核电站安全壳内乏燃料水池事故工况液位计国产化研发

彭运美，董帅军，高飞洋，贺 博

（江苏核电有限公司 仪控处，江苏 连云港 222000）

福岛核事故后，国家核安全局发布了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》。通用技术要求规定，在建和运行压水堆核电厂的乏燃料水池液位计应为宽范围量程，满足抗震要求，液位计的测量区间应包括乏燃料开始裸露的水位到满水位，在主控室或其他适当位置设置相关的指示信息与相应的报警，液位计的测量应保证在事故后相应环境条件下的设备可用性[1]。

田湾核电站VVER 堆型机组乏燃料水池（下称乏池）位于安全壳厂房内，每台机组设计有两台用于事故工况下监测乏池液位状态的仪表，液位计采用改进型E+H 电容式，原型仪表已经停产。受运行环境的严苛要求以及安装位置的限制，国内其它堆型核电站使用的乏池液位计不能满足安全壳内乏池的液位监测要求。

1 概述

1.1 安全壳内乏池的特殊性

国内核电站有M310、VVER 和AP1000 堆型3 种典型机组，其中M310 和AP1000 堆型机组的乏池布置在安全壳外，VVER 堆型机组的乏池布置在安全壳厂房内，田湾核电站1 ～4 号机组即为VVER 堆型。安全壳内乏池的特殊性体现在：

其一，安全壳内乏池发生严重事故将导致安全壳压力升高，其内存储的乏燃料元件损坏后可能导致裂变产物释放，且可能产生氢气，威胁安全壳的完整性。其二，在安全壳内严重事故工况下，安全壳内乏池及测量仪表将直接暴露在恶劣环境中，承受包括壳内高温、高辐照环境以及化学介质喷淋等风险。

因此，为保证乏池在事故中与事故后的功能实现，缓解事故影响，相较于安全壳外乏池，安全壳内乏池用于事故工况下的液位监测仪表有更高的设计要求。

1.2 乏池事故工况液位计的设计要求

田湾核电站VVER 堆型机组各机组设计有5 台乏池液位计，其中3 台为正常运行工况液位计，两台为事故工况液位计。乏池事故工况液位计可为乏池提供正常运行条件下、事故条件下及事故后长期冷却期间的液位监测，能够连续测量从乏池底部到满水位（0m ～16m）的全量程液位。

田湾核电站的安全壳内乏池事故工况液位计，设计要求主要有：

1） 测量0m ～16m 全量程液位，24VDC 供电，4mA ～20mA 输出，测量精度±4cm。

2）抗震1 类。

3）放射性累计吸收剂量为1×106Gy/40a。

4）满足安全壳内环境恶劣曲线要求。

2 研发的技术路线

2.1 总体技术方案

安全壳内乏池事故工况液位计采用分体的缆式导波雷达液位计，分为现场测量组件、同轴电缆和就地仪表箱。

测量现场在安全壳内，为核辐射覆盖区。在正常运行环境下有微量核辐射，在严重事故条件下可能会有大剂量核辐射。在本区域布置液位传感器，要求所有部件都能承受高强度的核辐射，因此选择分体式设计，测量系统的示意图如图1 所示。

图1 乏池事故工况液位测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of liquid level measurement system for spent fuel pool accident conditions

现场测量组件为传感器部分，整体为不锈钢结构，不含电子元器件，从而大大增强耐辐照和耐腐蚀能力；变送器部分为电子电路部分，安装在就地仪表箱内，就地仪表箱布置在安全壳环廊，该区域为低辐射的环境缓和区，便于操作人员在正常以及事故工况下安全地从就地读取乏池液位数据；现场测量组件连接耐辐照的电缆，经安全壳贯穿件后连接到就地仪表箱，电缆用于传输高频电磁波，因传输路径长，选用超低衰减的抗辐照、高强度的同轴电缆。

