核電站安全殼內(nèi)乏燃料水池事故工況液位計國產(chǎn)化研發(fā)

彭運美，董帥軍，高飛洋，賀 博

（江蘇核電有限公司 儀控處，江蘇 連云港 222000）

福島核事故后，國家核安全局發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》。通用技術要求規(guī)定，在建和運行壓水堆核電廠的乏燃料水池液位計應為寬范圍量程，滿足抗震要求，液位計的測量區(qū)間應包括乏燃料開始裸露的水位到滿水位，在主控室或其他適當位置設置相關的指示信息與相應的報警，液位計的測量應保證在事故后相應環(huán)境條件下的設備可用性[1]。

田灣核電站VVER 堆型機組乏燃料水池（下稱乏池）位于安全殼廠房內(nèi)，每臺機組設計有兩臺用于事故工況下監(jiān)測乏池液位狀態(tài)的儀表，液位計采用改進型E+H 電容式，原型儀表已經(jīng)停產(chǎn)。受運行環(huán)境的嚴苛要求以及安裝位置的限制，國內(nèi)其它堆型核電站使用的乏池液位計不能滿足安全殼內(nèi)乏池的液位監(jiān)測要求。

1 概述

1.1 安全殼內(nèi)乏池的特殊性

國內(nèi)核電站有M310、VVER 和AP1000 堆型3 種典型機組，其中M310 和AP1000 堆型機組的乏池布置在安全殼外，VVER 堆型機組的乏池布置在安全殼廠房內(nèi)，田灣核電站1 ～4 號機組即為VVER 堆型。安全殼內(nèi)乏池的特殊性體現(xiàn)在：

其一，安全殼內(nèi)乏池發(fā)生嚴重事故將導致安全殼壓力升高，其內(nèi)存儲的乏燃料元件損壞后可能導致裂變產(chǎn)物釋放，且可能產(chǎn)生氫氣，威脅安全殼的完整性。其二，在安全殼內(nèi)嚴重事故工況下，安全殼內(nèi)乏池及測量儀表將直接暴露在惡劣環(huán)境中，承受包括殼內(nèi)高溫、高輻照環(huán)境以及化學介質(zhì)噴淋等風險。

因此，為保證乏池在事故中與事故后的功能實現(xiàn)，緩解事故影響，相較于安全殼外乏池，安全殼內(nèi)乏池用于事故工況下的液位監(jiān)測儀表有更高的設計要求。

1.2 乏池事故工況液位計的設計要求

田灣核電站VVER 堆型機組各機組設計有5 臺乏池液位計，其中3 臺為正常運行工況液位計，兩臺為事故工況液位計。乏池事故工況液位計可為乏池提供正常運行條件下、事故條件下及事故后長期冷卻期間的液位監(jiān)測，能夠連續(xù)測量從乏池底部到滿水位（0m ～16m）的全量程液位。

田灣核電站的安全殼內(nèi)乏池事故工況液位計，設計要求主要有：

1） 測量0m ～16m 全量程液位，24VDC 供電，4mA ～20mA 輸出，測量精度±4cm。

2）抗震1 類。

3）放射性累計吸收劑量為1×106Gy/40a。

4）滿足安全殼內(nèi)環(huán)境惡劣曲線要求。

2 研發(fā)的技術路線

2.1 總體技術方案

安全殼內(nèi)乏池事故工況液位計采用分體的纜式導波雷達液位計，分為現(xiàn)場測量組件、同軸電纜和就地儀表箱。

測量現(xiàn)場在安全殼內(nèi)，為核輻射覆蓋區(qū)。在正常運行環(huán)境下有微量核輻射，在嚴重事故條件下可能會有大劑量核輻射。在本區(qū)域布置液位傳感器，要求所有部件都能承受高強度的核輻射，因此選擇分體式設計，測量系統(tǒng)的示意圖如圖1 所示。

圖1 乏池事故工況液位測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquid level measurement system for spent fuel pool accident conditions

