杜曉光，王銘濤，汪明珠，陳章國，肖功珊，黃國良，張 堯，陳雅杰

（中核 ＜北京＞ 核儀器廠，北京100076）

核電站反應(yīng)堆的堆芯由燃料組件、控制棒束組件和中子源組件等組成。堆芯內(nèi)燃料組件中的燃料發(fā)生核裂變反應(yīng)后，釋放出熱量，將反應(yīng)堆內(nèi)的一回路冷卻水加熱，一回路水通過熱交換將能量傳遞給二回路水并產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)將核能轉(zhuǎn)化為電能。

在核裂變過程中，反應(yīng)堆不是一個(gè)靜止的系統(tǒng)，而是一個(gè)在運(yùn)行中相關(guān)物理量不斷變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。由于核燃料的裂變、冷卻劑溫度不均勻等原因，堆芯中子注量率分布會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。因此核電站必須具備監(jiān)測堆芯中子注量率的系統(tǒng)。

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)屬于反應(yīng)堆核測量系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用于測量反應(yīng)堆堆芯的中子注量率分布，監(jiān)測堆芯功率畸變，積累燃耗數(shù)據(jù)，對(duì)核電站的安全運(yùn)行起到重要的作用，見圖1。

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)主要設(shè)備包括：主機(jī)柜、通道柜、分配柜、微型裂變室、導(dǎo)向管、指套管、密封段、手動(dòng)閥、連接管組件、止回閥、電動(dòng)閥、選擇器、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向管支架、導(dǎo)向管貫穿件、保護(hù)通道、電纜托架、連接管系、移動(dòng)支架、固定支架等，見圖2。

圖1 堆芯中子注量率測量系統(tǒng)Fig.1 In-core neutron flux instrumentation system

圖2 堆芯中子注量率測量系統(tǒng)控制柜Fig.2 Control cabinet of in-core neutron flux instrumentation system

1 國內(nèi)外概況及發(fā)展趨勢

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)用于提供反應(yīng)堆堆芯中子注量率分布。中子注量率的實(shí)測數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證堆芯設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)對(duì)該系統(tǒng)具體的測量要求，可以采用不同的測量方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，目前國內(nèi)外核電廠采用的測量方法主要有移動(dòng)式微型裂變室測量法、固定式自給能釩（銠）中子探測器測量法和氣動(dòng)球活化測量法。

國內(nèi)包括秦山一期、二期、大亞灣和嶺澳等多數(shù)在役核電站，福清、方家山等多數(shù)在建核電站均采用移動(dòng)式微型裂變室實(shí)現(xiàn)堆芯中子注量率測量，但測量系統(tǒng)基本是從法國進(jìn)口。

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)是集機(jī)、電、核測量于一體的控制和測量系統(tǒng)，過程復(fù)雜，控制對(duì)象多，使用環(huán)境惡劣。中核（北京）核儀器廠歷經(jīng)三年，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、更新設(shè)備選型，研制生產(chǎn)了主機(jī)柜、通道柜、分配柜、微型裂變室、導(dǎo)向管支架、導(dǎo)向管貫穿件、保護(hù)通道、電纜托架、連接管組件、移動(dòng)支架、固定支架等；編制了可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中應(yīng)用的過程控制軟件和工控機(jī)中應(yīng)用的人機(jī)交互軟件。目前該系統(tǒng)通過了出廠驗(yàn)收，正在巴基斯坦恰?，敽穗娬径诠こ讨邪惭b調(diào)試。

2 測量系統(tǒng)工作原理及功能

反應(yīng)堆的全部能量來自堆內(nèi)核燃料的裂變反應(yīng)。中子是核裂變的產(chǎn)物之一，核反應(yīng)堆的功率水平被認(rèn)為是與活性區(qū)的中子注量率成比例的。因此，通過測量中子注量率可以獲得當(dāng)前反應(yīng)堆的功率。

