核電廠J段象限傾斜超標報警分析

房毅凌，張荊荊

（中核武漢核電運行技術股份有限公司 浙江分公司，浙江 嘉興 315000）

LOCA監測系統（LSS）主要用于監視反應堆的運行狀態，通過專用物理計算模型模擬計算堆內的中子通量分布，重構反應堆堆芯的功率分布，并提供實時的堆芯運行狀態圖形[1]，與系統設定的安全限值進行實時對比，提供報警信號，確保反應堆在功率分布安全限值內運行，防止失水事故時導致堆芯熔化的嚴重事故發生[2]。

某核電廠機組頻繁出現J段象限傾斜超標報警，本文著重分析如何運用RIC堆芯測量系統的設備獲取堆芯數據，測量真實J段象限傾斜情況并提出新的象限傾斜監測方法。

1 LOCA監測系統J段象限傾斜超標報警介紹

LOCA監測系統下位機通過DCS系統接收來自核儀表系統（RPN）4個象限的功率量程探測器6節電離室電流信號，并轉換為每節電離室的節功率，然后計算每節象限功率傾斜比，并與其象限節功率比較，最后生成J段象限功率傾斜比。如果J段象限超標，則發出“J段象限超標”報警。

J段象限傾斜超標報警后果為機組象限功率傾斜比存在超標風險，操縱員需手動計算堆芯上、下部功率傾斜比，判斷是否超出《核電廠運行技術規范》的限值。

2 J段象限傾斜超標分析

2.1 運用RIC堆芯測量系統設備測量真實J段象限傾斜值

該核電廠機組反應堆共有157組核燃料組件，其中50組嵌入指套管，每組燃料組件含有264根燃料和1個指套管通道。RIC堆芯測量系統共有5個可移動式的中子通量探測器，將其分批次插入50個指套管通道，直抵對應的50根燃料組件內部，由于這50個通道在堆芯內均勻分布，可精確測量堆芯內部中子通量數據。

測量過程如下：

1）首先，將核功率穩定，確認反應堆在預定的功率水平穩定運行，氙毒分布基本穩定，穩壓器內的硼濃度與反應堆冷卻劑系統的硼濃度之差在±20ppm以內，建立核物理試驗條件。

2）RIC工程師進行堆芯中子通量測量，使用堆芯測量系統控制柜控制驅動單元、選擇器和電動閥，將5個堆芯中子通量探測器同時插入位于燃料棒區域的5個指套管通道中，同時生成5條實時注量率曲線。如此操作10次，共測試50根燃料對應的50個通道。

3）使用CEDRIC軟件讀出并解碼堆芯中子注量率數據文件。

4）使用CARIN軟件確定核注量率的三維分布，并確定最新的功率分布。

5）使用ATALONG軟件為LOCA監測系統提供校準參數。

6）堆芯核物理工程師依據功率分布試驗結果，重新計算最新的磁盤參數，修改磁盤參數，計算參數初始化。

最終，得出J段象限傾斜真實值為0.4%，未達到J段象限傾斜超標限值2%，LOCA系統J段象限傾斜超標為誤報警。與此同時，操縱員手動計算堆芯上、下部功率傾斜比，計算結果顯示機組象限功率傾斜比小于1.02，未超標。

2.2 J段象限傾斜超標誤報原因分析

2.2.1 報警產生機理

J段象限傾斜超標報警公式：

參變量E(j)(Dpazj limits)，當Dpazj＞E(j)時的可調參數產生報警。

圖1 功率量程探測器位置圖Fig.1 Location of power range detector

當其中一段電離室的電流出現漂移，會產生J段象限傾斜超標報警，整個通道便不再產生軸向分布信號。

2.2.2 功率量程探測器布置的局限性

由于空間限制，核反應堆壓力容器外共有10個儀表井，其中2個留作備用。源量程探測器占用2個井，中間量程探測器占用2個儀表井，僅余4個儀表井可放置功率量程探測器。因此，4個象限僅放置一個功率量程探測器如圖1所示。

由圖1可知：每個功率量程探測器3個敏感段位于堆芯上部，3個敏感段位于堆芯下部。因此，中子由堆內經慢化、擴散等過程到達堆外探測器時，其軸向分布很難與堆內完全一致。此外，探測器本身靈敏度的高散值以及中子探測物質的燃耗均加大了堆外探測器的誤差。

3 J段象限傾斜超標報警改進方法

3.1 改進J段象限傾斜超標報警算法

針對J段象限傾斜超標報警無法始終保持準確反映核反應堆的象限功率傾斜比狀況，新增“上部象限功率傾斜比”和“下部象限功率傾斜比”，可以克服單個功率量程探測器因誤差過大，產生節電流數據漂移對堆芯參數的干擾，更準確反映象限功率傾斜比狀況。

上部象限功率傾斜比（QPTR）的計算公式如下：

下部象限功率傾斜比（QPTR）的計算公式修改如下：

其中，KhIh(k)是K象限上部的電流水平；KbIb(k)是K象限下部的電流水平；Pr(k)是k象限的功率對應電流水平，并依此設置“象限功率傾斜比超標”報警信號，可以幫助主控室操縱員迅速得知目前堆芯的狀況，在LOCA系統出現報警的第一時間，省去操縱員手動計算堆芯上、下部功率傾斜比的寶貴時間，更快地采取有效措施，使堆芯軸向功率偏差恢復到許可的狀態。