現(xiàn)場測量組件為傳感器部分，整體為不銹鋼結(jié)構(gòu)，不含電子元器件，從而大大增強耐輻照和耐腐蝕能力；變送器部分為電子電路部分，安裝在就地儀表箱內(nèi)，就地儀表箱布置在安全殼環(huán)廊，該區(qū)域為低輻射的環(huán)境緩和區(qū)，便于操作人員在正常以及事故工況下安全地從就地讀取乏池液位數(shù)據(jù)；現(xiàn)場測量組件連接耐輻照的電纜，經(jīng)安全殼貫穿件后連接到就地儀表箱，電纜用于傳輸高頻電磁波，因傳輸路徑長，選用超低衰減的抗輻照、高強度的同軸電纜。

2.2 雷達信號設計

導波雷達液位計利用TDR（時域反射）原理，采用高頻電磁波發(fā)射-反射-接收的方式，檢測傳播至法蘭處的頂部回波和觸碰液面后的物位回波。根據(jù)兩者之間的時間差計算出液面高度，這個時間差一般在10ns 以內(nèi)。如果直接測量時間差來計算液位，要達到毫米級別的精度，則測量時間的精度以及采樣、處理的速度要達到皮秒數(shù)量級，實時采樣、數(shù)字計數(shù)等傳統(tǒng)時間測量方式很難達到如此高的要求。對于乏池液位來說，毫秒級別內(nèi)的液位變化可以忽略，因此把乏池的液位回波信號看為準周期性的重復信號，應用等效時間采樣法進行雷達信號設計。

等效時間采樣是指對于頻率很高的周期性或者準周期性被采樣信號，用較慢的采樣頻率捕獲信號樣本，然后將樣點值按照一定規(guī)律或算法重新組合，得到與原信號波形相似的低頻信號，從而實現(xiàn)利用較低的實時采樣速率獲得較高的等效采樣速率[2]。其原理如圖2 所示。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設計

安全殼內(nèi)乏池事故工況液位計現(xiàn)場測量組件無電子部件，雷達信號發(fā)射、接收以及信號處理的電子元器件集中在就地儀表箱內(nèi)。儀表箱按照功能模塊可劃分為雷達液位計模塊GWR、報警輸出板卡模塊ALARM、供電模塊POWER、液晶屏驅(qū)動模塊UI 等四大部分，其中GWR 模塊又可分為負責射頻信號收發(fā)的RF 板卡和負責信號采集與處理的MCU 板卡。就地儀表箱的架構(gòu)設計如圖3 所示。

雷達液位計模塊GWR 主要負責液位測量和液位報警判定。RF 板卡發(fā)射射頻信號到液位傳感器，接收液位傳感器反射回來的射頻信號，經(jīng)時域展寬和放大處理轉(zhuǎn)化為連續(xù)模擬量信號并發(fā)送給MCU 板卡；MCU 板卡以高速處理單元為核心，搭配模數(shù)轉(zhuǎn)換、外部存儲等器件，實現(xiàn)液位信號的高速、高精度地采集。另外，MCU 板具備RS485 通訊功能和4mA ～20mA 液位信號輸出功能，并可輸出9 路液位報警信號至ALARM 模塊。

ALARM 模塊根據(jù)報警信號驅(qū)動相應繼電器，輸出相應的通斷量報警信號。POWE 模塊設計有兩路，接收來自外部的24VDC 或220VAC 并轉(zhuǎn)化為就地儀表箱內(nèi)各部分電路的供電。

UI 模塊主要負責驅(qū)動液晶屏顯示和接收按鍵信號，通過驅(qū)動液晶屏向用戶顯示液位值、報警信息等，此部分顯示信息通過串行通訊與GWR 模塊進行信息交互獲取。此外，按鍵指令還可通過串行通訊對GWR 模塊進行配置和調(diào)整。

2.4 結(jié)構(gòu)設計與材料選型

根據(jù)現(xiàn)場安裝環(huán)境以及超長量程的設計要求，現(xiàn)場測量組件采用纜式設計，便于現(xiàn)場安裝。纜式測量組件采用316L 不銹鋼構(gòu)成，確保可滿足現(xiàn)場高溫、高壓、高輻照的環(huán)境工況要求。

