1 故障现象

进行堆芯功率分布测量时，1号探测器出现“Flux value beyond the threshold of overload channel 1”故障报警，1号探测器的测量数据明显高于其他探测器（图2）。

图2 MAP242-PASS1每8 mm中子通量数据

虽然存在异常报警，但是1号探测器坪特性曲线正常，物理人员数据处理合格。随着试验次数的增加，1号探测器相对于其他探测器的校刻因子也在不断变大，最终出现测量数据不合格。

3.2 故障的排查与处理

绘制坪特曲线进行排查，结果显示极化电压处斜率合格，坪区比较平稳。探测器绝缘和电容检查，发现探测器绝缘有所下降：大修期间大于110 MΩ，故障状态下为64 MΩ。回路电容也发生改变：大修期间为11 μF，故障状态为43 μF。这说明探测器或者同轴电缆回路中存在绝缘不良。分段检查后，确定探测器损坏，经烘干处理无效。更换备件，故障消除。

为保障探测器的正常运行，探测器以及电缆的绝缘电阻测量是重要预防性维修工作。由于整个通路的同轴电缆、贯穿件和探测器以及螺旋驱动电缆都可能是故障点，以前的做法是分段测试，找到故障区域再行处理。目前使用时域反射仪进行更为直接便捷的诊断，而无需分段测试。

常用同轴电缆主要由内导体、金属屏蔽网及绝缘介质组成，电缆可以看作长线。时域反射仪实际上是一个小型的一维雷达，它向电缆一端注入低压脉冲，该脉冲沿着电缆传播，若电缆存在断路或短路故障，该区域同轴电缆特性阻抗发生变化，脉冲在其中的传播将发生反射和透射，时域反射仪捕捉反馈信号的异常，即可通过运算确定故障位置，还能从阻抗的变化中发现电缆的故障趋势。通过该方法测量可以准确定位故障点，同时不会对电缆造成损伤。图3为时域反射仪测量正常通路的波形。

图3 时域反射仪测试正常波形

4 探测器驱动设备故障的影响

为完成堆芯核测，除探测器外还有一整套机电设备，包括紧密连接探测器的螺旋驱动电缆、指套管、组路选、移动支架、驱动单元、控制机柜、控制卡等。驱动单元的驱动轮盘和导向链配合，带动螺旋驱动电缆在有一定弯曲弧度的指套管与保存通道之间来回运动，同时把测量数据传送回机柜供分析处理。任何辅助设备发生故障，探测器将不能正常完成测量工作，常见有卡塞问题。

对于福清1号、2号机组首循环出现大量的卡涩缺陷，经过故障排查和缺陷处理后，排除驱动机构、组路选择器、电动阀和管道故障后，确认最主要的原因是法国厂家提供的螺旋电缆润滑剂已过期失效，更换润滑剂后系统运行状态恢复正常。

由于探测器相关支持设备繁多，机电一体化控制设备复杂，故障处理难度大，需认真分析，逐项排查，才能保证探测器的正确动作。同时也需要加大预防性维修力度，定期检查清洁指套管、调试驱动单元、组选路选电动阀等。

5 探测器互校准

结合福清核电1号、2号机组首个燃料循环以来的故障，总结堆芯核测探测器的维修方法。考虑探测器坪特性曲线斜率、坪区、拐点、数量级的同时，关注探测器互校因子的变化。

由于堆芯核测系统采用5个探测器同时对堆芯多个通道进行测量，而每个探测器都有它自身的灵敏度，每次物理试验前都需要对探测器相互之间的电流数据进行互校准。假设以1号探测器的测量数据作为标准，那么另一个探测器相对于1号探测器就有了一个校刻因子，经过修正的数据将能更加真实地呈现反应堆的运行情况。根据试验的需要，通常采用参考通道试验法和循环互校试验法两种方法。

6 结束语

在探测器绝缘和整个同轴电缆的电容检查正常之后，使用时域反射仪测量连续性可以作为一种补充参考方法，同时记录变化趋势，便于分析探测器性能以及老化情况。从以上分析可以看出，故障原因可能会有多种形式，但只要仔细区分其中细微的差别，同时充分利用新的诊断工具，就能更好地完成维修工作。