某核電廠1RPN系統中間量程探測器故障分析及處理

趙鵬

摘 要：堆外核測系統用于持續在核電站啟動及其后運行過程中，提供連續不斷的控制和保護。本文對某核電廠1、2號機組RPN堆外核測系統的中間量程探測器的功能、工作原理進行了簡單介紹。對中間量程探測器1RPN023MA的故障現象進行闡述，對故障原因進行分析。并解析了在機組降功率過程中，該探測器的可能出現的現象，并針對性地采取處理方式，檢修結果表明分析和處理是正確有效。最終實施了探測器的更換，并對故障處理的經驗進行總結和歸納，為后續的維護工作優化提供建議。

關鍵詞：堆外核測系統；中間量程；故障；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.161

1 前言

RPN系統探測器安裝在壓力容器的外圍，生成脈沖或電流信號用以表征中子通量水平實時監測反應堆功率、功率變化和功率分布狀況，通過對應量程通道調理單元的處理后，傳輸給處理單元轉化為數字量從而進行軟件處理，并轉換為所需的信號進行輸出，為反應堆的運行提供連續不斷的測量和監視。

從反應堆啟動到滿功率運行，一直持續到反應堆安全停堆，反應堆中子通量的范圍超過10個數量級以上的量程，因此系統采用了三種不同量程通道，即源量程通道、中間量程通道以及功率量程通道。它們各自配備性能各異和測量范圍不同的探測器，不僅能夠覆蓋整個中子通量的范圍，而且三個量程在測量上相互之間有1—2個量級的重疊，從能夠消除盲區；在功能上相互制約和補充，共同實現系統的保護功能和控制功能。

2 中間量程探測器

2.1 功能

RPN系統中間量程探測器的量程范圍為中子注量率2*102—5*1010n.cm-2.s-1，通道為反應堆連續的啟動運行或功率提升過程中設置了一系列的停堆、允許、閉鎖信號，如表1所示。

2.2 原理

中間量程探測器安置在一個密封的簡形容器內，充有以氬氣為主的混合氣體，具體成分為%1氦、6%氮、93%氬。入射中子與10B發生反應，過程如下：

n+105B→73Li+42He+2.795mev

3Li*+42He+2.316mev

3Li+γ（0.48mev）

在高壓作用下，鋰離子在氣體中產生的離子對被電極收集，形成電流信號輸出。

因為電離室所處的工作場所有較強的γ場，所以輸出的信號中會包含有γ射線產生的電流，從而影響中子通量測量的精確度和范圍。為消除γ射線的影響，采用了γ補償電離室，結構和原理如圖1所示。

該電離室由A、B兩個相鄰的小室組成，其結構和內部充氣情況完全相同。區別為A室內壁有10B涂層接正壓，B室內壁無10B涂層接負壓，中間收集電極公用，經電流表或電阻接地。

當中子和γ射線同時入射時，A室產生的電流i1中既包含中子產生的電流in，也包含γ射線產生的電流iγ，即i1=in+iγ。而B室因內壁沒有10B，不會有因10B（n，γ）的反應引起氣體電離，所以B室產生的電流i2僅是由γ射線產生的，即i2=iγ。因為i1與i2的方向相反，所以最終的輸出電流是兩個電流之差，即i=i1-i2=in+iγ-iγ=in。這樣探測器所測得的電流i僅與中子通量密度成比例，消除了γ射線的影響[1]。

3 故障分析

在執行預大修項目RPN中間量程坪特性繪制時，發現1RPN023MA坪曲線發散、坪特性差，如圖2所示。

3.1 定性分析

中間量程探測器飽和特性形狀的典型變化如圖3所示。圖中曲線1為壽期初新探頭的曲線，起點斜率大，曲線平滑。曲線2的起點斜率相對變小，表明低壓區喪失功能。曲線3不僅起點斜率相對變小，平坦區也有所減少，表明高、低壓區均喪失功能。而曲線4中的平坦區則完全消失。

對比圖2和圖3中間量程探測器飽和特性形狀的典型變化可以看出1RPN023MA的坪曲線特性已與圖2中的曲線4相符合，該坪曲線屬于徹底喪失功效的形態。這主要因探測器內部的稀有氣體泄漏、硼涂層減少造成、和探測器絕緣性能下降所導致。

3.2 定量分析

3.2.1 低壓區性能分析

低壓區性能是通過計算低壓區坪斜來判定。利用V0來代表曲線變化的始點，先計算出其額定電壓Vn 對應飽和電流的20%電流值，再找出該電流值所對應的電壓值即為V0。如果V0的數值越高，表明探測器性能下降得越嚴重。判定標準為：如果V0>70V，不必更換探測器，但每三個月繪制一次坪曲線；如果V0>140V，則需要更換探測器。

利用上述算法，進行計算，過程如下：

I0（A）=0.2*I600V=0.2*2.0410E-04=0.4082E-04=4.082E-05（A）

V0（V）=VI=I0=VI=4.082E-05（A）=302V>140V；

從結果可以看出低壓區坪斜已經超差，已達到需要更換的程度。

3.2.2 高壓區性能分析

理論上來說，在正常的工作高壓范圍內，電流值是不會有改變的，與電壓沒有關聯。而在實際中，這種情況是不存在的，因為探測器輸出的實際電流是飽和電流與漏電流累加的總和。探測器的絕緣阻值是不可能為無窮，因此始終會存在漏電流，且漏電流的大小正比于探測器上的電壓值[2]。所以在飽和曲線上存在著一個很小的斜坡。對于新的探測器來說，泄漏電流是很小，坪區大，坪曲線平滑。