2.2 雷达信号设计

导波雷达液位计利用TDR（时域反射）原理，采用高频电磁波发射-反射-接收的方式，检测传播至法兰处的顶部回波和触碰液面后的物位回波。根据两者之间的时间差计算出液面高度，这个时间差一般在10ns 以内。如果直接测量时间差来计算液位，要达到毫米级别的精度，则测量时间的精度以及采样、处理的速度要达到皮秒数量级，实时采样、数字计数等传统时间测量方式很难达到如此高的要求。对于乏池液位来说，毫秒级别内的液位变化可以忽略，因此把乏池的液位回波信号看为准周期性的重复信号，应用等效时间采样法进行雷达信号设计。

等效时间采样是指对于频率很高的周期性或者准周期性被采样信号，用较慢的采样频率捕获信号样本，然后将样点值按照一定规律或算法重新组合，得到与原信号波形相似的低频信号，从而实现利用较低的实时采样速率获得较高的等效采样速率[2]。其原理如图2 所示。

2.3 系统架构设计

安全壳内乏池事故工况液位计现场测量组件无电子部件，雷达信号发射、接收以及信号处理的电子元器件集中在就地仪表箱内。仪表箱按照功能模块可划分为雷达液位计模块GWR、报警输出板卡模块ALARM、供电模块POWER、液晶屏驱动模块UI 等四大部分，其中GWR 模块又可分为负责射频信号收发的RF 板卡和负责信号采集与处理的MCU 板卡。就地仪表箱的架构设计如图3 所示。

雷达液位计模块GWR 主要负责液位测量和液位报警判定。RF 板卡发射射频信号到液位传感器，接收液位传感器反射回来的射频信号，经时域展宽和放大处理转化为连续模拟量信号并发送给MCU 板卡；MCU 板卡以高速处理单元为核心，搭配模数转换、外部存储等器件，实现液位信号的高速、高精度地采集。另外，MCU 板具备RS485 通讯功能和4mA ～20mA 液位信号输出功能，并可输出9 路液位报警信号至ALARM 模块。

ALARM 模块根据报警信号驱动相应继电器，输出相应的通断量报警信号。POWE 模块设计有两路，接收来自外部的24VDC 或220VAC 并转化为就地仪表箱内各部分电路的供电。

UI 模块主要负责驱动液晶屏显示和接收按键信号，通过驱动液晶屏向用户显示液位值、报警信息等，此部分显示信息通过串行通讯与GWR 模块进行信息交互获取。此外，按键指令还可通过串行通讯对GWR 模块进行配置和调整。

2.4 结构设计与材料选型

根据现场安装环境以及超长量程的设计要求，现场测量组件采用缆式设计，便于现场安装。缆式测量组件采用316L 不锈钢构成，确保可满足现场高温、高压、高辐照的环境工况要求。

按照设计要求，用于超设计基准事故的仪表电缆要符合K0 等级要求，低烟无卤阻燃。同轴电缆参照K0 等级电缆技术要求进行选择，并与测量组件共同完成超设计基准事故鉴定试验。

就地仪表箱要达到抗震1 类设计要求。箱体采用Q235碳钢材质构成，以保证其结构的可靠性，并且安装在环境缓和区域的抗震支架上，以保证其运行的安全性。

仪表箱内的电子元器件，严格按照GJB3404-98《电子元器件选用管理要求》和GB/T4589.1-89《半导体分立器件和集成电路总规范》进行。处理器和元件以符合主流的工业高品质或军工品质为选择原则，优先选用通用元器件，对于指定型号器件，必须具备替代方案。此外，为了提高电仪板件产品在系统运行中的可靠性，对制造产品中所有元器件进行筛选，除了进行目测、常温测试和功能测试等常规测试外，还按照《核级仪控插件元器件筛选技术规定》进行环境应力筛选。通过环境应力筛选将元器件和部件的早期失效剔除，并暴露设计和制造工艺的不足，从而使电子产品的可靠性得到保证。

3 研发的关键技术问题与解决

由于安全壳内乏池事故工况液位计在安装上和工作环境方面具有特殊性，并且对仪表性能还有高可靠性的要求，因而分体式导波雷达液位计在满足抗震设计、耐受高辐照和腐蚀要求之外，如何实现同轴电缆的远距离信号传输，提高仪表测量的可靠性成为研发成功的关键因素。本项目的国产化研发，攻克了上述两大关键技术，同时也解决了为提高抗干扰性能而带来的信号输出响应滞后问题。

