一種采用主回路精確流量校準核儀表系統方法的研究

李紅霞 霍雨佳 余俊輝 陳 靜 朱加良 吳 茜

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術國家級重點實驗室，四川 成都 610041）

0 前言

在核電廠中，核儀表系統（RPN）功率量程中子注量率變化率是反應堆保護系統的重要參數，其與引入的反應性有關，在發生落棒和彈棒事故等快速引入反應性變化的事故時，如不采取有效的措施控制功率量程中子注量變化率的突變，可能將危及核安全。另一方面，從電站運行的經濟性出發，在壽期末發生甩負荷至廠用負荷運行這種特殊工況時，希望避免因出現的中子注量率變化率高信號觸發反應堆緊急停堆。因此，在核儀表系統功率量程中子注量率變化率計算通道中需考慮引入相關信號對變化率的計算進行校準，以兼顧運行安全要求和經濟性要求。

圖1

主回路流量一定程度上影響堆芯出入口溫差，當溫度改變時，作為慢化劑的水的密度有顯著的改變。水溫升高后，單位體積內的分子數減少了，使中子的慢化能力變差，逃脫共振吸收的概率減小，中子泄漏的概率增大，從而使反應性減小；同時，反射層會受溫度升高減弱反射能力，泄漏中子率增加。因此，慢化劑溫度的變化是影響中子慢化的重要因素，在中子注量率變化率的校準中，其實質上是需要主回路流量和主回路平均溫度來校準中子注量率。在傳統的核電廠中，由于主回路平均溫度測量比較直接、準確，但是，由于反應堆冷卻劑系統主回路的特殊性，傳統的主回路流量測量方法難以獲得準確的主回路流量。因此在傳統的核電廠中，均使用反應堆冷卻劑泵（以下簡稱主泵）轉速信號代替主回路流量與反應堆冷卻劑主回路平均溫度來校準核儀表系統功率量程中子注量率變化率。校準通道原理圖如圖1所示。

校準時，首先主泵轉速信號通過上述原理框圖（圖1）中的模塊轉換成主泵轉速變化率，然后再根據一定的校準系數對中子注量率進行校準。但是此種方法存在如下缺陷：

1）在傳統的核電廠中，每個環路設置1個主泵轉速信號監測（其原理框圖見圖2），而無冗余配置，如某一個環路主泵轉速信號出現故障或失效，則該環路將失去轉速信號，進而無法完成該環路的后續校準。

圖2

2）由于最終影響中子注量率變化的因素為主回路流量，而通過主泵轉速推到得出的流量信號為計算值，不是直接測量值，必然會影響校準的精確性。

3）由于主泵轉速只能在額定工況下才能較準確代表主回路的流量，在其余工況下并不能準確推導出主回路流量，以至于在其余工況下核儀表系統中子注量率變化率的校準存在一定誤差。

因此，為了提高核電廠的安全性和經濟性，對傳統核電廠所采用的主泵轉速測量校準核儀表系統的方法進行改進十分必要。而隨著目前測量技術和方法的進步，精確測量主回路流量已經變得非常容易了，也就使得直接使用主回路流量來校準中子注量率變化率變得可行。

1 研究目的

通過使用精確的反應堆冷卻劑系統主回路流量來校準中子注量率變化率的方法，提高了功率量程中子注量率變化率的校準精度，此外，由于主回路流量每一回路均設置多個冗余信號，保證了校準信號的冗余度。從而提高核電廠的安全性和經濟性。

2 研究內容

本研究要解決的技術問題是采用精確的主回路流量，引入核儀表系統中子注量率變化率的校準公式，從而避免了使用主泵轉速信號校準間接、無冗余、校準誤差大等問題，從而達到精確校準核儀表系統的目的。

為了解決上述技術問題，需要研究一種采用主回路精確流量校準核儀表系統的方法，包括：

2.1 主回路流量設置

反應堆冷卻劑系統每個環路分別設置多個相互獨立的冗余測量通道，用于測量主回路流量（后文為了方便，以4個為例進行說明）。

這樣的信號選取優點是：當某一個傳感器故障或失效時，還有剩余完好的傳感器參與下面的控制，不會發生傳統核電廠采用主泵轉速作為參數引入中子注量率變化率校準，如某一個環路主泵轉速信號出現故障或失效，則該環路將失去主泵轉速信號，從而無法實現中子注量率變化率校準。

2.2 主回路流量選取

主回路流量選取的原理框圖如圖3所示：

圖3

如圖3所示，由于每個環路有4個主回路流量信號，為保證測量值的準確性，一般設置選擇器對信號進行處理，其作用在于綜合比較冗余參數，然后輸出一個唯一的、合理的值參與后續計算。

四個輸入信號的選擇器一般采用平均值法，即選擇器輸出有效輸入值的平均值；當有一個信號無效時，選擇器進行退化處理，輸出剩下三個有效值的平均值；當有兩個信號無效時，選擇器進行退化處理，輸出剩下兩個有效值的平均值，同時產生黃色報警信號；當有三個或三個以上信號無效時，選擇器的輸出保持上一刻有效值，并自動地將相關控制器切換至手動控制模式，同時產生紅色報警。輸入信號無效是指該輸入信號的質量位無效或該輸入信號與其他輸入信號的偏差絕對值大于量程的5%。

通過以上參數的選擇，可保證輸入一個合理的主回路流量值參與后面信號的處理，使中子注量率變化率的校準更加精確、更加可靠。

2.3 額定工況下的主泵轉速和主回路流量對應關系

在額定工況下,主泵轉速和主回路流量存在以下對應關系：

k=Vpp/Q

其中：k為主泵轉速和主回路流量之間的系數：

Vpp為主泵轉速；

Q為主回路流量。

2.4 獲得修正后的中子注量率變化率原理框圖

通過以上參數的準備，獲得下面修正后的中子注量率變化率原理框圖（圖 4）：

圖4

3 結束語

在采用精確的主回路流量參與中子注量率變化率校準后，由于主回路流量為冗余設計，不但提高了核電廠可靠性，而且使中子注量率變化率校準更加精確，不會導致在發生彈棒事故和落棒事故時，妨礙功率變化率通道的停堆功能，也不應導致在其他瞬態時引起誤停堆的發生，從而提高核電廠的安全性和經濟性。

［1］HAF102.核動力廠設計安全規定[S].北京：國家核安全局,2004.

［2］RCC-E,Design and Construction Rules for Electrical Equipment of Nuclear Islands[S].France:AFCEN.2005，12.

［3］張英，陳智，王殳，孫劍，核電廠核儀表系統功率量程中子注量率變化率校準系數的仿真研究[J].成都：核動力工程,2012（6）.