淺談核儀表系統的安裝

摘要：核儀表系統通過快速連續的監測平均中子通量密度和它的分布來測量核功率及其分布。文章以國內二代加核電站為例，介紹了核電站核儀表系統的組成和工作原理，闡述了核儀表系統的安裝特點，并指出核儀表系統安裝過程中需關注的事項。

關鍵詞：核儀表系統；中子通量密度；核功率；核電站；工作原理；安裝特點 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH81 文章編號：1009-2374（2016）29-0074-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.033

1 概述

核儀表系統用于連續監測反應堆功率水平和軸向功率分布，通過快速連續的監測平均中子通量密度和它的分布，來測量核功率及其分布，用作功率監視、控制、報警以及反應堆保護等，是與核安全相關的1E級重要系統。核儀表系統的安裝是核島儀控安裝的重要內容，其安裝質量將對日后的運行產生相當的影響。

2 核儀表系統的組成和工作原理

壓水堆核電站在啟動過程及其后的運行中，必須通過核儀表系統對反應堆的核功率進行連續不斷的測量和監視。這一過程從反應堆啟動到滿功率運行，是不能間斷的，其核功率的動態變化范圍達10個數量級以上，而一種探測器及其電子學測量處理通道要完成如此大范圍的測量和監視，無疑是很困難的，因此通常采用三種不同量程的通道，即源量程通道、中間量程通道以及功率量程通道。

2.1 核儀表系統的組成

核儀表系統由定位裝置、探測器、電子機柜、外圍顯示報警設備和連接電纜組成（見圖1核儀表系統圖）。

2.1.1 定位裝置。定位裝置是核儀表系統的機械組成部分，主要為探測器提供定位和容器，其安裝分為前期安裝和后期安裝兩個階段。其中前期安裝的定位裝置（見圖2）包含貫穿套管組件、支座和后導軌基礎版；后期安裝的定位裝置（見圖3）包含8套移動小車組件、前導軌組件和后導軌組件。

2.1.2 探測器。核儀表系統共有8個探測器：2個源量程探測器、2個中間量程探測器和4個功率量程探測器，并就位于反應堆壓力容器外的8個儀表井的探測器容器。其中源量程探測器位于堆芯下部1/4線的高度上，大約是中子源組件棒所在的高度；中間量程探測器位于堆芯中線的高度上。每個功率量程探測器含有6個敏感段，其中3個位于堆芯上部，另外3個位于堆芯下部。在徑向看，源量程和中間量程探測器分為2對，分別位于90°和270°方位上。4個功率量程探測器布置在4個象限上。

2.1.3 電子機柜。核儀表系統的電子機柜包含4臺儀表保護柜（ⅠP、ⅡP、ⅢP、ⅣP）和1臺公用控制監測機柜（ⅤC），用于接收來自8個儀表通道的信號，經過放大和處理以后輸往顯示設備和其他有關系統。4臺儀表保護柜和1臺公用控制監測機柜置于不同房間，以實現實體隔離。8個儀表通道與4臺保護機柜中的對應關系見表1：

2.1.4 外圍顯示報警設備。顯示設備位于主控室內和應急停堆盤上，見圖1核儀表系統圖，主要包含各種量程的顯示儀表，記錄儀表，視、聽報警設備以及失水事故監測系統的顯示設備，是操縱員賴以進行反應堆的監控和各項操作。

2.1.5 連接電纜。核儀表系統的連接電纜隨設備成套供貨，大致可分為兩大類（見圖5）：

第一，K1類同軸電纜。敷設于反應堆廠房內部，電纜外纏繞特殊材料但不耐磨，具有耐高溫和耐輻照的特性，對電纜的彎曲半徑、濕度以及對地絕緣要求很高。包含由探測器頂端連接至連接板的36根（其中源量程1根、中間量程3根、功率量程7根）探測器自帶一體化有機絕緣鎧裝同軸電纜和由探測器連接板至電氣貫穿件的42根電纜（源量程1根、中間量程3用1備、功率量程7用1備）。