在釉质脱矿抑制的效果上，绿茶浸提液、碳酸氢钠液、多乐氟均能抑制釉质脱矿，改善釉质表面微观形态；其中绿茶浸提液抑制釉质脱矿的效果最好，碳酸氢钠液次之；多乐氟抑制釉质脱矿的能力较弱，而奥威尔牙膏和人工唾液对抑制釉质脱矿的效果则无明显差异。但奥威尔牙膏使用方便，不含氟化物，更为安全健康，且对釉质脱矿有一定治疗作用。

3.1 同轴电缆的远距离信号传输

同轴电缆由内外两层导体及导体之间的绝缘体介质组成，外导体的外面有保护套，在保护套的外层还有金属屏蔽层。受导体电阻、绝缘性能、屏蔽效果、温度变化等因素影响，信号在同轴电缆中传输时，沿传输路径有一定程度的衰减，从而造成信号的不断损耗[3]。当信号抵达终点后，信号幅度减少，可能会达不到正常工作的要求值。

市面上分体式导波雷达液位计的同轴电缆长度通常不超过20m，但经核实现场路径，安全壳内乏池事故工况液位计的分体距离需超过120m，因此同轴电缆传输信号的距离远超同类型普通仪表。为保证良好的信号传输，本项目采取了如下措施：

首先，选用抗辐照、高强度的超低衰减同轴电缆，以减少传输信号的信号失真。其次，在变送器硬件设计上，提高电磁波脉冲的发射功率，达到增大终点处的信号强度的效果。再次，在软件设计上采用小信号甄别技术：MCU板卡搭配的A/D 转换模块采用精密的模拟信号采集处理电路，模拟电压信号经其转换为处理器可读取的数字信号；MCU 板卡的中央处理单元控制RF 板卡雷达发射频率，并读取A/D 转换模块转化的数字量雷达信号，以及与雷达信号特性进行对比计算处理，从而屏蔽掉非雷达信号，实现小信号甄别，如图4 所示。

图4 小信号甄别原理框图Fig.4 Block diagram of small signal discrimination principle

经试验验证，本项目的同轴电缆信号传输的有效距离达到了150m，保证了仪表功能的实现。

3.2 液位计测量的可靠性

在事故工况下，乏池液位计的测量过程易被不稳定和恶劣的环境因素所干扰，如水位的大幅扰动、外部的电磁信号、缆绳颤动摇晃等，可能导致液位计的测量精度严重偏离，或者液位计自身出现错误而无法正确监测到乏池液位。为解决上述问题，研发的液位计必须要提高抗干扰性能，以保证测量结果的高度可靠性。本项目采取了如下措施：

第一，测量组件设计有不锈钢材质的同轴导波保护管，在保护管上部设置通气孔、下部设置进液孔，可以消除液面波动的干扰。此外，保护管可起到对外界干扰的屏蔽作用，限制导波缆的最大横向位移，从而保护电磁信号的传输，为电子电路部分提供良好的液位信号。

第二，就地仪表箱对测量组件返回的乏池液位信号进行处理，在MCU 板卡中经过超前预测、图形识别、主动降噪等算法的处理，获得精确的乏池液位信息，再形成模拟量、数字量以及报警信号并将相应的乏池液位信号传送到主控室。

第三，MCU 板卡既可输出4mA ～20mA 模拟量信号，亦可输出9 路数字量报警信号。将乏池开始裸露的水位等重要的液位监测高度设置为报警点，在当模拟量信号出现故障时，9 路报警信号的状态显示可以反馈乏池液位的关键水位信息，并可在就地仪表箱的显示屏上直接读取。模拟量液位信号与数字量液位信号的双重配置，大大提高了乏池液位状态监测的准确性和安全性，从而有效地避免核电站在发电过程中造成的损失与危险。

3.3 液位计响应时间

分体式导波雷达液位计样机研制后，在进行液位计的功能性试验时，发现仪表输出的液位信号严重滞后。试验装置与过程如下：取2m 长的缆绳组装到导波雷达液位计样机，样机安装在试验水槽台架上，水槽深度2.5m；样机表头通过两段总长150m 的同轴电缆（两段电缆之间连接贯穿件导体）连接到就地仪表箱；在就地仪表箱的显示屏读取示值和通过输出端口测量输出信号电流；控制水槽液位变化，变化速率约为15cm/min，将样机测量值与水槽标准液位示值进行同步比较。试验结果表明，当液位稳定时，液位计测量误差最大值为0.4cm。当液位以15cm/min 速率变化时，液位计输出响应滞后约6min。

