核電廠堆芯中子通量測量失效分析預防措施

胡雪峰

摘 要：近年來，核電廠中頻發堆芯中子通量測量失效等異常事件，對此耗費了大量人力物力進行故障分析，影響電機組調試進展的同時增加了安全隱患。在日常運行及維護過程中，核電廠的堆芯中子通量測量系統故障頻發，而且在同類型機組上重復發生的異常事件存在一定的共性，于是通過對典型的失效數據和反常數據進行收集及分析，發現在堆芯中子通量測量系統中存在的失效事件主要包括三類，指套管磨損深度超標、閃發密封組件泄露報警及中子通量測量探頭卡澀問題，為了提高核電機組的可靠性，本文根據處理原則及經驗分析總結失效及異常事件發生的原因，并給出有效的預防措施及防護策略，從選材源頭開始重視每一處細節，并做好應對措施，以及時發現并避免以上測量失效事件的再次出現。

關鍵詞：核電廠；堆芯中子；失效分析；預防措施；

引言

堆芯中子通量測量系統只是堆芯測量系統的一部分，堆芯測量系統中包含三個子系統，分別是中子通量測量系統、溫度測量及反應堆壓力容器水位測量，三個測量系統之間的接口較少，并且功能相對獨立。堆芯測量系統的主要功能有，提供反應堆堆芯中子通量分布圖、燃料組件出口反應堆冷卻劑的溫度以及反應堆壓力容器水位的測量數據。通過堆芯中子通量系統可以獲得堆芯中子注量率分布統計圖，但是如果堆芯通量測量系統中有40%的通道發生的堵塞或故障，則認為系統不可用，此時產生的堆芯中子通量結果圖可靠性不高，則認為此時的堆芯中子通量測量系統為失效狀態。

1. 系統簡介

1.1 系統功能

堆芯中子通量測量系統的功能實現是完全自動化的，由計算機控制將中子測量探頭進入不同的通道中，實現系統的測量，將獲得的數據進一步處理分析后，得到整個堆芯的中子注量率分布圖。但是在反應堆運行及啟動時，堆芯中子通量測量系統的測量功能的側重點有所不同，在反應堆的啟動階段，此時反應堆功率升高，系統功能側重點如下：

（1）檢查堆芯燃耗的功率與設計是否相符；

（2）校準堆外中子測量探測器中的電離室；

（3）檢查熱點因子設置是否過于保守；

（4）監督并預警反應堆啟動過程中堆芯裝料可能發生的故障；

在反應堆的運行階段，系統功能的主要側重點是：

（1）監督燃料耗損情況；

（2）檢查堆芯燃料耗損功率與設計是否相符；

（3）校準堆外核儀表的刻度；

（4）監督并預警反應堆運行過程中可能發生的故障；

一般來說堆芯中子通量測量系統的基本功能是獲得堆芯中子通量的數據，并加以處理分析后建構堆芯功率分布圖及燃料管理所需信息，在不同的核電廠中，堆芯中子通量測量系統的功能因被測反應堆的具體特性及系統的具體監測控制要求不同而不同，大亞灣、嶺澳一期及二期、秦山二期及海南昌江核電站中子通量測量系統都涵蓋以上基本功能，但是近年來國內外部分核電廠堆芯中子通量測量系統的功能都有所擴展，例如田灣核電站的堆芯中子通量測量系統出了基本功能之外，還具備在線監測線功率密度及DNBR等重要參數，并提供相應的堆芯保護措施的功能【1】。

1.2 系統結構

如上文所述，堆芯中子通量測量系統中包含多個測量通道，分布在不同位置，每個通道內分別安裝有指套管、導向管、密封段側漏探頭及指套管泄露探頭等密封隔離裝置，如圖1所示，其中探測器在整個堆芯中測量中子通量，工作時在指套管內移動，在為了監測密封段中指套管與導向管之間的泄露情況，在指套管與密封段之間設置了泄露探頭。但是堆芯中子通量測量系統的總體規模根據不同核電廠堆芯設計的差別以及不同核電廠反應堆堆芯燃料組件的數量而有所不同，

2. 失效分析

調查發現，核電廠堆芯中子通量測量系統調試及運行期間出現的堆芯中子通量測量系統異常事件存在一定的共性。堆芯中子通量測量系統中共有兩個泄露探測通道，一個用于指套管泄露監測，一個用于密封組件泄露監測。其中，指套管泄露探測裝置位于密封組件及隔離閥之間的球形止回閥中，當指套管發生泄露事故時，泄露探測器之間的電極產生接觸，將電信號送到控制柜中，系統通過監控器對繼電板狀態進行定時掃描，從而判斷是否發生泄露，并確定對應的泄露孔道編號【2】。