微型裂變室的探頭內(nèi)部由涂有二氧化鈾涂層的中心電極和兩個(gè)密封的不銹鋼外殼組成，室內(nèi)充滿氬氣。探頭外殼連接到螺旋軟管和同軸電纜的端頭。螺旋軟管是空心的，內(nèi)裝同軸電纜，測量裝置通過該同軸電纜為微型裂變室提供電源。微型裂變室測得的中子注量率電信號(hào)也通過該同軸電纜送至測量裝置。

測量系統(tǒng)工作時(shí)，操縱員在主控室通過測量系統(tǒng)的主控制柜發(fā)送命令，堆芯儀表間的驅(qū)動(dòng)裝置將移動(dòng)式微型裂變室送到指定的管路中。微型裂變室高速移動(dòng)到堆頂之后，以低速回抽，此時(shí)系統(tǒng)將微型裂變室測得的電流信號(hào)采集并保存到記錄文件中。中子測量結(jié)束后，微型裂變室再被高速回抽到機(jī)械原點(diǎn)。

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)在反應(yīng)堆物理啟動(dòng)試驗(yàn)中的功能包括：驗(yàn)證反應(yīng)堆壽期內(nèi)堆芯中子注量率分布是否與設(shè)計(jì)要求相符、驗(yàn)證熱管因子是否有余量、?？潭淹夂藴y系統(tǒng)以及監(jiān)測反應(yīng)堆裝錯(cuò)料事件。

在反應(yīng)堆正常運(yùn)行過程中的功能包括：驗(yàn)證反應(yīng)堆燃耗比與設(shè)計(jì)要求是否一致、提供燃料的歷史數(shù)據(jù)、?？潭淹夂藴y系統(tǒng)以及探測反應(yīng)堆堆芯功率分布等。

3 系統(tǒng)組成

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)分為微型裂變室、電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備3部分。

移動(dòng)式堆芯中子注量率測量系統(tǒng)使用的中子探測器稱為移動(dòng)式微型裂變室。微型裂變室工作時(shí)，經(jīng)管路進(jìn)入反應(yīng)堆堆芯；不工作時(shí)存放在測量系統(tǒng)的保護(hù)通道中。微型裂變室用于探測堆芯的中子注量率，將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)之后，經(jīng)同軸電纜傳送到測量系統(tǒng)的測量機(jī)箱。

電氣設(shè)備包括分配柜和控制柜。分配柜安裝在堆芯儀表間外側(cè)，用于為堆芯儀表間的機(jī)電設(shè)備供電和為控制柜提供監(jiān)測和控制信號(hào)?？刂乒癜惭b在電站主控室的環(huán)廊中，用于控制整個(gè)測量系統(tǒng)。

機(jī)械設(shè)備中一部分安裝在堆坑和堆芯儀表間，包括手動(dòng)閥、止回閥、密封組件、導(dǎo)向管、指套管、導(dǎo)向管貫穿件、導(dǎo)向管支架等，用于保證一回路壓力邊界完整性。另一部分安裝在堆芯儀表間，包括驅(qū)動(dòng)裝置、選擇器、連接管、電動(dòng)閥等，用于驅(qū)動(dòng)和控制移動(dòng)式微型裂變室進(jìn)出堆芯。

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 堆芯中子注量率測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Composition and structure of the in-core neutron flux instrumentation system

不同的核電廠，反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)功率不同，設(shè)計(jì)所確定的測量要求也不同。根據(jù)反應(yīng)堆功率的不同，系統(tǒng)的測量通道有3到5個(gè)不等。巴基斯坦恰?，敹冢ê喎QC2）核電站采用3個(gè)微型裂變室，在30根指套管中進(jìn)行測量，因此整個(gè)系統(tǒng)配備了3個(gè)測量通道。下面對(duì)上述各部分設(shè)備分別加以描述。