经排查分析，确定仪表测量输出响应滞后的原因有三方面，同轴电缆传输路径常产生滞后、信号处理逻辑程序运算耗时长而滞后，以及输出信号的平滑处理造成滞后。其中，程序运算耗时长为主要原因，其运算的设计理念与过程为：为了保证研发液位计测量的准确性和提高测量过程抗干扰的能力，在MCU 板卡的算法程序中，对每相邻的两次液位计算值进行比较，以连续4 次液位计算值的同向变化来判定液位是否真实上涨或下降，再根据变化幅值和进行平滑处理后，才最终输出液位信号。

针对该主因，通过降低相邻两次液位计算值比较判断阈值的方式，对信号处理逻辑程序进行了优化，并采用试验的方式确定了液位比较判断的新阈值。优化后，重新进行如上所述的功能性试验，在液位以15cm/min 的速率快速变化时，仪表输出信号的滞后时间降低至3s，达到了对响应时间的要求。

4 鉴定试验

根据田湾核电站VVER 堆型机组的设计输入，乏池液位计为SR 级设备。为了更全面地验证液位计能在正常条件下、事故条件下及事故后长期冷却期间实现液位监测功能和性能，本项目参考1E 级电气设备鉴定等级要求进行了鉴定试验。

4.1 选用标准或规范的原则

本项目的鉴定试验大纲，引用的标准和规范其选用原则[4]如下：

首先，总体上采用国际和国家有关1E 级电气设备鉴定原则中要求的标准或规范，液位计样机设备应符合RCC-E和IEC 标准及有关的技术规范，在鉴定试验的具体规定和要求上参照或参考RCC-E 系列及其配套规范以及IEC 标准。其次，在液位计样机设备的基本性能试验和环境试验的方法和条件方面，参考核电厂安全级电气设备质量和环境试验标准，尽量考虑与国家和国际（IEC）标准的一致性。再次，在鉴定试验的具体执行和实施方面，优先考虑采用已被国内较普遍认可和接受的适用标准或规范，如核设备抗震鉴定试验指南HAF-J0053 等。

4.2 鉴定试验

乏池事故工况液位计测量组件的导波缆长16m，若以样机整体做试验，则试验样品比较大，难以实施。根据GB/T 2421-2020 第8 条规定：“当试验样品过大或过重不能用整个样品进行试验时，可分别对主要部件进行试验。相关规范应给出要采用的试验方法和细节。”[5]结合实验室环境试验箱、辐照试验装置、振动台面大小与抗震台大小，相关试验中样机的测量组件取缆长1m，连接电缆长度5m；对于抗震分析鉴定，现场测量装置按照设计长度16m 进行抗震鉴定分析。

鉴定试验大纲的试验项目与试验顺序，基于EJ/T 1197-2007 和GB/T 12727-2017 的要求确定，参照K1 类质量鉴定程序进行，并在样机完成完整K1 类鉴定试验后，继续进行K0 类的超设计基准事故鉴定试验。按照试验大纲，样机设备先后进行试验前的基准试验、电磁兼容试验、极限运行条件下的试验、热老化试验、辐照试验、事故工况引起的应力试验、LOCA 试验（超设计基准事故试验）和鉴定试验后的基准试验，各项鉴定试验均已完成并通过。

5 结束语

加强严重事故下乏燃料水池状态的监测能力，提高应急水平，这是各国核电站汲取福岛核事故经验反馈的改进行动，也是对核监督部门要求的落实行动。通过开展安全壳内乏池事故工况液位计的国产化研究，田湾核电站项目组打破了国外的技术垄断，完成了一种新型乏池液位计的产品研发。该新型的国产化产品，提高了乏池液位测量的可靠性，不仅可用于田湾VVER 堆型机组安全壳内乏池液位计的换型替代，也满足国内其他堆型核电站乏池液位监测的技术要求，具有较大的推广价值。