HPR1000與AP1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)差異性分析

蔣波 王雷 江易蔚

【摘 要】堆芯測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆內(nèi)部中子通量、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)核電站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了關(guān)鍵的作用。AP1000是從美國(guó)引進(jìn)的第三代核電技術(shù)，HPR1000是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的第三代核電技術(shù)，兩種堆型的堆芯測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上具有相似性，但在系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在一定的差異。本文通過(guò)比較兩者堆芯測(cè)量系統(tǒng)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，為后續(xù)堆芯測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議。

【關(guān)鍵詞】堆芯測(cè)量;HPR1000;AP1000

中圖分類號(hào)： TM623.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）25-0078-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.038

Analysis of In-core Neutron-temperature Measurement System between HPR1000 and AP1000

JIANG Bo WANG Lei JIANG Yi-wei

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610000，China）

【Abstract】The In-core Neutron-temperature measurement system realizes real-time online monitoring of parameters such as neutron flux and temperature inside the reactor，it plays a important role in nuclear power plant.AP1000 is a third-generation nuclear power technology introduced from the United States，HPR1000 is a third generation nuclear power technology independently developed by China.The design of the In-core Neutron-temperature measurement system between the two technologies is similar，but there are some differences in system function、system component and system structure.By analyzing the similarities and differences of the two In-core Neutron-temperature measurement system，and gave some suggestions for the optimization of the ?In-core Neutron-temperature measurement system.

【Key words】Core measurement;HPR1000;AP1000

0 引言

堆芯測(cè)量系統(tǒng)為核電站反應(yīng)堆的專用儀控系統(tǒng)，用于提供反應(yīng)堆堆芯中子通量分布、燃料組件出口以及反應(yīng)堆壓力容器上封頭腔室內(nèi)反應(yīng)堆冷卻劑溫度和反應(yīng)堆壓力容器水位的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)這些測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合反應(yīng)堆的其他狀態(tài)參數(shù)計(jì)算反應(yīng)堆的功率分布、燃料組件的線功率密度（LPD）、偏離泡核沸騰比（DNBR）、堆芯水位和最低過(guò)冷裕度等，對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行具有重要的作用。為確保反應(yīng)堆壓力容器下封頭的完整性，降低堆芯熔化和泄露的概率，三代核電的堆芯測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量組件均從反應(yīng)堆壓力容器的頂蓋引入，取消了反應(yīng)堆壓力容器下封頭貫穿件以提高反應(yīng)堆的整體安全性。

AP1000是美國(guó)西屋公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的第三代核電堆型，HPR1000是具有中國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)，HPR1000與AP1000的堆芯測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上具有一定的相似性，但又存在不同，本文從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析兩種典型的三代核電堆芯測(cè)量系統(tǒng)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。

1 系統(tǒng)功能差異性分析

AP1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)的主要功能包括：為堆芯核運(yùn)行最佳估計(jì)分析器（BEACON）在線三維中子注量率圖提供數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用于堆型性能優(yōu)化，也用于校準(zhǔn)保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PMS）中使用的堆外中子探測(cè)器;為PMS和多樣化保護(hù)系統(tǒng)（DAS）提供熱電偶信號(hào)，用于堆芯過(guò)冷度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)事故后的堆芯出口溫度。

HPR1000堆型為我國(guó)自主化的三代百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆，HPR1000的堆芯測(cè)量系統(tǒng)功能包括：采集自給能中子探測(cè)器的電流信號(hào)，實(shí)時(shí)測(cè)量堆芯中子通量，在線計(jì)算DNBR和LPD，繪制通量圖和運(yùn)行圖，并結(jié)合反應(yīng)堆其他的工況數(shù)據(jù)，計(jì)算核儀表系統(tǒng)功率量程校準(zhǔn)參數(shù);提供反應(yīng)堆燃料組件冷卻劑最高溫度核平均溫度，根據(jù)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供的主回路壓力和安全殼大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的安全殼大氣絕對(duì)壓力計(jì)算反應(yīng)堆冷卻劑飽和溫度，并由此計(jì)算反應(yīng)堆冷卻劑的最低過(guò)冷裕度;提供反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)水位信息，尤其在事故后工況下，為操縱員提供壓力容器內(nèi)水裝量判斷所需要的信息。