3.1 微型裂變室

微型裂變室由探頭、鎧裝同軸信號(hào)電纜、驅(qū)動(dòng)螺旋軟管、過渡接頭、射頻同軸電纜、插頭等部分組成。

C2堆芯中子注量率測量系統(tǒng)中使用的微型裂變室型號(hào)為LB123，它是由中核（北京）核儀器廠自行研制的最新型的微型裂變室。巴基斯坦恰希瑪一期（簡稱C1）核電站的堆芯中子注量率測量系統(tǒng)中使用的微型裂變室也是由中核（北京）核儀器廠攻關(guān)研制，已經(jīng)在核電站安全運(yùn)行10多年。

3.2 控制柜

控制柜作為整個(gè)系統(tǒng)測量和控制中樞，由1臺(tái)主控柜和3臺(tái)通道柜組成。主控柜中安裝了1臺(tái)工控機(jī)，操縱員通過工控機(jī)可以完成整個(gè)測量系統(tǒng)的所有測量工作。3臺(tái)通道柜分別對(duì)應(yīng)3個(gè)測量通道，通道柜中設(shè)計(jì)了控制面板和液晶顯示器。操縱員通過通道柜可以完成其對(duì)應(yīng)通道的測量工作。

控制柜的主要功能有：

（1）中子注量率測量功能。驅(qū)動(dòng)裝置將微型裂變室送到堆芯指定位置時(shí)，微型裂變室將測得的中子注量率以電流信號(hào)的形式通過同軸電纜送至測量機(jī)箱。測量機(jī)箱通過信號(hào)放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換等電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和采集。

（2）探測器位置測量功能。測量系統(tǒng)進(jìn)行中子注量率數(shù)據(jù)采集時(shí)，必須所有探測器同時(shí)從堆芯抽出。為了使測量結(jié)果能夠表征堆芯實(shí)際的中子注量率分布，必須確保每次數(shù)據(jù)采集時(shí)所有探測器盡可能位于同一水平面，因此必須對(duì)探測器的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

在驅(qū)動(dòng)裝置中安裝了旋轉(zhuǎn)變壓器，其與驅(qū)動(dòng)齒輪同軸。當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)并插入或抽出探測器時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并把角位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也妷盒盘?hào)傳送給通道柜內(nèi)的解碼板。解碼板再將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳遞給PLC。PLC通過計(jì)算確定探測器的位置。

（3）機(jī)電設(shè)備控制功能。通過通道柜內(nèi)的PLC發(fā)出控制指令。這些指令通過控制網(wǎng)以數(shù)據(jù)包的形式傳送到分配柜，在分配柜內(nèi)的PLC輸出模塊通過機(jī)柜內(nèi)的繼電器以硬接線方式連接到各個(gè)機(jī)電設(shè)備以實(shí)現(xiàn)其控制（如選擇器的旋轉(zhuǎn)和電動(dòng)閥的開閉等）。

機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)被分配柜內(nèi)的PLC輸入模塊反饋到通道柜的PLC控制器中，并在主控柜的工控機(jī)中實(shí)時(shí)顯示。

（4）泄漏探測功能。其中包括指套管泄漏探測和密封組件泄漏探測。

指套管泄漏探測。指套管泄漏探測器安裝在密封組件和電動(dòng)閥之間的止回閥上。當(dāng)指套管中發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏探測器的電阻變小，分配柜內(nèi)的PLC輸入模塊采集到電信號(hào)，并將其送到通道柜中。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主控柜的顯示器中可以實(shí)時(shí)顯示泄漏探測器的狀態(tài)，操縱員可以判斷是否發(fā)生泄漏，若發(fā)生泄漏，還可以確定發(fā)生泄漏的管路號(hào)。

密封組件泄漏探測的原理與指套管泄漏探測相同。不同之處在于密封組件泄漏探測器安裝于密封組件兩道串聯(lián)的密封之間。

（5）數(shù)據(jù)保存功能。中子注量率測量得到的原始數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式存放在主控柜內(nèi)的工控機(jī)中。操縱員可將原始數(shù)據(jù)與代表反應(yīng)堆運(yùn)行工況的其他數(shù)據(jù)相結(jié)合，并由專門的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.3 分配柜

