趙鵬

摘 要：堆外核測系統(tǒng)用于持續(xù)在核電站啟動及其后運行過程中，提供連續(xù)不斷的控制和保護。本文對某核電廠1、2號機組RPN堆外核測系統(tǒng)的中間量程探測器的功能、工作原理進行了簡單介紹。對中間量程探測器1RPN023MA的故障現(xiàn)象進行闡述，對故障原因進行分析。并解析了在機組降功率過程中，該探測器的可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，并針對性地采取處理方式，檢修結果表明分析和處理是正確有效。最終實施了探測器的更換，并對故障處理的經(jīng)驗進行總結和歸納，為后續(xù)的維護工作優(yōu)化提供建議。

關鍵詞：堆外核測系統(tǒng)；中間量程；故障；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.161

1 前言

RPN系統(tǒng)探測器安裝在壓力容器的外圍，生成脈沖或電流信號用以表征中子通量水平實時監(jiān)測反應堆功率、功率變化和功率分布狀況，通過對應量程通道調理單元的處理后，傳輸給處理單元轉化為數(shù)字量從而進行軟件處理，并轉換為所需的信號進行輸出，為反應堆的運行提供連續(xù)不斷的測量和監(jiān)視。

從反應堆啟動到滿功率運行，一直持續(xù)到反應堆安全停堆，反應堆中子通量的范圍超過10個數(shù)量級以上的量程，因此系統(tǒng)采用了三種不同量程通道，即源量程通道、中間量程通道以及功率量程通道。它們各自配備性能各異和測量范圍不同的探測器，不僅能夠覆蓋整個中子通量的范圍，而且三個量程在測量上相互之間有1—2個量級的重疊，從能夠消除盲區(qū)；在功能上相互制約和補充，共同實現(xiàn)系統(tǒng)的保護功能和控制功能。

2 中間量程探測器

2.1 功能

RPN系統(tǒng)中間量程探測器的量程范圍為中子注量率2*102—5*1010n.cm-2.s-1，通道為反應堆連續(xù)的啟動運行或功率提升過程中設置了一系列的停堆、允許、閉鎖信號，如表1所示。

2.2 原理

中間量程探測器安置在一個密封的簡形容器內，充有以氬氣為主的混合氣體，具體成分為%1氦、6%氮、93%氬。入射中子與10B發(fā)生反應，過程如下：

n+105B→73Li+42He+2.795mev

3Li*+42He+2.316mev

3Li+γ（0.48mev）

在高壓作用下，鋰離子在氣體中產(chǎn)生的離子對被電極收集，形成電流信號輸出。

因為電離室所處的工作場所有較強的γ場，所以輸出的信號中會包含有γ射線產(chǎn)生的電流，從而影響中子通量測量的精確度和范圍。為消除γ射線的影響，采用了γ補償電離室，結構和原理如圖1所示。

該電離室由A、B兩個相鄰的小室組成，其結構和內部充氣情況完全相同。區(qū)別為A室內壁有10B涂層接正壓，B室內壁無10B涂層接負壓，中間收集電極公用，經(jīng)電流表或電阻接地。

當中子和γ射線同時入射時，A室產(chǎn)生的電流i1中既包含中子產(chǎn)生的電流in，也包含γ射線產(chǎn)生的電流iγ，即i1=in+iγ。而B室因內壁沒有10B，不會有因10B（n，γ）的反應引起氣體電離，所以B室產(chǎn)生的電流i2僅是由γ射線產(chǎn)生的，即i2=iγ。因為i1與i2的方向相反，所以最終的輸出電流是兩個電流之差，即i=i1-i2=in+iγ-iγ=in。這樣探測器所測得的電流i僅與中子通量密度成比例，消除了γ射線的影響[1]。

