移動式堆芯中子注量率測量系統概述

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。堆芯內燃料組件中的燃料發生核裂變反應后，釋放出熱量，將反應堆內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生水蒸氣，水蒸氣推動汽輪發電機，實現將核能轉化為電能。

在核裂變過程中，反應堆不是一個靜止的系統，而是一個在運行中相關物理量不斷變化的動態系統。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隨時間發生變化。因此核電站必須具備監測堆芯中子注量率的系統。

堆芯中子注量率測量系統屬于反應堆核測量系統的子系統，用于測量反應堆堆芯的中子注量率分布，監測堆芯功率畸變，積累燃耗數據，對核電站的安全運行起到重要的作用，見圖1。

堆芯中子注量率測量系統主要設備包括：主機柜、通道柜、分配柜、微型裂變室、導向管、指套管、密封段、手動閥、連接管組件、止回閥、電動閥、選擇器、驅動裝置、導向管支架、導向管貫穿件、保護通道、電纜托架、連接管系、移動支架、固定支架等，見圖2。

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

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

1 國內外概況及發展趨勢

堆芯中子注量率測量系統用于提供反應堆堆芯中子注量率分布。中子注量率的實測數據可用于驗證堆芯設計參數。根據對該系統具體的測量要求，可以采用不同的測量方法實現系統功能，目前國內外核電廠采用的測量方法主要有移動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球活化測量法。

國內包括秦山一期、二期、大亞灣和嶺澳等多數在役核電站，福清、方家山等多數在建核電站均采用移動式微型裂變室實現堆芯中子注量率測量，但測量系統基本是從法國進口。

堆芯中子注量率測量系統是集機、電、核測量于一體的控制和測量系統，過程復雜，控制對象多，使用環境惡劣。中核（北京）核儀器廠歷經三年，對整個系統進行優化設計、更新設備選型，研制生產了主機柜、通道柜、分配柜、微型裂變室、導向管支架、導向管貫穿件、保護通道、電纜托架、連接管組件、移動支架、固定支架等；編制了可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中應用的過程控制軟件和工控機中應用的人機交互軟件。目前該系統通過了出廠驗收，正在巴基斯坦恰希瑪核電站二期工程中安裝調試。

2 測量系統工作原理及功能

反應堆的全部能量來自堆內核燃料的裂變反應。中子是核裂變的產物之一，核反應堆的功率水平被認為是與活性區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前反應堆的功率。

微型裂變室的探頭內部由涂有二氧化鈾涂層的中心電極和兩個密封的不銹鋼外殼組成，室內充滿氬氣。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也通過該同軸電纜送至測量裝置。

測量系統工作時，操縱員在主控室通過測量系統的主控制柜發送命令，堆芯儀表間的驅動裝置將移動式微型裂變室送到指定的管路中。微型裂變室高速移動到堆頂之后，以低速回抽，此時系統將微型裂變室測得的電流信號采集并保存到記錄文件中。中子測量結束后，微型裂變室再被高速回抽到機械原點。

堆芯中子注量率測量系統在反應堆物理啟動試驗中的功能包括：驗證反應堆壽期內堆芯中子注量率分布是否與設計要求相符、驗證熱管因子是否有余量、校刻堆外核測系統以及監測反應堆裝錯料事件。

在反應堆正常運行過程中的功能包括：驗證反應堆燃耗比與設計要求是否一致、提供燃料的歷史數據、校刻堆外核測系統以及探測反應堆堆芯功率分布等。

3 系統組成

堆芯中子注量率測量系統分為微型裂變室、電氣設備和機械設備3部分。

移動式堆芯中子注量率測量系統使用的中子探測器稱為移動式微型裂變室。微型裂變室工作時，經管路進入反應堆堆芯；不工作時存放在測量系統的保護通道中。微型裂變室用于探測堆芯的中子注量率，將其轉換為電流信號之后，經同軸電纜傳送到測量系統的測量機箱。

電氣設備包括分配柜和控制柜。分配柜安裝在堆芯儀表間外側，用于為堆芯儀表間的機電設備供電和為控制柜提供監測和控制信號。控制柜安裝在電站主控室的環廊中，用于控制整個測量系統。

機械設備中一部分安裝在堆坑和堆芯儀表間，包括手動閥、止回閥、密封組件、導向管、指套管、導向管貫穿件、導向管支架等，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，包括驅動裝置、選擇器、連接管、電動閥等，用于驅動和控制移動式微型裂變室進出堆芯。

堆芯中子注量率測量系統的結構框圖如圖3所示。

圖3 堆芯中子注量率測量系統的結構框圖Fig.3 Composition and structure of the in-core neutron flux instrumentation system

不同的核電廠，反應堆的設計功率不同，設計所確定的測量要求也不同。根據反應堆功率的不同，系統的測量通道有3到5個不等。巴基斯坦恰希瑪二期（簡稱C2）核電站采用3個微型裂變室，在30根指套管中進行測量，因此整個系統配備了3個測量通道。下面對上述各部分設備分別加以描述。

3.1 微型裂變室

微型裂變室由探頭、鎧裝同軸信號電纜、驅動螺旋軟管、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中使用的微型裂變室型號為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中使用的微型裂變室也是由中核（北京）核儀器廠攻關研制，已經在核電站安全運行10多年。

