鉑探測器在重水堆核電站二號停堆系統中的應用與維護

張振超，徐清華，劉 錚

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

鉑探測器是自給能探測器的一種。鉑探測器具有結構簡單、體積小、耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、測量范圍寬、不需外加電源、噪聲影響小、運行成本低等優點，被廣泛用于堆芯中子測量。鉑探測器作為核反應堆芯部各個區域中子通量密度的檢測儀表，可以實現高功率范圍的精確地快速測量，為反應堆保護系統提供精準可靠的區域功率保護信號，在重水堆核電站二號停堆系統中有重要應用。

1 二號停堆系統簡介

二號停堆系統（以下簡稱SDS#2）作為重水堆核電站特有的4個專設安全系統之一，通過向慢化劑中注入中子毒物溶液（硝酸釓溶液）來快速終止反應堆的自持鏈式裂變反應，減少核燃料中產生的能量，保護反應堆的安全，是第二套可以快速停閉反應堆的保護系統。

SDS#2在設計上采用三取二邏輯觸發回路，3個獨立的通道相互間隔離，任意一個通道上的參數脫扣都能導致相應通道的脫扣，而不會影響其他兩個通道。只有兩個或以上的通道觸發后才導致SDS#2動作。

區域超功率停堆（以下簡稱ROPT）參數是SDS#2的一個重要停堆參數，堆芯區域功率信號由鉑探測器提供。其設計準則是在緩慢喪失調節或任何其它原因引起燃料超功率，在燃料局部燒干前，觸發反應堆停堆。每條通道（G、H、J）各有8個鉑探測器，每個鉑探測器提供一個單通道脫扣信號。其中的3個探測器信號送入PDC計算反應堆當前功率，作為各個停堆參數整定值運算的函數。

2 SDS#2鉑探測器介紹

鉑探測器由發射體、絕緣體、收集體及電纜等組成，中心電極為發射體，由鉑制成。探測器的外殼即是收集體，收集體由核級因科鎳600制成。發射體和收集體之間是絕緣體，由MgO制成。鉑探測器的電纜與探測器處于相同的輻射場中，所以不能使用有機絕緣材料，必須采用金屬外殼—無機絕緣—金屬芯線同軸電纜，金屬材料用因科鎳，無機絕緣材料仍用MgO[2]。

工作原理：發射體原子核俘獲中子之后形成處于激發狀態的復合核，復合核在退激過程中輻射γ射線，γ射線與探測器材料通過康普頓散射、光電效應以及產生電子對等相互作用，轉化為核能電子，這些電子的發射，就形成了探測器的正比于中子通量的電流[1]，通過測量這個電流就可以測出中子通量，也就可以測出反應堆的功率，為SDS#2提供ROPT參數。

3 SDS#2鉑探測器的安裝

SDS#2鉑探測器的敏感段放置于排管容器內的導向管中，24根鉑探測器分別安裝在7個水平方向的探測器組件中。每個探測器組件有11個毛細導管，最多能同時安裝11個鉑探測器。探測器組件把鉑探測器密封地安裝于毛細導管中特定的位置，并充上氦氣，以保護鉑探測器及其電纜。

4 SDS#2鉑探測器回路的工作原理

SDS#2中每個鉑探測器測量回路包括：可調節的放大器增益、動態補償器、偏差信號回路、脫扣比較器、試驗電路、隔離放大器。鉑探測器產生的電流信號，經過專用的屏蔽雙絞電纜，送到設備間的ROPT放大器，在ROPT放大器中進行電流/電壓轉換放大，動態補償，差動補償，在ROPT放大器中分成兩路信號，一路與設定值進行比較，如果大于設定值，則送出脫扣信號到通道脫扣邏輯中，使通道脫扣，如果3個通道中有2個脫扣，則SDS#2動作，反應堆停堆；另一路經過緩沖后送出到隔離卡件中，送到主控室用于指示實際功率。另外脫扣設定值經過緩沖后，送到隔離卡件中，經過隔離后送到主控室用于設定值指示。隔離卡件主要對指示表和ROPT放大器進行信號的隔離，避免各指示表信號和放大器信號之間的相互影響，從而提高整個回路的可靠性。

在反應堆底部的SDS#2鉑探測器相對較少，因而該系統對反應堆底部出現的超功率敏感度較差。為了補償這一弱點，使用了差動補償回路。該回路給出頂部到底部通量傾斜的信息。差動補償回路從某種程度構成一個虛擬探測器發出的信號，將該差動補償回路的輸出信號與從一個真實探測器來的信號做同樣處理，并在需要時用作通道停堆參數。

5 鉑探測器的性能檢查及故障診斷

對于鉑探測器的性能檢查及故障診斷有兩個重要的參數，即絕緣阻抗和電容。探測器組件中的氦氣環境也是影響鉑探測器穩定運行的重要因素。

5.1 絕緣阻抗

鉑探測器的絕緣阻抗低（小于106Ω）將產生較大漏電流，會隱沒信號電流，使鉑探測器無法正常工作。一個沒有受過輻照的鉑探測器在室溫條件下，絕緣阻抗應大于1013Ω，在400℃絕緣阻抗應大于108Ω[3]。當探測器在一個運行的反應堆中時，絕緣阻抗大約降為108Ω，但探測器仍能正常工作，在裝入反應堆堆芯前后必須進行絕緣阻抗的測試，以便對鉑探測器進行故障診斷。