3 故障分析

在執(zhí)行預大修項目RPN中間量程坪特性繪制時，發(fā)現(xiàn)1RPN023MA坪曲線發(fā)散、坪特性差，如圖2所示。

3.1 定性分析

中間量程探測器飽和特性形狀的典型變化如圖3所示。圖中曲線1為壽期初新探頭的曲線，起點斜率大，曲線平滑。曲線2的起點斜率相對變小，表明低壓區(qū)喪失功能。曲線3不僅起點斜率相對變小，平坦區(qū)也有所減少，表明高、低壓區(qū)均喪失功能。而曲線4中的平坦區(qū)則完全消失。

對比圖2和圖3中間量程探測器飽和特性形狀的典型變化可以看出1RPN023MA的坪曲線特性已與圖2中的曲線4相符合，該坪曲線屬于徹底喪失功效的形態(tài)。這主要因探測器內部的稀有氣體泄漏、硼涂層減少造成、和探測器絕緣性能下降所導致。

3.2 定量分析

3.2.1 低壓區(qū)性能分析

低壓區(qū)性能是通過計算低壓區(qū)坪斜來判定。利用V0來代表曲線變化的始點，先計算出其額定電壓Vn 對應飽和電流的20%電流值，再找出該電流值所對應的電壓值即為V0。如果V0的數(shù)值越高，表明探測器性能下降得越嚴重。判定標準為：如果V0>70V，不必更換探測器，但每三個月繪制一次坪曲線；如果V0>140V，則需要更換探測器。

利用上述算法，進行計算，過程如下：

I0（A）=0.2*I600V=0.2*2.0410E-04=0.4082E-04=4.082E-05（A）

V0（V）=VI=I0=VI=4.082E-05（A）=302V>140V；

從結果可以看出低壓區(qū)坪斜已經(jīng)超差，已達到需要更換的程度。

3.2.2 高壓區(qū)性能分析

理論上來說，在正常的工作高壓范圍內，電流值是不會有改變的，與電壓沒有關聯(lián)。而在實際中，這種情況是不存在的，因為探測器輸出的實際電流是飽和電流與漏電流累加的總和。探測器的絕緣阻值是不可能為無窮，因此始終會存在漏電流，且漏電流的大小正比于探測器上的電壓值[2]。所以在飽和曲線上存在著一個很小的斜坡。對于新的探測器來說，泄漏電流是很小，坪區(qū)大，坪曲線平滑。

高壓區(qū)性能判定通過額定的坪斜來表征，計算方法為：

Slope（%）=x100

判定標準為如果坪斜Slope（%）>6%，需要更換探測器。

將數(shù)據(jù)帶入公式進行驗證，過程如下：

Slope（%）=x100=44.8%>6%

結果可以得出正常電壓的坪斜已經(jīng)超出合格標準。

從以上分析中，可以看出1RPN023MA的低壓區(qū)坪斜、正常電壓的坪斜這兩個參數(shù)都已超過標準，表明探測器的性能已經(jīng)嚴重下降。

4 故障處理

該探測器性能已不滿足使用需求，需要進行處理，處理方案針對兩個方面：

（1）降功率期間：降功率過程中1RPN023MA探測器的指示并不一定會呈線性變化，有可能會觸發(fā)保護動作，導致意外停堆。

（2）低低水位期間：在1RPN系統(tǒng)退出運行的大修窗口期間，對1RPN023MA探測器進行更換，徹底消除缺陷。

4.1 降功率期間處理

4.1.1 后果分析及預案

對機組在停堆降功率的過程中，1RPN023MA所涉及到的重要信號及可能后果進行分析。

（1）在30%FP時，ATWT誤動風險：如果1RPN023MA的ATWT信號未正常翻轉，同時1RPN013MA的ATWT信號也未正常翻轉，則當狀態(tài)進一步向下時，SG流量低ATWT信號出現(xiàn)后將導致ATWT停堆。該風險概率極低，實際降功率過程中，只要1RPN013MA的ATWT信號能正常翻轉即可保證不會誤動。