按照設計要求，用于超設計基準事故的儀表電纜要符合K0 等級要求，低煙無鹵阻燃。同軸電纜參照K0 等級電纜技術要求進行選擇，并與測量組件共同完成超設計基準事故鑒定試驗。

就地儀表箱要達到抗震1 類設計要求。箱體采用Q235碳鋼材質(zhì)構(gòu)成，以保證其結(jié)構(gòu)的可靠性，并且安裝在環(huán)境緩和區(qū)域的抗震支架上，以保證其運行的安全性。

儀表箱內(nèi)的電子元器件，嚴格按照GJB3404-98《電子元器件選用管理要求》和GB/T4589.1-89《半導體分立器件和集成電路總規(guī)范》進行。處理器和元件以符合主流的工業(yè)高品質(zhì)或軍工品質(zhì)為選擇原則，優(yōu)先選用通用元器件，對于指定型號器件，必須具備替代方案。此外，為了提高電儀板件產(chǎn)品在系統(tǒng)運行中的可靠性，對制造產(chǎn)品中所有元器件進行篩選，除了進行目測、常溫測試和功能測試等常規(guī)測試外，還按照《核級儀控插件元器件篩選技術規(guī)定》進行環(huán)境應力篩選。通過環(huán)境應力篩選將元器件和部件的早期失效剔除，并暴露設計和制造工藝的不足，從而使電子產(chǎn)品的可靠性得到保證。

3 研發(fā)的關鍵技術問題與解決

由于安全殼內(nèi)乏池事故工況液位計在安裝上和工作環(huán)境方面具有特殊性，并且對儀表性能還有高可靠性的要求，因而分體式導波雷達液位計在滿足抗震設計、耐受高輻照和腐蝕要求之外，如何實現(xiàn)同軸電纜的遠距離信號傳輸，提高儀表測量的可靠性成為研發(fā)成功的關鍵因素。本項目的國產(chǎn)化研發(fā)，攻克了上述兩大關鍵技術，同時也解決了為提高抗干擾性能而帶來的信號輸出響應滯后問題。

在釉質(zhì)脫礦抑制的效果上，綠茶浸提液、碳酸氫鈉液、多樂氟均能抑制釉質(zhì)脫礦，改善釉質(zhì)表面微觀形態(tài)；其中綠茶浸提液抑制釉質(zhì)脫礦的效果最好，碳酸氫鈉液次之；多樂氟抑制釉質(zhì)脫礦的能力較弱，而奧威爾牙膏和人工唾液對抑制釉質(zhì)脫礦的效果則無明顯差異。但奧威爾牙膏使用方便，不含氟化物，更為安全健康，且對釉質(zhì)脫礦有一定治療作用。

3.1 同軸電纜的遠距離信號傳輸

同軸電纜由內(nèi)外兩層導體及導體之間的絕緣體介質(zhì)組成，外導體的外面有保護套，在保護套的外層還有金屬屏蔽層。受導體電阻、絕緣性能、屏蔽效果、溫度變化等因素影響，信號在同軸電纜中傳輸時，沿傳輸路徑有一定程度的衰減，從而造成信號的不斷損耗[3]。當信號抵達終點后，信號幅度減少，可能會達不到正常工作的要求值。

市面上分體式導波雷達液位計的同軸電纜長度通常不超過20m，但經(jīng)核實現(xiàn)場路徑，安全殼內(nèi)乏池事故工況液位計的分體距離需超過120m，因此同軸電纜傳輸信號的距離遠超同類型普通儀表。為保證良好的信號傳輸，本項目采取了如下措施：

