AP1000與M310+落棒時間測量技術差異性分析

曹晟龍

（江蘇核電有限公司儀控管理處，江蘇連云港 222000）

0 引言

壓水反應堆在正常情況下是通過把控制棒逐步插入燃料組件實現正常停堆，在緊急情況下要靠自身重力將控制棒快速插入燃料組件實現緊急停堆。緊急停堆情況下的落棒時間作為安全評審的重要依據和電廠安全運行的重要參數之一，必須滿足堆芯安全分析規定的時間要求。因此，落棒時間的準確測量對于核電廠運行安全至關重要。控制棒棒束位于堆芯高溫、高壓、強輻照的環境中，其位置不可能直接測量，落棒時間和控制棒位只能通過棒位探測器進行間接測量。由于設計思路和專利限制等因素，AP1000與M310+這2種國內主要壓水堆型的棒位探測器和落棒時間測量方式均有所差異。

1 M310+堆型落棒測量技術

M310+堆型規定必須在每個循環開始時進行的物理試驗中驗證落棒時間T4，T5，T5+T6。M310+落棒時間安全驗收準則中的熱停堆、額定流量工況下的落棒時間規定：棒束從開始降落至緩沖段入口（T5），未考慮地震載荷為2.15 s；棒束從開始降落至緩沖段底部（T5+T6），未考慮地震載荷為3.0 s。同時運行準則中還規定了熱態時T4≤0.15 s，T4表示從保持鉤爪線圈電流降到33%額定值到棒束開始降落之間的時間。

1.1 棒位探測器的測量原理

M310+的棒位探測器利用了電磁感應原理的互感現象。互感現象是當一線圈中的電流發生變化時，在臨近的另一線圈中產生感應電動勢。互感系數M表征2線圈之間產生互感能力的強弱。互感系數M的大小與2線圈的形狀、相對位置以及周圍磁介質的磁導率μ有關。當形狀和位置確定不變時，就只與其內部介質的磁導率μ成正比，可記為M=kμ。當第一個螺線管中通過的電流為i時，通過另一螺線管的磁通量為Φ=Mi=kμi；如果i隨時間發生變化，則Φ也發生相應變化。根據電磁感應定律，通過回路面積的磁通量Φ發生變化時，該回路中產生的感應電動勢ε見式（1）。

如果，則有（2）式。

當介質磁導率不隨時間改變時，感應電勢與介質磁導率及激磁電流I（有效值）成正比。若保持激勵電流（有效值）的恒定，感應電動勢就只與感應線圈周圍介質的磁導率有關。當感應線圈中有鐵芯穿過時感應電動勢會產生變化。

以福清核電廠為例，每臺棒位探測線圈包括1個原邊線圈，31個副邊（測量）線圈和2個輔助線圈；原邊線圈為一長螺線管，沿驅動軸整個上下行程繞制。為減少引出線數量，副邊線圈采用格萊碼自編碼方式被分為 5 組（A，B，C，D，E），每組按照串接反繞的方式連接在一起，與原邊線圈共軸；2個輔助線圈串接位于初級線圈兩端。

1.2 落棒時間測量原理

M310+應用探測器原邊線圈的感應電壓進行落棒時間測量。根據電磁感應現象：在變化磁通量中的導體，會產生電動勢。控制棒驅動軸由磁性材料制成，落棒試驗時，驅動軸導磁光桿與棒位探測器原邊線圈組合成1個動鐵式磁電傳感器[1]。驅動軸下落的過程中，在原邊線圈產生了感應電動勢。通過測量和處理原邊線圈感應電動勢的大小和時間即可繪出落棒時間曲線。

1.3 落棒試驗過程

福清核電廠棒控棒位系統中包括有落棒試驗功能的Test Bench系統（測試臺系統）。Test Bench需要采集原邊線圈感應電壓信號、驅動機構的保持線圈電流信號以及CRDM（Control Rod Drive Mechanism，控制棒驅動機構）聲音信號（聲音信號僅作參考）。原邊線圈電壓信號需通過專用的原邊線圈轉接板及落棒信號線從棒位設備房間引入，保持線圈電流信號從棒控電源柜前面板引入。

試驗中，將選定的一個棒組提升至225步，將該棒組的一個子組的上述信號接入Test Bench，在Test Bench中選擇相應試驗項目，斷開子組動力電源，落棒完成后，Test Bench作出落棒曲線（圖1）并分析試驗結果，試驗數據可存儲、顯示并打印。下一個子組、棒組重復上述試驗步驟。

Test Bench一次只能連接和測量同一個子組4個棒束的落棒數據，在每個子組試驗時都需要試驗人員進行接線連接和試驗設定，因此該系統無法實現反應堆運行期間緊急停堆的落棒數據測量。

2 AP1000棒位探測技術

AP1000規定每次移動反應堆頂蓋之后，反應堆臨界之前要驗證黑棒的落棒時間≤2.47 s，落棒時間定義為，一束完全提出的控制棒從固定鉤爪線圈失去電源到進入緩沖區前所用的時間[2]。

圖1 Test Bench落棒曲線

2.1 棒位探測器測量原理

AP1000的棒位探測器利用了電磁感應中的自感現象。自感現象是由于線圈本身電流的變化而引起的。自感系數L表示線圈產生自感能力的強弱。，μ代表線圈中的介質磁導率，S代表線圈面積，N代表線圈匝數，l代表線圈長度。當S，N，l不變時，有鐵芯線圈的自感系數比沒有鐵芯時大的多。

