AP1000堆內核測系統及維護策略分析

付龍俊

（三門核電有限公司，浙江 三門 317100）

在AP1000 中，堆內核測系統（In-core Instrumentation System，IIS）對堆芯功率進行實時監測，生成3D 堆芯功率分布圖，并實時顯示。

本文從AP1000 IIS 系統的原理和結構出發，對AP1000 IIS 系統的特點進行了分析，并結合運行經驗，提出了AP1000 IIS 系統的維護策略。

1 IIS系統原理

在AP1000 機組運行期間， IIS 系統將自給能中子探測器（Self-Powered Neutron Detector，SPD）置于堆芯內部，中子探測器產生正比于其周圍中子注量率水平的電流信號，通過該電流信號計算出堆芯指定位置的注量率信息。

SPD 由發射體、絕緣體、收集體組成[1]：

1）中心電極稱為發射體，為中子靈敏材料。發射體是SPD 的核心部分，決定了探測器的物理特性。

2）探測器的外殼即是收集體，為中子不靈敏的材料。

3）發射體和收集體之間是絕緣體，通常采用無機絕緣材料。

SPD 與中子注量的反應機制主要有兩種：β 衰變反應（n，β）（緩慢）和中子俘獲反應（n，γ）（瞬發），根據反應機制不同，自給能中子探測器可分為衰變型自給能中子探測器和瞬變型自給能中子探測器兩種[2]。

瞬變型自給能中子探測器對中子注量變化的瞬時響應比較靈敏，故多用來測量功率變化并參與反應堆控制。但瞬變型自給能中子探測器要經過二次相互作用才能將中子轉換成可供收集的電子，轉換效率很低，只有衰變型自給能中子探測器的1%～2%，因此精度較差。

2 AP1000 探測器組件的結構分析

2.1 探測器組件結構

AP1000 采用衰變型自給能中子探測器，共有42 個探測器組件（IITA），每個IITA 中有7 個不同長度的SPD，其中最長的SPD 覆蓋了整個堆芯活性區域的高度，其他6個SPD 以最長探測器的1/7 長度順序遞減。

2.2 提高探測器信噪比

由于反應堆內部環境惡劣，對探測器信號干擾大，且SPD 輸出的電流信號非常微弱、精度要求較高，因而提高信噪比對保證 IIS 信號質量至關重要。SPD 主要通過降低電纜本底噪聲電流來提高信噪比。

AP1000 的堆內探測器組件中含有7 個探測器，通過探測器間的差分比較消除了電纜噪聲電流，每個探測器的引出電纜均布置在活性區頂斷面以上，此設計保證了各電纜長度一致。

3 AP1000探測器組件布置結構分析

AP1000 IIS 系統采用可移動的儀表導向通道系統（即儀表格架組件IGA），將42 個堆內探測器組件插入堆芯指定位置。IGA 上有8 個Quickloc 快接頭，每個快接頭最多可固定6 個堆內儀表組件（其中有6 個快接頭只固定5 個堆內儀表組件）。

儀表導管固定連接在儀表格架板底部，而套管則套裝在儀表導管的外部，兩者可以相對滑動。在正常運行位置時，儀表導管和套管重合套在一起，并插入在上支撐柱內，套管底部由上支撐柱下面的儀表轉接器托住。

在換料大修期間，利用IGA 結構，只需將IGA 吊起，固定在IGA 上的42 個堆內儀表組件將隨IGA 向上提升：在提升過程中，起初儀表導管逐漸從上支撐柱中抽出，套管在支撐柱內保持不動。當IGA 提升約燃料組件長度的一半高度時，儀表導管完全從上支撐柱中抽出，而套管還在上支撐柱中；在IGA 提升剩余一半高度的燃料組件長度時，套管在儀表導管的帶動下也從上支撐柱中逐漸抽出。

4 AP1000探測器組件操作分析

4.1 停堆換料時的相關操作

AP1000 在換料大修期間無需將探測器組件逐個拔出，只需拆除電纜接頭與探測器的連接即可，探測器組件始終固定在Quickloc 棒束上，將會隨IGA 移至存放臺架上。相關操作完成以下操作：

◇ 拆除電纜接頭與探測器的連接，為所有IITA 頂端都安裝上保護罩。

◇ 拆卸Quickloc 快速連接裝置，為Quickloc 棒束裝上護罩。

◇ 拆除主螺栓，移走一體化頂蓋，同時換料水池充水。

◇ 當換料水池充滿水后，利用堆內構件專用吊具將儀表格架組件提升，IITA 也隨IGA 向上提升，原來插入在燃料組件儀表導向管中的IITA 部分逐漸抽出。

◇ 當IITA 完全從燃料組件儀表導向管抽出時，將IGA 相對于上部堆內構件固定，然后隨上部堆內構件一起從壓力容器內移至存放臺架上。

◇ 堆芯換料完成后，回裝操作與上述過程相反。

得益于IGA 和Quickloc 快速連接裝置的設計，AP1000在整個操作過程中無需對探測器進行拔插操作，只需移動IGA 即可完成探測器組件在堆芯的插入和拔出，能夠實現快速拆除和回裝，大大簡化了操作過程，縮短了操作時間，同時也大大減少了人員劑量。

