三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)特點(diǎn)分析

摘要：文章從三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)（In-core Instrumentation System，簡稱IIS）的功能及結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)堆內(nèi)儀表系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并通過與秦山一期、田灣核電等核電廠的堆內(nèi)儀表系統(tǒng)進(jìn)行比較，分析了三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：三門核電；堆內(nèi)儀表系統(tǒng)；核反應(yīng)堆；信號(hào)處理機(jī)柜；探測(cè)器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM623 文章編號(hào)：1009-2374（2015）22-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.040

1 概述

三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)堆功率及堆芯出口溫度進(jìn)行測(cè)量，并將堆芯熱功率、停堆反應(yīng)性限值裕量、堆芯出口溫度等信息在主控室進(jìn)行連續(xù)顯示，對(duì)操縱員評(píng)估堆芯工況有重要意義。

2 系統(tǒng)功能

2.1 堆芯出口溫度監(jiān)測(cè)

堆內(nèi)儀表系統(tǒng)對(duì)所選堆芯位置的燃料組件的出口溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可在事故后提供反應(yīng)堆堆芯出口的主冷卻劑溫度信息，作為操縱員在事故情況下評(píng)估堆芯工況的重要依據(jù)。

2.2 堆芯功率監(jiān)測(cè)

堆內(nèi)儀表系統(tǒng)對(duì)堆芯功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，生成3D堆芯功率分布圖并在主控進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。此外，還可以根據(jù)堆芯功率分布信息計(jì)算出實(shí)際的堆芯峰值因子，連續(xù)顯示這些限值裕量信息，使反應(yīng)堆操縱員可評(píng)估實(shí)際堆芯工況，并在低裕量和超限時(shí)提醒操縱員。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

堆內(nèi)儀表系統(tǒng)設(shè)備主要包括堆內(nèi)儀表套管組件、儀表格架組件、信號(hào)處理機(jī)柜和應(yīng)用服務(wù)器。

3.1 堆內(nèi)儀表套管組件

核電廠的堆內(nèi)核測(cè)系統(tǒng)可分為移動(dòng)式和固定式兩種。移動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)器不能長期安裝在堆芯內(nèi)，只能定期插入堆芯進(jìn)行短時(shí)間測(cè)量，因此不能對(duì)堆芯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)采用固定式測(cè)量，將堆內(nèi)儀表套管組件（IITA）固定安裝在堆芯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。堆內(nèi)儀表系統(tǒng)共有42個(gè)IITA，每個(gè)IITA中有1個(gè)堆芯出口熱電偶（CET）和7個(gè)不同長度的自給能中子探測(cè)器（SPD），其中最長的SPD覆蓋了整個(gè)堆芯活性區(qū)域的高度，其他6個(gè)SPD以最長探測(cè)器的1/7長度順序遞減，見圖1。探測(cè)器的引出電纜布置在活性區(qū)域以上，保證了每個(gè)SPD的電纜長度一致，因此通過探測(cè)器間的差分比較消除電纜噪聲電流對(duì)SPD信號(hào)的干擾。

3.2 儀表格架組件

三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)采用從壓力容器頂蓋插入的方案，利用一個(gè)可移動(dòng)的儀表導(dǎo)向通道系統(tǒng)（即儀表格架組件IGA），將IITA從頂蓋外面引入壓力容器內(nèi)，在停堆換料時(shí)可以將活化的IITA隨IGA和上部堆內(nèi)構(gòu)件留在水下。在IITA貫穿頂蓋處，采用8個(gè)快速連接裝置（Quickloc）實(shí)現(xiàn)一回路壓力邊界密封，并能在停堆換料時(shí)快速地拆除與連接。

儀表格架組件為IITA在壓力容器內(nèi)部提供連續(xù)的導(dǎo)向通道，引導(dǎo)IITA穿過上部堆內(nèi)構(gòu)件的42個(gè)支撐柱，并最終引導(dǎo)至42個(gè)不同位置燃料組件的儀表導(dǎo)向管內(nèi)。