2.1 指套管磨損深度超標

堆芯中子通量測量系統中指套管是重要的安全裝置，作為堆芯中子通量測量探頭的保護裝置，能夠隔離冷卻劑。但是外表面與冷卻劑直接接觸，若指套管管壁嚴重磨損，會導致管壁穿透，冷卻劑等一回路介質進入指套管，對堆芯中子通量測量探頭造成損壞，從而增加泄露的風險。導向管起到引導指套管中介質的作用，一端連接壓力容器下封頭，一端連接手動隔離閥門，同樣用于防止冷卻劑泄露。

指套管在沿導向管、反應堆壓力容器底部、下部堆內構建支撐柱導向通道進入燃料組件導向管內的過程中，由于缺乏固定裝置，在反應堆運行階段由于冷卻劑不斷流動，引起指套管產生晃動，導致指套管與導向組件產生摩擦，隨著日積月累，摩擦程度逐漸積累造成磨損事故。另外，由于各部件存在棱角，在機組運行時，容易產生摩擦，導致指套管磨損嚴重。根據檢測數據顯示，指套管的磨損程度與運行周期呈反比關系，如圖2所示，反應堆的第一個運行周期時指套管的磨損程度最大，然后隨著運行周期加長，各個部位的磨損情況都有所好轉，這是因為運行一段時間之后各部件的棱角逐漸變得圓滑，相互之間的磨損程度便有所下降。

2.2 密封組件泄露報警

密封隔離裝置由手動隔離閥、密封組件、球形逆止閥及自動閥等組件構成，每一個組件在密封隔離過程中都起到了不可或缺的重要作用，其中，手動隔離閥用于密封隔離一回路中的介質；密封組件是一組用于對導向管及指套管進行密封的特殊裝置；球形逆止閥同樣也起到防止泄露的作用，利用小球堵住自動閥的小孔，防止冷卻劑泄露。

在堆芯中子通量測量系統運行過程中，發生密封組件泄露異常事件時，首先對現場核電廠的堆芯中子通量測量系統中的密封組件進行查露，以某核電廠為例，在對所有密封組件進行目視檢查之后，在密封段上游部位的螺母上共發現有13處硼結晶，進一步對密封組件螺母緊固力矩及泄露探頭的絕緣電阻進行檢查，發現力矩小于標準要求，阻值均滿足標準要求，于是緊急對所有上游螺母進行緊固，便未再發生泄露事故。通過對各種報警情況的發生原因進行分析，發現造成泄露報警的原因可能有如下：

（1）密封段處螺母力矩小于標準要求；

（2）泄露探頭發生故障；

（3）指套管中產生金屬碎屑等異物，導致測量通道絕緣性下降，觸發泄露報警；

（4）由于空氣潮濕導致的凝結水聚集，引發泄露報警；

2.3 中子探頭卡澀

中子探頭發生卡澀事故通常是由于圖紙設計及維修程序不明確造成的，例如在設計圖紙及維修卡中并未對卡箍進行詳細說明，導致在檢查及維修過程中，驅動電機軸上并未安裝卡箍，安裝偏離標準要求，導致出現誤差甚至發生故障，在長期運行過程中法蘭盤松脫；或者在各器件安裝圖紙中給出了理論標準，但是并沒有給出明確的驗收標準，最終導致設備安裝出現標高控制偏差【3】。

3. 預防措施

3.1 指套管磨損保護

指套管起到對堆芯中子通量測量探頭保護的作用，隔離冷卻劑，但是難免會產生磨損情況，根據堆芯中水力狀態的復雜性及指套管具體設計的不同，即使兩個完全相同的反應堆中每個指套管的磨損情況也各不相同，無法做到指套管磨損狀況的提前預測。現階段實現指套管磨損反饋的方法是定期檢查，并且在每次檢查大修期間對所有的指套管進行渦流探測，檢查是否存在磨損傷口，并針對指套管產生的不同程度的磨損，采用不同的針對措施及時進行處理。

3.2 密封組件泄露報警

針對密封組件產生泄露的原因，核電廠可以采用以下措施及時預防或報警：

（1）定期核實并確保密封組件的螺母緊固力矩在適當的范圍內；

（2）在設備采購環節，及時對設備駐廠監收，確保設備質量合格，并盡量與品質優秀的廠商進行合作；

（3）及時對測量腔室進行檢查，防止測量腔室中存在異物；

（4）在工程階段對密封端做好防潮措施，并在安裝階段進行干燥處理；

3.3 中子探頭

針對中子探頭的卡澀問題，核電廠需要對系統的安全計劃進行進一步升級，更新圖紙設計及維修管理安排，提高圖紙的驗收標準，并設置相應的質量計劃見證點。

參考文獻：

[1]劉銳，陶書生，趙力，王喆，車樹偉.核電廠堆芯中子通量測量系統典型失效分析[J].核電子學與探測技術，2018，38（02）：175-179.

[2]賀支青，楊光.故障模式與失效分析方法在核電廠設備質量管理中的應用[J].電腦知識與技術，2019，15（02）：229-231.

[3]文艷輝，王國云，沙洪偉.核電廠堆外中子通量測量系統功率量程探測器老化趨勢分析和處理[J].儀器儀表用戶，2017，24（12）：76-81.