（2）在25%FP時，中間量程中子注量率高緊急停堆風險：功率下降過程中，當P10消失時，如果1RPN023MA的停堆信號未正常消失，則會導致中間量程停堆信號誤動。因此設定一個介于P10定值和中間量程中子注量率高定值之間的閾值18%FP ，當功率降至18%FP時，如果中間量程中子注量率高緊急停堆信號仍存在，則在反應堆保護系統(tǒng)閉鎖1RPN023MA的停堆信號來避免機組停堆。

（3）P6信號消失時，源量程停堆信號誤動風險：功率下降過程

中，當1RPN013MA的 P6信號消失時，如果1RPN023MA的P6信號未正常消失，則會導致源量程無法投運。這是需要手動復位“P6閉鎖源量程信號”。在源量程投運的瞬間，其計數(shù)率有可能超過源量程停堆定值，導致源量程停堆信號動作?？紤]到閉鎖源量程停堆信號拒動風險較大，因此不做閉鎖處理，采取跟蹤監(jiān)測的方式，分別在1RPN013MA的 P6信號消失、 1RPN013MA電流為8*10-11A這兩個階段，跟蹤檢查1 RPNO23MA的P6信號是否消失。如果未消失，則手動復位“閉鎖源量程停堆信號”，使RPN系統(tǒng)源量程通道投運。

4.1.2 處理過程

首先在機組滿功率時，對兩個中間量程的電流-功率轉化系數(shù)都進行了校準，使其電流與功率關系盡可能保持準確。

在降功率停機過程中，對中間量程的電流執(zhí)行進行監(jiān)測。對各個功率平臺的電流值進行記錄，跟蹤線性化變化情況，以便能夠在風險點到來之前對電流變化方向進行預判，快速而準確的采取措施。

（1）當核功率降至約30%FP時，此時1RPN013MA的ATWT信號翻轉為時的功率值30.2%FP，功率持續(xù)下降至22%FP，1RPN023MA的ATWT信號翻轉。

（2）當核功率降至約18%FP，檢查1RPN013MA的停堆信號翻轉時的功率值25.34%FP，此時1RPN023MA的停堆信號也已翻轉，翻轉時的功率值為17.8%FP。

（3）當核功率繼續(xù)下降至1RPN013MA的P6信號消失時，監(jiān)測到1RPNO23MA的P6信號并未消失。持續(xù)降功率，當1RPN013MA電流下降接近至8*10-11A時，1RPNO23MA的P6信號消失。此時源量程投運，1RPNO14MA和1RPNO24MA計數(shù)率分別為1130 和970。至此，源量程已安全投入運行，機組的運行狀態(tài)已離開中間量程的保護定值。

4.2 低低水位期間處理

在大修的低低水位期間，成立專項工作小組，對探測器1RPNO23MA進行更換，并對廢舊探測器進行了報廢處理。

5 總結

RPN堆外核功率測量系統(tǒng)中間量程探測器對于機組起著十分重要的控制和保護作用。隨著系統(tǒng)運行年限的增加，設備中部分元器件如電容、電阻、電離室、電纜絕緣等等，會出現(xiàn)不同程度的性能下降甚至失效跡象，在日常和大修需要通過針對其各類參數(shù)來判斷探測器功能是否正常，同時要密切關注其他檢修工作是否會對探測器造成意外損傷。

對于探測器的各類數(shù)據(jù)要進行全面的收集、整理、匯總，以便于利用大數(shù)據(jù)，對探測器性能指標進行預判，從而優(yōu)化檢修項目，強化維護管理。

參考文獻：

[1]劉國發(fā).核電廠儀表與控制系統(tǒng)基礎[M].核工業(yè)研究生部，2008

：121-124.

[2]胡平，趙福宇.大亞灣核電站核儀表系統(tǒng)中子測量探頭老化和故障鑒別[J]核動力工程，2009，30（01）：95-99.