第二，K3類同軸電纜。敷設于反應堆廠房外部，此類電纜為有機同軸電纜，用于電氣貫穿件與機柜段的連接和信號傳輸。

2.2 系統測量原理

核儀表系統測量的中子通量最小為的1×10-1n/（cm2·s），最大為5×1010n/（cm2·s）。為了覆蓋這11個數量級的測量范圍，采用了3種量程的探測器，即：源量程探測器，測量中子通量的范圍是1×10-1n/（cm2·s）～2×105n/（cm2·s）；中間量程探測器，測量中子通量的范圍為2×102n/（cm2·s）～5×1010n/（cm2·s）；功率量程探測器，測量中子通量的范圍為5×102n/（cm2·s）～5×1010n/（cm2·s）。3種探測器的量程有一定范圍的重疊，這是為了保證反應堆從源水平的功率水平的整個范圍內的控制和保護的連續性，讀數互相校核，信號互相連鎖。

2.2.1 源量程探測器——涂硼正比計數管（CPNB44）。源量程探測器采用涂硼正比計數管，其結構示意圖見圖6。中心陽極是直徑為25μm的不銹鋼絲，圓筒形陰極是由高純鋁制成的。陰極內表面涂以豐度為92%的B，兩電極之間相互絕緣。計數管內充以氬氣（Ar）和少量的二氧化碳（CO2）。

入射中子與硼發生核反應：

核反應產生的鋰離子和α粒子使氬氣電離，產生電子的正離子。在外電場的作用下，電子和正離子分別向陽極和陰極運動，形成電脈沖（稱α脈沖）。γ射線也產生電脈沖，但其幅值較小，可用甄別放大器將它和反應堆內其他的射線產生的小幅度脈沖濾除，只放大α脈沖，從而得到只與中子通量成比例的計數。

2.2.2 中間量程探測器——γ補償電離室（CC80）。中間量程探測器采用γ補償電離室，其結構示意圖見圖7。γ補償電離室是由兩個電離室組成的，外環電離室的內壁涂硼，稱涂硼電離室；內環電離室不涂硼，稱補償電離室。兩電離室充有相同的氣體：氮氣和10%的氦氣。

γ補償電離室有3個電極：與高壓正極相連的稱正高壓電極，與補償電壓的負極相連的稱負高壓電極，兩電離室之間的極板通過負載電阻R接地，稱收集電極。各電極之間是絕緣的。涂硼電離室對中子和γ均敏感，在高壓作用下產生中子電流In和γ電流Iγ1，其原理與源量程探測器相同，不過當中子通量較高時，脈沖較多無法計數，只能監測電流。補償電離室由于不涂硼，故僅對γ敏感，在補償電壓作用下只產生γ電流Iγ2。流經負載電阻上的電流I為涂硼電離室電流In+Iγ1與補償電離室電流之Iγ2差：

I=In+Iγ1-Iγ2

調整負高壓，以得到Iγ1=Iγ2，這樣在中心極僅獲得電流In。

2.2.3 功率量程探測器——長電離室（CBL26）。功率量程探測器有6個敏感段，即六段硼襯基非補償長中子探測器，其結構示意圖見圖8。探測器安裝在鋁包殼的環繞物中，金屬鎘包住探測器后面靈敏區，提供120°扇形正對堆芯，環繞物其他部分填充聚乙烯。探測器在整體上是一個筒形容器，并在內部充以混合氣體：1%氦+6%氮+93%氬。

功率量程探測器只計算堆芯直接發出的快中子，金屬鎘阻斷熱中子，對快中子的通過無影響，聚乙烯將快中子慢化為熱中子。慢化后的熱中子在電離室硼襯基上發生反應。同時在供給六段電離室的600V高壓作用下，鋰離子在氣體中產生的離子對被電極收集，形成功率量程電流信號。

3 核儀表系統的安裝特點

3.1 機械設備安裝特點

機械設備的安裝與土建和主設備安裝交叉進行，其中前期安裝的定位裝置與反應堆廠房土建施工同步進行；后期安裝的定位裝置在壓力容器就位前進行。

3.2 電子設備安裝特點

為提高系統的可靠性，鑒于冗余性的考慮，設置了4條獨立的保護通道。從探測器至連接板、電氣貫穿件和電子機柜都采取了相互隔離的冗余布置，以防共模故障引起系統失效。其中4臺保護機柜分別屬于4個保護組，就位于4個相鄰的房間，各房間之間均有防火門，以構成4個獨立的防火區。4個貫穿件分別專屬于4個保護通道，探測器和連接板分別安裝于壓力容器四周的儀表井內，亦形成獨立通道。