首先，選用抗輻照、高強度的超低衰減同軸電纜，以減少傳輸信號的信號失真。其次，在變送器硬件設計上，提高電磁波脈沖的發(fā)射功率，達到增大終點處的信號強度的效果。再次，在軟件設計上采用小信號甄別技術：MCU板卡搭配的A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用精密的模擬信號采集處理電路，模擬電壓信號經(jīng)其轉(zhuǎn)換為處理器可讀取的數(shù)字信號；MCU 板卡的中央處理單元控制RF 板卡雷達發(fā)射頻率，并讀取A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化的數(shù)字量雷達信號，以及與雷達信號特性進行對比計算處理，從而屏蔽掉非雷達信號，實現(xiàn)小信號甄別，如圖4 所示。

圖4 小信號甄別原理框圖Fig.4 Block diagram of small signal discrimination principle

經(jīng)試驗驗證，本項目的同軸電纜信號傳輸?shù)挠行Ь嚯x達到了150m，保證了儀表功能的實現(xiàn)。

3.2 液位計測量的可靠性

在事故工況下，乏池液位計的測量過程易被不穩(wěn)定和惡劣的環(huán)境因素所干擾，如水位的大幅擾動、外部的電磁信號、纜繩顫動搖晃等，可能導致液位計的測量精度嚴重偏離，或者液位計自身出現(xiàn)錯誤而無法正確監(jiān)測到乏池液位。為解決上述問題，研發(fā)的液位計必須要提高抗干擾性能，以保證測量結(jié)果的高度可靠性。本項目采取了如下措施：

第一，測量組件設計有不銹鋼材質(zhì)的同軸導波保護管，在保護管上部設置通氣孔、下部設置進液孔，可以消除液面波動的干擾。此外，保護管可起到對外界干擾的屏蔽作用，限制導波纜的最大橫向位移，從而保護電磁信號的傳輸，為電子電路部分提供良好的液位信號。

第二，就地儀表箱對測量組件返回的乏池液位信號進行處理，在MCU 板卡中經(jīng)過超前預測、圖形識別、主動降噪等算法的處理，獲得精確的乏池液位信息，再形成模擬量、數(shù)字量以及報警信號并將相應的乏池液位信號傳送到主控室。

第三，MCU 板卡既可輸出4mA ～20mA 模擬量信號，亦可輸出9 路數(shù)字量報警信號。將乏池開始裸露的水位等重要的液位監(jiān)測高度設置為報警點，在當模擬量信號出現(xiàn)故障時，9 路報警信號的狀態(tài)顯示可以反饋乏池液位的關鍵水位信息，并可在就地儀表箱的顯示屏上直接讀取。模擬量液位信號與數(shù)字量液位信號的雙重配置，大大提高了乏池液位狀態(tài)監(jiān)測的準確性和安全性，從而有效地避免核電站在發(fā)電過程中造成的損失與危險。

3.3 液位計響應時間

分體式導波雷達液位計樣機研制后，在進行液位計的功能性試驗時，發(fā)現(xiàn)儀表輸出的液位信號嚴重滯后。試驗裝置與過程如下：取2m 長的纜繩組裝到導波雷達液位計樣機，樣機安裝在試驗水槽臺架上，水槽深度2.5m；樣機表頭通過兩段總長150m 的同軸電纜（兩段電纜之間連接貫穿件導體）連接到就地儀表箱；在就地儀表箱的顯示屏讀取示值和通過輸出端口測量輸出信號電流；控制水槽液位變化，變化速率約為15cm/min，將樣機測量值與水槽標準液位示值進行同步比較。試驗結(jié)果表明，當液位穩(wěn)定時，液位計測量誤差最大值為0.4cm。當液位以15cm/min 速率變化時，液位計輸出響應滯后約6min。

經(jīng)排查分析，確定儀表測量輸出響應滯后的原因有三方面，同軸電纜傳輸路徑常產(chǎn)生滯后、信號處理邏輯程序運算耗時長而滯后，以及輸出信號的平滑處理造成滯后。其中，程序運算耗時長為主要原因，其運算的設計理念與過程為：為了保證研發(fā)液位計測量的準確性和提高測量過程抗干擾的能力，在MCU 板卡的算法程序中，對每相鄰的兩次液位計算值進行比較，以連續(xù)4 次液位計算值的同向變化來判定液位是否真實上漲或下降，再根據(jù)變化幅值和進行平滑處理后，才最終輸出液位信號。