高壓區性能判定通過額定的坪斜來表征，計算方法為：

Slope（%）=x100

判定標準為如果坪斜Slope（%）>6%，需要更換探測器。

將數據帶入公式進行驗證，過程如下：

Slope（%）=x100=44.8%>6%

結果可以得出正常電壓的坪斜已經超出合格標準。

從以上分析中，可以看出1RPN023MA的低壓區坪斜、正常電壓的坪斜這兩個參數都已超過標準，表明探測器的性能已經嚴重下降。

4 故障處理

該探測器性能已不滿足使用需求，需要進行處理，處理方案針對兩個方面：

（1）降功率期間：降功率過程中1RPN023MA探測器的指示并不一定會呈線性變化，有可能會觸發保護動作，導致意外停堆。

（2）低低水位期間：在1RPN系統退出運行的大修窗口期間，對1RPN023MA探測器進行更換，徹底消除缺陷。

4.1 降功率期間處理

4.1.1 后果分析及預案

對機組在停堆降功率的過程中，1RPN023MA所涉及到的重要信號及可能后果進行分析。

（1）在30%FP時，ATWT誤動風險：如果1RPN023MA的ATWT信號未正常翻轉，同時1RPN013MA的ATWT信號也未正常翻轉，則當狀態進一步向下時，SG流量低ATWT信號出現后將導致ATWT停堆。該風險概率極低，實際降功率過程中，只要1RPN013MA的ATWT信號能正常翻轉即可保證不會誤動。

（2）在25%FP時，中間量程中子注量率高緊急停堆風險：功率下降過程中，當P10消失時，如果1RPN023MA的停堆信號未正常消失，則會導致中間量程停堆信號誤動。因此設定一個介于P10定值和中間量程中子注量率高定值之間的閾值18%FP ，當功率降至18%FP時，如果中間量程中子注量率高緊急停堆信號仍存在，則在反應堆保護系統閉鎖1RPN023MA的停堆信號來避免機組停堆。

（3）P6信號消失時，源量程停堆信號誤動風險：功率下降過程

中，當1RPN013MA的 P6信號消失時，如果1RPN023MA的P6信號未正常消失，則會導致源量程無法投運。這是需要手動復位“P6閉鎖源量程信號”。在源量程投運的瞬間，其計數率有可能超過源量程停堆定值，導致源量程停堆信號動作。考慮到閉鎖源量程停堆信號拒動風險較大，因此不做閉鎖處理，采取跟蹤監測的方式，分別在1RPN013MA的 P6信號消失、 1RPN013MA電流為8*10-11A這兩個階段，跟蹤檢查1 RPNO23MA的P6信號是否消失。如果未消失，則手動復位“閉鎖源量程停堆信號”，使RPN系統源量程通道投運。

4.1.2 處理過程

首先在機組滿功率時，對兩個中間量程的電流-功率轉化系數都進行了校準，使其電流與功率關系盡可能保持準確。

在降功率停機過程中，對中間量程的電流執行進行監測。對各個功率平臺的電流值進行記錄，跟蹤線性化變化情況，以便能夠在風險點到來之前對電流變化方向進行預判，快速而準確的采取措施。

（1）當核功率降至約30%FP時，此時1RPN013MA的ATWT信號翻轉為時的功率值30.2%FP，功率持續下降至22%FP，1RPN023MA的ATWT信號翻轉。

（2）當核功率降至約18%FP，檢查1RPN013MA的停堆信號翻轉時的功率值25.34%FP，此時1RPN023MA的停堆信號也已翻轉，翻轉時的功率值為17.8%FP。

（3）當核功率繼續下降至1RPN013MA的P6信號消失時，監測到1RPNO23MA的P6信號并未消失。持續降功率，當1RPN013MA電流下降接近至8*10-11A時，1RPNO23MA的P6信號消失。此時源量程投運，1RPNO14MA和1RPNO24MA計數率分別為1130 和970。至此，源量程已安全投入運行，機組的運行狀態已離開中間量程的保護定值。

4.2 低低水位期間處理

在大修的低低水位期間，成立專項工作小組，對探測器1RPNO23MA進行更換，并對廢舊探測器進行了報廢處理。

5 總結

RPN堆外核功率測量系統中間量程探測器對于機組起著十分重要的控制和保護作用。隨著系統運行年限的增加，設備中部分元器件如電容、電阻、電離室、電纜絕緣等等，會出現不同程度的性能下降甚至失效跡象，在日常和大修需要通過針對其各類參數來判斷探測器功能是否正常，同時要密切關注其他檢修工作是否會對探測器造成意外損傷。

對于探測器的各類數據要進行全面的收集、整理、匯總，以便于利用大數據，對探測器性能指標進行預判，從而優化檢修項目，強化維護管理。

參考文獻：

[1]劉國發.核電廠儀表與控制系統基礎[M].核工業研究生部，2008

：121-124.

[2]胡平，趙福宇.大亞灣核電站核儀表系統中子測量探頭老化和故障鑒別[J]核動力工程，2009，30（01）：95-99.