4.2 探測器組件安裝

AP1000 探測器組件的安裝在上部堆內構件放置在存放臺架時進行，安裝時只需使用專用工具將探測器組件插入至Quickloc 棒束的指定位置，隨后探測器組件跟堆內構件一起安裝至堆芯指定位置。

AP1000 中探測器的安裝在存放臺架上進行，安裝探測器時需要降低換料池液位，存在人員劑量問題，且由于換料水池水位下降，不足以對放射性燃料組件起到足夠的屏蔽作用，必須停止換料操作，因此同樣會占用大修主線時間。

4.3 探測器的更換

AP1000 大修期間，在上部堆內構件未吊離壓力容器時對失效探測器組件進行拆除。換料水池充滿水后，在裝卸料機上使用長柄工具，在水下遙控移除需更換探測器組件處的Quickloc 護罩，然后遙控移除失效的探測器組件。失效的探測器組件在水下被切斷，并放入處置容器內，再將容器從換料水池中取出，放置在乏燃料池中。

5 AP1000 IIS系統維護策略分析

5.1 日常維護

IIS 系統在運行期間，由于探測器組件一直安裝在堆芯，就地對探測器組件進行直接檢查是不可行的。因此，需要通過軟件及機柜運行模件對探測器組件進行定期檢查。

AP1000 IIS 系統可對每個SPD 的運行狀態進行在線診斷，若系統判斷SPD 運行異常，需對該通道進行逐步檢查以確認故障所在。在確認SPD 不滿足運行要求后，為避免故障SPD 對堆芯物理參數的影響，需要在 IIS 系統應用服務器中對SPD 信號進行屏蔽，使其不參與堆芯物理參數計算。

5.2 常見故障及維護策略分析

探測器組件報廢主要有3 種情況：

1）探測器絕緣電阻降低。

2）探測器組件頂端與自帶電纜連接的接頭損壞。

3）SPD 故障失效。

探測器絕緣電阻降低大多是由于接頭故障造成的，所以注意對探測器接頭的保護能有效降低上述故障1）和故障2）的發生。因此，在機組運行和維護中應注意以下方面：

◇ 在換料過程中，當換料水池充滿水后，探測器組件將完全淹沒于水下，因此拆除探測器電纜接頭必須為探測器電纜接頭安裝水密封保護罩，以免導致接頭絕緣下降。

◇ 拆除與探測器的連接后，應為電纜接頭安裝保護罩，以免造成接頭內插針彎曲或損壞，或異物進入接頭。

◇ 探測器及電纜接頭易出現因受潮導致絕緣電阻下降的情況，如果是接頭受潮，可用吹風機進行烘烤，烘烤后其絕緣性能應能明顯上升。

對于故障3），SPD 故障失效，AP1000 對SPD 故障失效要求如下[3]：

◇ 每個換料周期進行首次堆芯功率分布測量時探測器組件故障率不超過25%，每個堆芯象限內至少有15 個SPD 可用，同時每個堆芯象限上部和下部至少各有6 個SPD 可用。

◇ 完成首次堆芯功率分布測量之后，在本換料周期內，探測器組件故障率不超過60%；每個堆芯象限內至少有15 個SPD 可用，同時每個堆芯象限上部和下部至少各有6 個SPD 可用。

若探測器組件故障率超出以上運行限制，則需停堆更換探測器組件；若在以上運行限制內個別SPD 故障失效，只需對該SPD 信號進行屏蔽，在換料大修時對所有存在SPD 故障失效的探測器組件進行更換。

由于AP1000 IIS 信號并不參與反應堆保護，因而在保證系統安全可靠運行的前提下，投運后可根據實際運行情況制定探測器更換策略。

5.3 探測器組件安裝策略分析

AP1000 中新探測器組件的安裝是在上部堆內構件處于存放臺架上的時候進行的。此時換料水池充滿水，Quickloc棒束頂部距離水面非常近。采用人工安裝探測器組件時，必須把換料水池水位下降至一定程度，讓Quickloc 棒束露出水面一定高度，以便于操作人員靠近Quickloc 將新的探測器組件插入儀表格架組件導向通道中。由于換料水池水位下降，對儀表格架組件的屏蔽作用降低，探測器組件安裝操作的輻射劑量將較高。同時，在新IITA 的安裝過程，由于換料水池水面下降，不足以對放射性燃料組件起到足夠的屏蔽作用，必須停止換料操作，因而會占用大修主線時間。故需采用模擬體對探測器組件的安裝操作進行培訓。

6 結束語

AP1000 IIS 系統采用固定式的測量方式，在機組運行期間對堆芯功率進行實時監測。本文從AP1000 IIS 系統的原理和結構出發，對AP1000 IIS 系統的特點進行了分析，提出了AP1000 IIS 的維護策略，對系統日后的運行和維護工作有一定指導意義。