從系統(tǒng)功能比較，兩種堆型均具有中子堆芯中子通量監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)功能，但HPR1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)包含了壓力容器水位測(cè)量功能，該功能用于監(jiān)測(cè)堆芯水裝量的變化，監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆的堆芯是否裸露，為操縱員評(píng)估、診斷事故后工況下的一回路熱工水力狀況提供重要的信息，可作為采用事故后控制策略和操作規(guī)程的重要判據(jù)。

2 系統(tǒng)組成差異性分析

AP1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)在157組燃料組件中的42組中設(shè)置了測(cè)量管，具有42個(gè)測(cè)量通道，安裝有探測(cè)器的儀表套管通過(guò)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋后插入燃料組件中。堆芯測(cè)量系統(tǒng)包括兩部分：42個(gè)堆芯儀表套管組件，信號(hào)處理和和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。每個(gè)堆芯儀表套管內(nèi)都包括7個(gè)釩（V-51）熱中子自給能探測(cè)器和1個(gè)K型（鎳鉻-鎳鋁）熱電偶，自給能探測(cè)器位于堆芯活性區(qū)，熱電偶位于燃料組件出口。每個(gè)儀表套管組件內(nèi)的探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過(guò)一體化堆頂組件后，7個(gè)自給能探測(cè)器信號(hào)和熱電偶信號(hào)分別與信號(hào)處理機(jī)柜和補(bǔ)償箱連接。42組自給能探測(cè)器信號(hào)分兩路傳輸?shù)叫盘?hào)處理機(jī)柜中進(jìn)行數(shù)字化處理，信號(hào)處理機(jī)柜中的電流/電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。42個(gè)溫度測(cè)量信號(hào)中的38個(gè)信號(hào)分別送往保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)B列和C列的1E級(jí)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中，其余4個(gè)信號(hào)送入多樣化保護(hù)系統(tǒng)中。

HPR1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)在177組燃料組件中的44組中設(shè)置了測(cè)量通道，采用44個(gè)中子-溫度探測(cè)器組件、4個(gè)水位探測(cè)器組件和信號(hào)處理設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量和監(jiān)測(cè)功能。每個(gè)中子-溫度探測(cè)器組件由7個(gè)銠自給能探測(cè)器和1個(gè)K型熱電偶，每個(gè)水位探測(cè)器組件布置了兩個(gè)水位測(cè)點(diǎn)，采用熱導(dǎo)式水位傳感器進(jìn)行測(cè)量。308個(gè)SPND電流信號(hào)分四路送入4個(gè)處理柜中，44個(gè)溫度測(cè)量信號(hào)及4個(gè)水位測(cè)量信號(hào)分別送入2個(gè)堆芯冷卻監(jiān)測(cè)機(jī)柜中。

AP1000與HPR1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)的自給能中子探測(cè)器采用不同的材料，AP1000自給能探測(cè)器采用釩發(fā)射體，HPR1000自給能探測(cè)器采用銠發(fā)射體。釩發(fā)射體的熱中子反應(yīng)截面小、燃耗率低，半衰期長(zhǎng)，釩自給能探測(cè)器的使用壽命長(zhǎng)，對(duì)反應(yīng)堆的局部功率擾動(dòng)小，但靈敏度低，信號(hào)延遲響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng);中子-溫度探測(cè)器組件安裝于燃料組件的儀表管內(nèi)，由于儀表管內(nèi)徑小，為提高中子靈敏度，需要采用較長(zhǎng)的靈敏段，每個(gè)組件內(nèi)7支釩自給能探測(cè)器的靈敏段長(zhǎng)度不一致，一支釩探測(cè)器的靈敏段長(zhǎng)度為堆芯高度，其余6支自給能探測(cè)器的長(zhǎng)度以堆芯高度的1/7順序遞減。銠發(fā)射體的熱中子反應(yīng)截面大、燃耗率高，半衰期短，釩自給能探測(cè)器的靈敏度高、但相對(duì)壽命短，對(duì)反應(yīng)堆的局部功率有一定的擾動(dòng);銠自給能探測(cè)器的靈敏高，中子-溫度探測(cè)器組件中的7支探測(cè)器采用相同長(zhǎng)度靈敏段，沿堆芯活性段高度等距布置。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異性分析