圖2 基本原理電路圖

在圖2電路中，線圈通以50 Hz交流電源，根據電磁理論，線圈感抗 XL=2πfL，回路電流，測量電阻R的分壓VR=IR。當鐵芯沒有貫穿線圈時，VR=X；當鐵芯貫穿線圈后L增大，XL增大，回路電流I減小，因此測量電阻R的分壓VR＜X。渦流損耗、磁滯損耗等效應的影響較小可忽略。

AP1000每臺棒位探測器組件包括48個線圈，分別命名為A和B的2組，每組24個線圈交叉離散的固定在非磁性不銹鋼套筒上（圖3）。

圖3 AP1000數字棒位探測器

2.2 落棒時間測量原理

AP1000落棒試驗時，驅動軸導磁光桿分別與棒位探測器A，B組線圈組合成2個動鐵式磁電傳感器。驅動軸下落的過程中，在A，B組線圈產生了感應電動勢。通過測量和處理A，B組線圈感應電動勢的大小和時間即可繪出落棒時間曲線。

2.3 落棒試驗過程

AP1000棒位系統中包含專門的落棒試驗子系統（Rod Drop Test System，RDTS），包括位于A，B臺棒位數據采集柜內部的數據采集設備（Data Acquisition Equipment，DAQ）和一臺位于安全殼外的落棒試驗柜。DAQ連接至A和B組線圈的6 V AC電源連接處。DAQ通過CAT-5局域網與安全殼外的落棒試驗柜通信。

試驗前，試驗人員在系統中選定落棒試驗的棒束并設定參數。試驗開始后，反應堆停堆系統向RDTS發出一個繼電器閉合觸點信號觸發數據采集；DAQ通過繼電器將探測器線圈115 V AC/6 V AC變壓器的主級線圈斷開，將次級線圈短路（HI，LO）的方式，把變壓器切除出落棒測量回路[3]如圖4。通過檢測公共傳輸線電阻R4上的感應電壓變化DAQ得到落棒時間曲線數據。落棒試驗柜對落棒曲線數據進行分析、顯示、存儲和打印。

RDTS可同時進行所有棒或1束棒、或1個子組棒、或1組棒的落棒試驗。RDTS只在落棒試驗或設備運行驗證期間運行，也無法測量并記錄反應堆運行期間發生緊急停堆時的落棒數據。

3 改進后的AP1000落棒時間測量技術

美國西屋電氣公司雖然在中國申請了AP1000落棒時間探測技術的專利保護，但該技術存在著缺點和不足[4]。

（1）公共導線上的電阻R4很小且很難保證多個棒束測量的一致性。

（2）很難實現反應堆運行期間緊急停堆的落棒測試。

針對以上問題，國產化廠家對該系統進行了改進設計。在棒位探測器A和B組棒位測量線圈的基礎上，增加專用的落棒測試線圈，每個落棒測試線圈首尾相接，形成2個測試感應電壓的引出端（圖5）。電廠正常運行期間落棒系統投入運行，可實現運行期間緊急停堆時落棒數據的測量。

該改進在落棒測量時只需斷開棒位測量線圈變壓器，無需切除變壓器，并可測量反應堆緊急停堆時的落棒數據，提高了測試的可靠性。

圖4 AP1000落棒感應電壓測量電路

圖5 國產化改進后的落棒感應電壓測量電路

4 三種落棒時間測量技術的差異性分析

（1）M310+和AP1000落棒時間測量技術參數的對比見表1。

表1 落棒時間測量技術參數的對比

分析結果表明：M310+要求驗證T4時間，T4時間起始點為保持鉤爪線圈電流降到33%額定值，因此試驗中需要采集鉤爪線圈電流。而AP1000的落棒時間起始點為固定鉤爪線圈失去電源，無需采集鉤爪線圈電流，從而簡化了測量系統的設計。這時由驗收準則的差異造成的。

（2）Test Bench一次只能測量同一個子組4個棒束的落棒數據，每個子組試驗時都需要試驗人員進行1次接線連接和試驗設定，測量過程復雜，人員工作量大，試驗時間較長；RDTS可同時進行所有棒、或1束棒、或1個子組棒、或1組棒的落棒試驗，試驗時無需改造設備硬件，在落棒試驗或慢速棒重測試驗中，AP1000的選擇更加靈活，可大大簡化試驗過程，大量減少大修期間的試驗時間，可對縮短大修周期有一定貢獻。

（3）國產化改進的AP1000棒位探測器增加了專用落棒測量線圈，試驗中只需斷開無需切除棒位測量線圈變壓器，進一步提高了測試的可靠性；改進后的落棒試驗系統可在反應堆運行中測量緊急停堆時的落棒數據，可方便及時收集落棒數據，進一步提高反應堆的安全性。

5 結論

2種棒位探測器分別采用了電磁感應原理中的互感現象和自感現象設計，結構差異很大，也造成了2種堆頂落棒時間測量的差異。AP1000在簡化試驗過程，縮短大修周期方面表現突出。國產化改進后的新型AP1000棒位探測器及其落棒試驗系統，進一步提高了落棒時間測量的可靠性和及時性。建議采用Test Bench系統的核電機組進行設備改造，使其具備同時測量所有棒、1束棒、1組棒落棒時間和測量反應堆緊急停堆時落棒數據的能力，以簡化落棒試驗過程，提高機組運行的安全性和經濟性。

[1]鐘艷敏.王源.付仿松，秦山核電二期工程反應堆控制棒落棒性能測試[J].核動力工程，2003，24（2）：221-223.

[2]Westinghouse.AP1000 Design Control Document[Z].Revision 16，May 2007.

[3]Analysis And Measurement Services Corporation，Advanced digital control rod position indication system with rod drop monitoring for nuclear power plants：USA，US8351561 B2，2013-1-8.

[4]國核自儀系統工程有限公司，核電站棒位監測系統：中國，CN202205469 U，2012-4-25.