分配柜位于堆芯儀表間的外側(cè)。它是堆芯儀表間內(nèi)機(jī)電設(shè)備與控制柜之間的接口。分配柜中有3個(gè)通道對(duì)應(yīng)的3組PLC機(jī)架、驅(qū)動(dòng)板和泄漏檢測板等。分配柜的主要功能是：

（1）為機(jī)電設(shè)備供電，并提供機(jī)電設(shè)備與電氣廠房內(nèi)控制柜的接口。

（2）接收和處理并讀出控制柜的信號(hào)。

（3）采集來自機(jī)電設(shè)備（如驅(qū)動(dòng)裝置、電動(dòng)閥、選擇器等）的狀態(tài)信號(hào)，并送往控制柜。

3.4 機(jī)械設(shè)備

測量系統(tǒng)3個(gè)通道的機(jī)械設(shè)備幾乎完全相同。機(jī)械設(shè)備都安裝在堆芯儀表間和堆坑內(nèi)。每個(gè)通道由下列部件組成。

（1）驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置用于推動(dòng)螺旋電纜進(jìn)出堆芯。螺旋電纜內(nèi)有同軸電纜，為微型裂變室提供高壓電源和傳輸電流信號(hào)。微型裂變室焊接在螺旋電纜的端部。驅(qū)動(dòng)裝置主要包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、反饋裝置、卷輪電機(jī)和卷輪盤等。

（2）選擇器

選擇器包括組選擇器和路選擇器，組選擇器為1個(gè)進(jìn)口，若干個(gè)出口；路選擇器為若干個(gè)進(jìn)口，10個(gè)出口。兩種選擇器配合使用，可以確保微型裂變室進(jìn)入系統(tǒng)指定的管路。選擇器主要包括：步進(jìn)電機(jī)、光電開關(guān)、入口微動(dòng)開關(guān)和出口微動(dòng)開關(guān)。

（3）其他機(jī)械裝置

其他機(jī)械裝置包括電動(dòng)閥、止回閥、手動(dòng)閥、密封組件、指套管和導(dǎo)向管，其中：

電動(dòng)閥在指套管破裂的情況下，隔離從壓力容器來的水。在測量指定管路時(shí)，該管路的電動(dòng)閥打開，當(dāng)螺旋電纜抽出后，電動(dòng)閥關(guān)閉。

在測量過程中，如果指套管發(fā)生泄漏，當(dāng)螺旋電纜回抽過止回閥后，止回閥會(huì)立即阻止一回路水通過連接管進(jìn)入電動(dòng)閥。

在停堆大修期間，手動(dòng)閥由操縱員手動(dòng)關(guān)閉，防止一回路水泄漏。

密封段用于密封指套管和導(dǎo)向管，它是一回路水的壓力邊界。

微型裂變室通過指套管可以進(jìn)入堆芯的指定位置。

4 結(jié)束語

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)是核電站核測量系統(tǒng)的重要組成部分。測量系統(tǒng)提供的測量數(shù)據(jù)可以幫助操縱員了解反應(yīng)堆內(nèi)部的情況，為評(píng)估和計(jì)算反應(yīng)堆當(dāng)前功率提供幫助。中核（北京）核儀器廠設(shè)計(jì)制造的堆芯中子注量率測量系統(tǒng)在巴基斯坦恰?，敹诠こ讨械膽?yīng)用，標(biāo)志著30萬kW核電站堆芯中子注量率測量系統(tǒng)國產(chǎn)化的實(shí)現(xiàn)，為百萬千瓦核電站堆芯中子注量率測量系統(tǒng)國產(chǎn)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

致謝

在堆芯中子注量率測量系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)過程中，得到了上海核工程研究設(shè)計(jì)院和中國中原對(duì)外工程有限公司上海分公司領(lǐng)導(dǎo)和專家的大力支持，北京工研精機(jī)股份有限公司為驅(qū)動(dòng)裝置和選擇器的國產(chǎn)化做了大量的工作，在此表示感謝。

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