IGA主要由儀表格架板、導(dǎo)向套筒、IGA IITA管束及支撐結(jié)構(gòu)、Quickloc棒束、儀表導(dǎo)管和套管組件等組成。

儀表導(dǎo)管固定連接在儀表格架板底部，而套管則套裝在儀表導(dǎo)管的外部，兩者可以相對(duì)滑動(dòng)。在正常運(yùn)行位置時(shí)，儀表導(dǎo)管和套管重合套在一起，并插入在上支撐柱內(nèi)，套管底部由上支撐柱下面的儀表轉(zhuǎn)接器托住。在停堆換料期間，當(dāng)提升儀表格架組件時(shí)，儀表導(dǎo)管隨儀表格架板向上提升，套管起初由儀表轉(zhuǎn)接器托住，在支撐柱內(nèi)保持不動(dòng)。當(dāng)IGA提升約燃料組件長度的一半高度時(shí)，儀表導(dǎo)管完全從上支撐柱中抽出，而套管還在上支撐柱中；在IGA提升剩余一半高度的燃料組件長度時(shí)，套管在儀表導(dǎo)管的帶動(dòng)下也從上支撐柱中逐漸抽出，但套管底部始終在上支撐柱內(nèi)。IGA的這個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為IITA提供了完整的導(dǎo)向通道，這樣即使IGA在完全提升位置，IITA在整個(gè)長度上都處于導(dǎo)向通道的保護(hù)中。

3.3 信號(hào)處理機(jī)柜及應(yīng)用服務(wù)器

堆內(nèi)儀表系統(tǒng)的信號(hào)處理機(jī)柜接收到SPD電流信號(hào)后，通過放大器卡件對(duì)信號(hào)中中子響應(yīng)特性有關(guān)的信號(hào)響應(yīng)延遲進(jìn)行補(bǔ)償，并將探測(cè)器數(shù)據(jù)格式化后送給通訊卡件，再送至媒體轉(zhuǎn)換器組件，媒體轉(zhuǎn)換器組件將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后送給應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行運(yùn)算處理，生成3D堆芯功率分布圖。

堆內(nèi)儀表系統(tǒng)采用冗余配置，每個(gè)放大器卡件將處理后的SPD信號(hào)分別送到兩個(gè)獨(dú)立的通訊卡件，再經(jīng)兩個(gè)獨(dú)立媒體轉(zhuǎn)換器組件轉(zhuǎn)換后送至兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行運(yùn)算處理，因此每個(gè)應(yīng)用服務(wù)器得到的都是全部SPD信息，從而在任意一個(gè)通道故障的情況下都能保證堆內(nèi)儀表系統(tǒng)功能的完整性不受影響。

信號(hào)處理機(jī)柜位于安全殼內(nèi)，應(yīng)用服務(wù)器位于計(jì)算機(jī)房間的數(shù)據(jù)顯示和處理系統(tǒng)（DDS）機(jī)柜內(nèi)。信號(hào)處理機(jī)柜在不少于22.5個(gè)月的平均故障間隔時(shí)間內(nèi)，能承受安全殼內(nèi)臨近處的所有非事故的，預(yù)期可能存在的溫度、濕度、輻照劑量水平和電磁干擾的環(huán)境條件，設(shè)備的性能不會(huì)降低。

4 三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1 探測(cè)器特點(diǎn)分析

4.1.1 采用超長探測(cè)器，提高探測(cè)器熱中子靈敏度。由于中子靈敏物質(zhì)的質(zhì)量越大其熱中子靈敏度就越高，因此可以通過增加發(fā)射體體積（長度或直徑）來提高熱中子靈敏度。但由于發(fā)射體的直徑受β粒子在發(fā)射體中最大射程的限制，增加直徑所帶來的提升不大，所以增加發(fā)射體的長度是提高熱中子靈敏度的最有效方法。三門核電采用釩中子探測(cè)器，但由于釩的熱中子靈敏度較低，因此采用增加發(fā)射體長度的方式提高探測(cè)器的熱中子靈敏度。