3.2 控制柜

控制柜作為整個系統測量和控制中樞，由1臺主控柜和3臺通道柜組成。主控柜中安裝了1臺工控機，操縱員通過工控機可以完成整個測量系統的所有測量工作。3臺通道柜分別對應3個測量通道，通道柜中設計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應通道的測量工作。

控制柜的主要功能有：

（1）中子注量率測量功能。驅動裝置將微型裂變室送到堆芯指定位置時，微型裂變室將測得的中子注量率以電流信號的形式通過同軸電纜送至測量機箱。測量機箱通過信號放大和模/數轉換等電路對電信號進行處理和采集。

（2）探測器位置測量功能。測量系統進行中子注量率數據采集時，必須所有探測器同時從堆芯抽出。為了使測量結果能夠表征堆芯實際的中子注量率分布，必須確保每次數據采集時所有探測器盡可能位于同一水平面，因此必須對探測器的位置進行實時測量。

在驅動裝置中安裝了旋轉變壓器，其與驅動齒輪同軸。當驅動齒輪轉動并插入或抽出探測器時，旋轉變壓器隨之轉動，并把角位移信號轉變為正弦波電壓信號傳送給通道柜內的解碼板。解碼板再將電壓信號轉變為數字信號傳遞給PLC。PLC通過計算確定探測器的位置。

（3）機電設備控制功能。通過通道柜內的PLC發出控制指令。這些指令通過控制網以數據包的形式傳送到分配柜，在分配柜內的PLC輸出模塊通過機柜內的繼電器以硬接線方式連接到各個機電設備以實現其控制（如選擇器的旋轉和電動閥的開閉等）。

機電設備的狀態被分配柜內的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中實時顯示。

（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閥之間的止回閥上。當指套管中發生泄漏時，泄漏探測器的電阻變小，分配柜內的PLC輸入模塊采集到電信號，并將其送到通道柜中。系統運行時主控柜的顯示器中可以實時顯示泄漏探測器的狀態，操縱員可以判斷是否發生泄漏，若發生泄漏，還可以確定發生泄漏的管路號。

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的密封之間。

（5）數據保存功能。中子注量率測量得到的原始數據按照規定的格式存放在主控柜內的工控機中。操縱員可將原始數據與代表反應堆運行工況的其他數據相結合，并由專門的軟件進行數據處理。

3.3 分配柜

分配柜位于堆芯儀表間的外側。它是堆芯儀表間內機電設備與控制柜之間的接口。分配柜中有3個通道對應的3組PLC機架、驅動板和泄漏檢測板等。分配柜的主要功能是：

（1）為機電設備供電，并提供機電設備與電氣廠房內控制柜的接口。

（2）接收和處理并讀出控制柜的信號。

（3）采集來自機電設備（如驅動裝置、電動閥、選擇器等）的狀態信號，并送往控制柜。

3.4 機械設備

測量系統3個通道的機械設備幾乎完全相同。機械設備都安裝在堆芯儀表間和堆坑內。每個通道由下列部件組成。

（1）驅動裝置

驅動裝置用于推動螺旋電纜進出堆芯。螺旋電纜內有同軸電纜，為微型裂變室提供高壓電源和傳輸電流信號。微型裂變室焊接在螺旋電纜的端部。驅動裝置主要包括：驅動電機、驅動輪、反饋裝置、卷輪電機和卷輪盤等。

（2）選擇器

選擇器包括組選擇器和路選擇器，組選擇器為1個進口，若干個出口；路選擇器為若干個進口，10個出口。兩種選擇器配合使用，可以確保微型裂變室進入系統指定的管路。選擇器主要包括：步進電機、光電開關、入口微動開關和出口微動開關。

（3）其他機械裝置

其他機械裝置包括電動閥、止回閥、手動閥、密封組件、指套管和導向管，其中：

電動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，該管路的電動閥打開，當螺旋電纜抽出后，電動閥關閉。

在測量過程中，如果指套管發生泄漏，當螺旋電纜回抽過止回閥后，止回閥會立即阻止一回路水通過連接管進入電動閥。

在停堆大修期間，手動閥由操縱員手動關閉，防止一回路水泄漏。

密封段用于密封指套管和導向管，它是一回路水的壓力邊界。

微型裂變室通過指套管可以進入堆芯的指定位置。

4 結束語

堆芯中子注量率測量系統是核電站核測量系統的重要組成部分。測量系統提供的測量數據可以幫助操縱員了解反應堆內部的情況，為評估和計算反應堆當前功率提供幫助。中核（北京）核儀器廠設計制造的堆芯中子注量率測量系統在巴基斯坦恰希瑪二期工程中的應用，標志著30萬kW核電站堆芯中子注量率測量系統國產化的實現，為百萬千瓦核電站堆芯中子注量率測量系統國產化打下堅實的基礎。

致謝

在堆芯中子注量率測量系統的研制和生產過程中，得到了上海核工程研究設計院和中國中原對外工程有限公司上海分公司領導和專家的大力支持，北京工研精機股份有限公司為驅動裝置和選擇器的國產化做了大量的工作，在此表示感謝。

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