3.2 改進RIC堆芯測量系統

3.2.1 當前中子通量探測器的測量原理及缺陷

當前的堆芯測量系統采用的是傳統的中子通量探測器，其工作原理及缺陷如下：中子通量探測器由微型裂變室與導電及驅動兩用的同軸電纜組成，探測器壽期主要取決于微型裂變室性能。微型裂變室的靈敏體內充有純度為99.9995%的氬氣（Ar），充氣壓力為1.1×105Pa。電極表面涂有一層厚度為0.3mg/cm2的二氧化鈾（UO2），其中，U-235的豐度為90%。靈敏體、同芯包殼及焊接端塞共同組成微型裂變室。堆芯中子通量測量過程中，熱中子射入到微型裂變室靈敏體內，打在涂有二氧化鈾的電極上，使核發生裂變。裂變產生的重的帶正電的裂變碎片使氬氣電離，產生電子—正離子對。電子和正離子在外加電磁場作用下向兩極漂移而形成脈沖，電子—正離子向兩極漂移形成的電脈沖疊加起來，則形成電流。微型裂變室電極間施加高電壓，與通量水平成比例的輸出電流流經負載電阻，負載電阻由數只不同阻值的電阻串、并而成。用分壓法和分流法取出信號，進行放大再輸往計算機收集。缺點是微型裂變室壽命較短，日常需要存儲在鉛屏蔽盒內，無法像RPN核儀表系統的功率量程探測器那樣長期置于核反應堆壓力容器附近，為LOCA系統提供在線數據。因此，需要采用新工藝方法制成中子通量探測器徹底解決該問題。

3.2.2 自給能中子探測器介紹

采用銠（Rh），因科鎳600材料可制成自給能中子探測器，可長期插入堆芯燃料組件內部工作，相比功率量程探測器的安裝位置具有很大優勢，在線使用壽命≥54個月，且能滿足熱中子靈敏度一致性偏差≤+1%和探測器γ靈敏度≤2×10-11A/(Gy·s-1)；可代替傳統的微型裂變室的中子通量探測器。

傳統的中子通量探測器需要一系列的驅動設備，才能移動至工作位置，如：控制柜、驅動單元、路選擇器、組選擇器和電動閥等，而自給能中子探測器長期插在堆芯內部工作，不需要移動。

此外，自給能中子探測器能夠與熱電偶集成在一個組件內，能夠減少對反應堆的開孔。以某二代壓水堆為例，熱電偶需要開孔40個，指套管需要開孔50個，降低了反應堆壓力容器的制造難度。

自給能中子探測器不需要承擔保護功能，不需要冗余設計，在事故工況下也不承擔測量功能，故沒有取代核儀表系統探測器的安全功能。后者主要功能是在中子注量率高和中子注量率變化率快時，觸發反應堆停堆。

3.2.3 LOCA監測系統的改進

傳統的LOCA監測系統功能，除了提供J段象限傾斜超標報警，還執行以下功能：

1）繪制功率偏差與相對功率關系圖（梯形圖），對堆芯狀況做出評價。

2）提供參數并顯示。

3）當軸向功率偏差超過定值時，產生報警信息并送往反應堆功率調節系統的C21信號。

采用自給能中子探測器后，也可以實現這些LOCA監測功能，方法如下：

a）當軸向功率偏差DDPax超過預定的整定值S2且平均熱功率（Pth(avg)）≥10%時，觸發DDPax超差報警。

b）根據反應堆物理特性和反應堆功率運行模式下的運行技術規范，確定運行區域邊界[3]，兩個及以上測量通道的軸向功率偏差Dpax信號超過左運行極限且（Pth(avg)）≥LV1或者兩個及以上測量通道的軸向功率偏差Dpax信號超過右運行極限且（Pth(avg)）≥15%FP產生超出梯形圖預警信號。

c）兩個及以上測量通道的軸向功率偏差Dpax信號超過左運行極限且（Pth(avg)）≥LV1或者兩個及以上測量通道的軸向功率偏差Dpax信號超過右運行極限且（Pth(avg)）≥50%FP產生C21信號。

自給能中子探測器產生的電流信號結合其他工況信號，經信號處理系統采集和處理，還可實現全堆芯三維功率分布實時顯示，LPD和DNBR精細計算、計算運行圖、報警和用于核儀表功率量程的校準系數計算。

LPD精細計算主要功能為：將電流信號轉化為測點燃料組件功率，然后通過拓展計算得出全堆芯功率分布，再通過精細功率重構獲得堆芯精細功率分布。為了方便反應堆操縱員提供監測依據， LPD也可以實現快速計算。DNBR采用LPD精細計算提供的堆芯三維功率分布，結合硼濃度及棒位信息進行堆芯冷卻劑通道的熱工水力計算和全堆芯的DNBR計算。而傳統的中子通量測量，仍需人工每隔30天手動測量并計算堆芯三維功率分布，LOCA系統的磁盤參數也需要定期手動導入并修改才能生效，運行效率較低。

4 結束語

LOCA監測系統作為RPN核儀表系統的子系統，數據精度受限于RPN功率量程探測器。基于反應堆的空間限制，功率量程探測器無法完全理想放置，系統誤差無法消除。當前的堆芯測量系統中子通量探測器雖然精度極高，但壽命較短，無法在線長期投用。運用自給能中子探測器技術，提升堆芯測量系統中子通量探測器性能，使其能連續持久運行，實時運算并更新堆芯三維功率分布，可從根本上克服功率量程探測器系統誤差較大的障礙。同時，創新算法，減輕漂移數據對運算結果的影響，使核反應堆運行更能滿足《核電廠運行技術規范》要求，保障機組安全穩定運行。