AP1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)的中子-溫度測(cè)量組件信號(hào)通過(guò)一體化堆頂組件后，在接線板上7個(gè)自給能探測(cè)器信號(hào)與熱電偶信號(hào)分開(kāi)，采用兩組獨(dú)立的電纜和連接器，分別與信號(hào)處理機(jī)柜和補(bǔ)償箱連接。294個(gè)中子信號(hào)分兩路傳輸?shù)胶藣u內(nèi)的兩個(gè)自給能探測(cè)器信號(hào)處理機(jī)柜中，在信號(hào)處理機(jī)柜中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)采用多路復(fù)用傳輸方式，采用兩個(gè)獨(dú)立的通信鏈路通過(guò)電氣貫穿件傳送到安全殼外。數(shù)字信號(hào)通過(guò)高速以太網(wǎng)送到多重計(jì)算機(jī)服務(wù)器，然后傳送到堆芯核運(yùn)行最佳估計(jì)分析器（BEACON）中，結(jié)合其他數(shù)據(jù)計(jì)算反應(yīng)堆三維堆芯功率分布、DNBR、LPD，并為反應(yīng)堆運(yùn)行人員提供可視數(shù)據(jù)、報(bào)警信息。42個(gè)溫度測(cè)量信號(hào)中的38個(gè)1E級(jí)信號(hào)分別送往保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)B列和C列的1E級(jí)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中，用于堆芯冷卻監(jiān)視計(jì)算。其余4個(gè)非1E級(jí)信號(hào)送入多樣化保護(hù)系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)處理后在多樣化保護(hù)機(jī)柜和主控室的DAS專用盤(pán)上進(jìn)行顯示。

HPR1000的堆芯測(cè)量系統(tǒng)中子-溫度測(cè)量組件信號(hào)進(jìn)過(guò)一體化堆頂組件、連接板后，后分兩路通過(guò)電氣貫穿件，中子和溫度測(cè)量信號(hào)在電氣貫穿件外側(cè)分開(kāi)。308支中子信號(hào)分四路送入4個(gè)中子通量測(cè)量信號(hào)處理柜中，每個(gè)處理柜堆對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行查差分、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)延遲消除等處理，同時(shí)接收電廠工況信息及其他計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行LPD和DNBR快速計(jì)算后將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制柜，控制柜實(shí)現(xiàn)堆芯三維功率分布顯示，LPD和DNBR精細(xì)計(jì)算、運(yùn)行圖、報(bào)警、堆外核測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算。經(jīng)運(yùn)算處理后，實(shí)時(shí)顯示堆芯三維功率分布，各SPND測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的中子通量和設(shè)備狀態(tài)等信息，并將部分結(jié)果輸出至DCS進(jìn)行顯示和記錄，同時(shí)送至主控室專用顯示器顯示。堆芯冷卻機(jī)柜實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換、測(cè)量校核、飽和溫度計(jì)算、過(guò)冷裕度計(jì)算、水位計(jì)算等數(shù)據(jù)處理，并將堆芯溫度、水位信息輸出至電廠計(jì)算機(jī)信息和控制系統(tǒng)、記錄儀、后備盤(pán)常規(guī)指示儀和服務(wù)單元監(jiān)測(cè)堆芯溫度、壓力容器水位信息。

AP1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)的中子信號(hào)處理機(jī)柜位于安全殼內(nèi)，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后傳輸至安全殼外，可以使穿過(guò)電氣貫穿件的導(dǎo)線數(shù)量顯著減少，但機(jī)柜需要滿足安全殼內(nèi)運(yùn)行環(huán)境要求。HPR1000堆芯測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)處理柜位于安全殼外，穿過(guò)電氣貫穿件的導(dǎo)線數(shù)量多，但對(duì)機(jī)柜的環(huán)境適應(yīng)性要求較低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)兩種典型的三代核電堆型HPR1000和AP1000的堆芯測(cè)量系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行比較，并對(duì)其中的差異性進(jìn)行分析。兩種堆芯測(cè)量系統(tǒng)為適應(yīng)各自的堆型特征而采取不同的功能、探測(cè)器類型、設(shè)備布置、信號(hào)傳輸模式，均能滿足三代核電堆芯測(cè)量要求，后續(xù)可根據(jù)其系統(tǒng)建設(shè)成本、設(shè)備使用壽命、維護(hù)頻率、運(yùn)行成本綜合考慮，對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

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