針對該主因，通過降低相鄰兩次液位計算值比較判斷閾值的方式，對信號處理邏輯程序進行了優(yōu)化，并采用試驗的方式確定了液位比較判斷的新閾值。優(yōu)化后，重新進行如上所述的功能性試驗，在液位以15cm/min 的速率快速變化時，儀表輸出信號的滯后時間降低至3s，達到了對響應時間的要求。

4 鑒定試驗

根據(jù)田灣核電站VVER 堆型機組的設計輸入，乏池液位計為SR 級設備。為了更全面地驗證液位計能在正常條件下、事故條件下及事故后長期冷卻期間實現(xiàn)液位監(jiān)測功能和性能，本項目參考1E 級電氣設備鑒定等級要求進行了鑒定試驗。

4.1 選用標準或規(guī)范的原則

本項目的鑒定試驗大綱，引用的標準和規(guī)范其選用原則[4]如下：

首先，總體上采用國際和國家有關1E 級電氣設備鑒定原則中要求的標準或規(guī)范，液位計樣機設備應符合RCC-E和IEC 標準及有關的技術規(guī)范，在鑒定試驗的具體規(guī)定和要求上參照或參考RCC-E 系列及其配套規(guī)范以及IEC 標準。其次，在液位計樣機設備的基本性能試驗和環(huán)境試驗的方法和條件方面，參考核電廠安全級電氣設備質(zhì)量和環(huán)境試驗標準，盡量考慮與國家和國際（IEC）標準的一致性。再次，在鑒定試驗的具體執(zhí)行和實施方面，優(yōu)先考慮采用已被國內(nèi)較普遍認可和接受的適用標準或規(guī)范，如核設備抗震鑒定試驗指南HAF-J0053 等。

4.2 鑒定試驗

乏池事故工況液位計測量組件的導波纜長16m，若以樣機整體做試驗，則試驗樣品比較大，難以實施。根據(jù)GB/T 2421-2020 第8 條規(guī)定：“當試驗樣品過大或過重不能用整個樣品進行試驗時，可分別對主要部件進行試驗。相關規(guī)范應給出要采用的試驗方法和細節(jié)。”[5]結(jié)合實驗室環(huán)境試驗箱、輻照試驗裝置、振動臺面大小與抗震臺大小，相關試驗中樣機的測量組件取纜長1m，連接電纜長度5m；對于抗震分析鑒定，現(xiàn)場測量裝置按照設計長度16m 進行抗震鑒定分析。

鑒定試驗大綱的試驗項目與試驗順序，基于EJ/T 1197-2007 和GB/T 12727-2017 的要求確定，參照K1 類質(zhì)量鑒定程序進行，并在樣機完成完整K1 類鑒定試驗后，繼續(xù)進行K0 類的超設計基準事故鑒定試驗。按照試驗大綱，樣機設備先后進行試驗前的基準試驗、電磁兼容試驗、極限運行條件下的試驗、熱老化試驗、輻照試驗、事故工況引起的應力試驗、LOCA 試驗（超設計基準事故試驗）和鑒定試驗后的基準試驗，各項鑒定試驗均已完成并通過。

5 結(jié)束語

加強嚴重事故下乏燃料水池狀態(tài)的監(jiān)測能力，提高應急水平，這是各國核電站汲取福島核事故經(jīng)驗反饋的改進行動，也是對核監(jiān)督部門要求的落實行動。通過開展安全殼內(nèi)乏池事故工況液位計的國產(chǎn)化研究，田灣核電站項目組打破了國外的技術壟斷，完成了一種新型乏池液位計的產(chǎn)品研發(fā)。該新型的國產(chǎn)化產(chǎn)品，提高了乏池液位測量的可靠性，不僅可用于田灣VVER 堆型機組安全殼內(nèi)乏池液位計的換型替代，也滿足國內(nèi)其他堆型核電站乏池液位監(jiān)測的技術要求，具有較大的推廣價值。