5.2 電容

電容是鉑探測器的另一個重要參數，電容值應在出廠值的±0.10nF范圍內[2]。測量電容的目的是檢查探測器各個部件之間連接的可靠性，例如探測器絕緣電阻很高，但分布電容很低，甚至為0，說明各部件之間連接存在接觸不良或斷開。測量電容便于探測器發生故障時分析檢查。

5.3 探測器組件氦氣環境

探測器組件中充有高純氦氣，用于保護鉑探測器。每個探測器組件內的氦氣壓力在安裝或調試期間進行測量并記錄，如果壓力過低則需檢查探測器組件有無損壞，連接處是否有泄漏，如果探測器組件有損壞則必須更換，如果連接處有泄漏則要緊固或更換密封圈，并充氣到100±3kPa（g）。在反應堆運行后，每5年必須檢查一次探測器組件中氦氣壓力，如果壓力低于35kPa（g），則需要用高純氦氣對探測器組件進行充氣[3]。

5.4 在役鉑探測器絕緣阻抗

鉑探測器在堆芯會受到輻照，受輻照后的鉑探測器的絕緣阻抗不能直接用高阻計進行測量，可以在鉑探測器的放大器的前面板按下探測器阻抗檢查按鈕，此時放大器內部的一個1MΩ的電阻與鉑探測器串聯，用萬用表測量放大器的輸出電壓Vt；松開按鈕，測量放大器的輸出電壓Vo。可以用以下公式計算出鉑探測器絕緣阻抗：

如果測出的絕緣阻抗小于108Ω，則證明鉑探測器性能下降，需要更換鉑探測器。

6 鉑探測器的更換

圖1 鉑探測器組件吹掃和充氣管路圖Fig.1 Platinum detector components purge and inflatable piping diagram

由于鉑探測器安裝在探測器組件的毛細導管中，而且毛細導管中充有100kPa的保護氣體，因而需要用設計的探測器組件吹掃充氣裝置，把組件中探測器保護氣體置換后卸壓，新探測器安裝后，需要對探測器組件進行氣體置換和充壓。

6.1 探測器組件氦氣置換及泄壓操作

打開探測器組件頂蓋前，需要用高純氦氣對探測器組件進行吹掃，吹掃的氣體排到通風系統中。按照圖1“探測器組件吹掃和充氣管路圖”連接氦氣的氣路管線，連接完成后關閉V1和V2，并確認兩個PRV1和PRV2的輸出已調到最小值，打開氦氣瓶的出口閥，調整PRV1的輸出到1MPa左右，調整PRV2的輸出為100kPa，打開V1，并擰松母快接頭，對管路進行吹掃，使氦氣充滿管路，擰緊母快接頭，關閉V1，并把母快接頭連接到鉑探測器的充氦氣的公快接頭上。打開V2，打開真空泵，確認真空表PI-4的壓力開始下降。打開探測器組件上的公快接頭前的通氣閥，打開1～2圈，繼續抽真空，直到真空表PI-4的指示真空度大于10kPa。關閉V2，慢慢打開V1，對探測器組件進行充氣。檢查PI-3維持在100kPa，充氣大約3min。關閉V1，慢慢打開V2，對探測器組件抽真空。如此抽氣充氣重復5次并最后泄壓。

6.2 鉑探測器安裝操作

探測器組件的掃氣完成后，用內六角扳手卸下探測器組件的端蓋上的螺栓和墊片。拆下探測器組件的端蓋及端蓋密封O型圈，拆下探測器組件的端蓋后可見探測器的LEMO連接接頭，從底座的LEMO插孔上拔掉舊探測器的LEMO接頭，在舊的探測器的LEMO接頭的正負極上連上225Ω電阻。這樣損壞的鉑探測器留在探測器組件中，不會影響其他鉑探測器。如果要把舊的鉑探測器抽出，則需要STERN LAB MARK II專用工具；如果鉑探測器組件中有足夠的備用毛細導管，在整個壽期內都能滿足要求，則不需要把舊鉑探測器拔出。

用鉑探測器安裝工具將新的鉑探測器緩慢插入毛細導管，再將探測器的LEMO接頭接到皮安電流計上，測量新的探測器的輸出電流。如果新探測器的輸出電流穩定并與實際的功率水平相匹配，則說明鉑探測器正常，可以把新探測器的LEMO接頭插到LEMO插孔上，回裝探測器組件端蓋。

6.3 探測器組件氦氣置換及充壓操作

確認組件端蓋正確安裝后，按照圖1的吹掃管路圖，用高純氦氣吹掃探測器組件5次，最后把探測器組件內部壓力充到100KPa。這樣新的鉑探測器就算完全安裝好了。

新的鉑探測器安裝完成后，需要在設備間再次測量連上電纜的鉑探測器的阻抗和電容，測量輸出的電流，并確認電流是否穩定。確認鉑探測器可用之后，就可以把探測器投入到二號停堆系統中了。

7 結束語

鉑探測器作為核測儀表的一種，為反應堆提供可靠的區域功率保護信號，其在重水堆核電站SDS#2系統中的重要性是顯而易見的。因此，鉑探測器的維護，故障診斷以及更換是非常重要的。

在重水堆核電站中應用的鉑探測器預計能正常工作而不會出現系統性失效，最短壽命可達20年。因此，在壓力管更換之間的整個服務期內，它們能完全履行其“安全系統”的使命，因而建議反應堆更換壓力管時，同時更換鉑探測器。