3.3 電纜敷設特點

核儀表系統從探測器至電氣貫穿件、電子機柜的4個保護組的電纜均分別敷設于該系統的專用的電纜托盤內并相互隔離。

對于敷設于反應堆廠房內部的K1類同軸電纜，在敷設路徑方面考慮了遠離大功率電氣動力設備以及其他系統的中、低壓動力電纜，以減少對系統測量信號的干擾。

對于敷設于反應堆廠房外部的K3類同軸電纜，為防止火災共模故障，對4個保護組的電纜盤附加防火保護，同時通過各自專用的電氣貫穿件進入到反應堆廠房。

3.4 電纜端接特點

對于敷設于反應堆廠房內部的K1類同軸電纜，在出廠時已完成一體化電纜頭的制作，現場端接時直接與電氣貫穿件和電纜連接板處接頭對接緊固，必須達到設計要求的力矩值。由于堆內環境濕度大，為防止潮氣入侵，一體化電纜頭在緊固前需加裝事故后鉛密封墊片。

對于敷設于反應堆廠房外部的K3類同軸電纜，需要在外商人員指導下現場制作HN電纜頭，由于該系統對地絕緣要求高，同軸電纜HN接頭焊接安裝后，絕緣阻值要求能達到1011Ω以上。

3.5 系統單點接地特點

用于連接探測器至電氣貫穿件和電子機柜的測量電纜，屏蔽層在電氣上均連成通路，最終在電子機柜側的專用電子接地絕緣接線柱上接地，并由此處用絕緣銅纜連接至全廠專用的電子接地回路，形成單點接地。

4 核儀表系統安裝關注事項

核儀表系統的安裝與其他專業接口較多，而且時間跨度較長，因此在安裝過程中需合理規劃，把握重點。

4.1 做好前期土建和機械施工控制，明確對接口專業的要求

由于探測器自帶一體化電纜要求能在儀表井內移動，為保護電纜，對儀表井左右側壁要求要光滑。因此需在前期對土建設計、施工提出明確要求，確保土建施工后，儀表井內表面粗糙度滿足要求，否則將給后續的安裝工作帶來困難。另外，對于推拉裝置的定位要精準，確保誤差在允許范圍內；要重點關注活動套筒上喇叭口的焊接質量，要求焊縫平滑，不可凸出，否則在源量程/中間量程探測器吊入或吊出時，將對探測器周邊的絕緣瓷塊產生沖擊和碰撞，破壞探測器的絕緣。

4.2 統一思想，保證系統整體絕緣，把好每一關

鑒于核儀表對絕緣值要求在核電站所有電儀安裝中是最高的，因此保證絕緣始終是核儀表安裝中最關鍵的問題。當供應商首先保證了設備、材料出廠的絕緣值后，到達現場還有存儲、施工、安裝環境等因素會再次影響到絕緣。從探測器到電氣貫穿件、電子機柜以及連接它們的電纜及其接頭，任何一個環節的絕緣破壞都將導致整體絕緣不合格。因此在核儀表安裝中，要從保證系統整體絕緣的思想來把好每一關，保證整條通路絕緣達到設計要求。

4.2.1 要定期檢查探測器和同軸電纜的絕緣，確保存儲環境滿足要求。國內二代加核電的探測器和同軸電纜一般到貨都比較早，甚至在安裝前一年多就入庫，因此要重視倉庫的存儲條件，定期檢查探測器和同軸電纜的絕緣，避免絕緣問題到安裝時才暴露。

4.2.2 檢查現場條件，合理安排K1類同軸電纜的敷設時間，滿足敷設要求。同軸電纜對濕度以及系統對地絕緣要求很高，在敷設前要檢查托盤的清潔度和周圍環境的潮濕度，對托盤的轉角處加裝保護裝置，確保電纜敷設彎曲半徑滿足要求，避免電纜外層損傷。同時由于該類電纜出廠時已完成一體化電纜頭的預制連接，現場不可拆卸更換，且該電纜的加工周期長達1年。電纜敷設后做好電纜頭的密封保護，不能長期暴露在濕度較高的環境中，否則將在很短的時間內破壞絕緣。因此需合理安排現場敷設時間，通常是在一回路冷試后。