VVER1000也采用固定式的堆內(nèi)核測(cè)系統(tǒng)，其選用的銠探測(cè)器長度為250mm，而三門核電的釩探測(cè)器最短約為610mm，最長約為4300mm，分別是VVER1000銠探測(cè)器長度的2.4和17.2倍，因此大大提升了釩探測(cè)器的熱中子靈敏度。

4.1.2 探測(cè)器壽命長。由于釩探測(cè)器具有低燃耗的特性，因此三門核電的釩探測(cè)器設(shè)計(jì)壽命較長。VVER1000中銠探測(cè)器的設(shè)計(jì)壽命為4.6年，而三門核電的釩探測(cè)器的設(shè)計(jì)壽命為20年，是銠探測(cè)器壽命的4倍以上。

4.2 IGA特點(diǎn)分析

4.2.1 使探測(cè)器從壓力容器頂蓋插入，降低泄露風(fēng)險(xiǎn)。秦山一期壓力容器底封頭有中子測(cè)量貫穿件，如果底部貫穿件失效，造成LOCA事故，并有堆芯裸露的危險(xiǎn)。

三門核電堆內(nèi)儀表是從壓力容器頂蓋插入的，取消下封頭貫穿件，避免因下封頭貫穿件失效而引起的LOCA事故。

4.2.2 貫穿件數(shù)量少。秦山一期壓力容器頂蓋有2個(gè)熱電偶貫穿件，底封頭有30個(gè)中子測(cè)量貫穿件，共有32個(gè)，貫穿件數(shù)量較多。

三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)通過IGA上8個(gè)Quickloc棒束將42個(gè)IITA固定在堆芯的指定位置，因此只需要8個(gè)貫穿件就能完成全部的堆芯出口熱電偶和中子測(cè)量通道。

4.2.3 為探測(cè)器提供保護(hù)通道。IITA安裝并固定在儀表格架組件上。在停堆換料期間，當(dāng)換料水池充滿水后，通過提升儀表格架組件將42個(gè)IITA從燃料組件中抽出，這個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)為IITA提供從IGA至上支撐柱連續(xù)導(dǎo)向通道。當(dāng)IITA完全從燃料組件儀表導(dǎo)向管抽出時(shí)，將IGA相對(duì)于上部堆內(nèi)構(gòu)件固定，然后隨上部堆內(nèi)構(gòu)件一起從壓力容器內(nèi)移至存放臺(tái)架上。

4.2.4 降低輻射劑量。在整個(gè)換料操作過程中，IITA的高放射性部分始終維持在足夠深度的水面之下，為操作人員提供安全的輻射屏蔽。Quickloc快速連接裝置實(shí)現(xiàn)壓力邊界密封迅速拆除和回裝，減少職業(yè)輻照暴露時(shí)間及縮短停堆換料時(shí)間，提高核電廠經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)采用固定在線式，能實(shí)時(shí)連續(xù)地給出三維堆芯功率分布和堆芯參數(shù)，操縱員可以根據(jù)堆芯狀況變化趨勢(shì)提前采取措施，防止堆芯偏離正常運(yùn)行限制。三門核電堆內(nèi)儀表系統(tǒng)與國內(nèi)運(yùn)行核電站的堆內(nèi)儀表系統(tǒng)有較大區(qū)別，尤其是儀表格架組件和Quickloc快速連接裝置在國內(nèi)核電站尚屬首次應(yīng)用，因此帶來的密封

泄漏風(fēng)險(xiǎn)、IITA更換操作等問題需要予以關(guān)注。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 賀治國.我國壓水堆固定式堆芯核測(cè)技術(shù)的差異性分析[M].北京：中國核工業(yè)音像出版社，2013.

作者簡介：付龍俊（1988-），男，河南新鄉(xiāng)人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：堆內(nèi)/堆外儀表系統(tǒng)（IIS/NIS）的調(diào)試及維護(hù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）