4.2.3 重視同軸電纜的HN接頭制作工藝，確保絕緣合格和接頭接觸良好。對于敷設于反應堆廠房外部的K3類同軸電纜，需在外商人員指導下現場制作HN電纜頭，要嚴格按照設計擬定的施工工藝要求，確保同軸電纜在HN接頭內芯線的長度、插針的長度以及插針與電纜截面的垂直度等，確保HN接頭處的絕緣合格和接觸良好，保證信號傳遞的連續性。另外，在電子機柜側的HN接頭由核儀表系統廠家成套供貨，在電氣貫穿件側的HN接頭由電氣貫穿件廠家供貨，兩處的HN接頭在插針長度上存在差異，現場制作電纜頭時需嚴格區分，以防混用。

4.2.4 做好電子機柜安裝后的物項保護，確保清潔度和溫濕度達到設計要求，保證設備絕緣。核儀表系統的電子機柜內布置的卡件屬于精密儀器，對清潔度和溫濕度要求較高，而現場由于土建和安裝交叉施工，電子機柜所在的設備間未形成獨立的密封環境，且通風專業尚未竣工，粉塵較多，環境比較潮濕，尤其在雨季對現場已安裝的電子設備的物項保護形成更嚴峻的考驗。為保證絕緣，現場通過加裝門簾形成獨立空間防止粉塵的進入，安裝臨時空調使得設備間溫濕度滿足要求，確保機柜絕緣滿足要求。

4.3 重視探測器安裝的先決條件，合理優化施工組織

重視探測器安裝的先決條件，合理優化施工組織，確保探測器安全吊裝和有效定位。探測器的安裝通常在一回路熱試后、裝料前進行，對核電站能否順利裝料起著決定性的作用，因此在安裝前一定要逐項檢查現場的安裝條件，合理安排施工工序，做好人員配置，保證探測器吊裝時的安全和質量要求。

4.3.1 檢查儀表井及周圍其他工程的施工是否結束、儀表井蓋是否漏水、推拉裝置是否可順利移動等，特別是儀表井內的清潔度要引起高度重視，由于該區域空間狹小，處于劑量紅區，裝料運行后不可能再次下至井內進行清潔，因此在核清潔時要一次徹底地做好清潔工作，確保不留死角。

4.3.2 探測器的吊裝就位涉及到環吊、推拉裝置的操作、測量定位和一體化電纜的揋彎、絕緣測試以及電纜端接等工藝的施工，因此要在安裝前精心優化施工組織，做好技術交底，在涉及到的每一個環節上配備資質相當的人員，并統一指揮和協調。

4.3.3 探測器吊裝的核心問題是確保設備本體安全。在吊裝時要控制環吊的速度，由于源量程/中間量程探測器最上部裝有4塊絕緣瓷塊，與進入推拉裝置移動套筒之間的間隙很小，而且移動套筒喇叭口處可能存在焊縫不平整和凸出的情況，因此在進入移動套筒時要特別小心，保證設備本體的安全，防止由于探測器與移動套筒發生碰撞和沖擊而損壞絕緣。

4.3.4 嚴格按照要求，保證探測器精準就位。功率量程探測器安裝在鋁包殼的環繞物中（見圖9），金屬鎘包住探測器后面靈敏區，對快中子的通過無影響，聚乙烯將快中子慢化為熱中子。鋁包殼的環繞物提供120°扇形正對堆芯，使得探測器只計算堆芯直接發出的快中子。探測器在出廠時已在鋁包殼的環繞物上端部標有箭頭，現場吊裝時，需預先在吊裝孔口給鋁包殼的環繞物的就位標出正確的導向位置，確保該箭頭指向反應堆中心位置（見圖10），使探測器在以箭頭為中心線的120°扇形角度范圍內只接受來自堆心的快中子，保證測量的準確性。

5 結語

目前，國內自主設計和建造的二代加核電站在核儀表安裝方面取得了較好的成績，而AP1000的核儀表系統與其相似性較高，應借鑒二代加核電站在核儀表施工中的經驗，盡早發現施工設計問題，為今后工程做好準備。

參考文獻

[1] 中國核動力研究設計院.核儀表系統手冊[S].

[2] RPN System Equipment Design Specification For QINSHAN PHASE Ⅱ EXTENSION PROJECT，DS&S[S].

作者簡介：魏向陽（1983-），男，安徽合肥人，中核集團湖南桃花江核電有限公司工程管理處工程師，研究方向：工程管理。

（責任編輯：王 波）