AP1000堆內(nèi)核測(cè)系統(tǒng)及維護(hù)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(nèi)核測(cè)系統(tǒng)（In-core Instrumentation System，IIS）對(duì)堆芯功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，生成3D 堆芯功率分布圖，并實(shí)時(shí)顯示。

本文從AP1000 IIS 系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)AP1000 IIS 系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了AP1000 IIS 系統(tǒng)的維護(hù)策略。

1 IIS系統(tǒng)原理

在AP1000 機(jī)組運(yùn)行期間， IIS 系統(tǒng)將自給能中子探測(cè)器（Self-Powered Neutron Detector，SPD）置于堆芯內(nèi)部，中子探測(cè)器產(chǎn)生正比于其周圍中子注量率水平的電流信號(hào)，通過該電流信號(hào)計(jì)算出堆芯指定位置的注量率信息。

SPD 由發(fā)射體、絕緣體、收集體組成[1]：

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

2）探測(cè)器的外殼即是收集體，為中子不靈敏的材料。

3）發(fā)射體和收集體之間是絕緣體，通常采用無(wú)機(jī)絕緣材料。

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

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

2 AP1000 探測(cè)器組件的結(jié)構(gòu)分析

2.1 探測(cè)器組件結(jié)構(gòu)

AP1000 采用衰變型自給能中子探測(cè)器，共有42 個(gè)探測(cè)器組件（IITA），每個(gè)IITA 中有7 個(gè)不同長(zhǎng)度的SPD，其中最長(zhǎng)的SPD 覆蓋了整個(gè)堆芯活性區(qū)域的高度，其他6個(gè)SPD 以最長(zhǎng)探測(cè)器的1/7 長(zhǎng)度順序遞減。

2.2 提高探測(cè)器信噪比

由于反應(yīng)堆內(nèi)部環(huán)境惡劣，對(duì)探測(cè)器信號(hào)干擾大，且SPD 輸出的電流信號(hào)非常微弱、精度要求較高，因而提高信噪比對(duì)保證 IIS 信號(hào)質(zhì)量至關(guān)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(nèi)探測(cè)器組件中含有7 個(gè)探測(cè)器，通過探測(cè)器間的差分比較消除了電纜噪聲電流，每個(gè)探測(cè)器的引出電纜均布置在活性區(qū)頂斷面以上，此設(shè)計(jì)保證了各電纜長(zhǎng)度一致。

3 AP1000探測(cè)器組件布置結(jié)構(gòu)分析

AP1000 IIS 系統(tǒng)采用可移動(dòng)的儀表導(dǎo)向通道系統(tǒng)（即儀表格架組件IGA），將42 個(gè)堆內(nèi)探測(cè)器組件插入堆芯指定位置。IGA 上有8 個(gè)Quickloc 快接頭，每個(gè)快接頭最多可固定6 個(gè)堆內(nèi)儀表組件（其中有6 個(gè)快接頭只固定5 個(gè)堆內(nèi)儀表組件）。

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

在換料大修期間，利用IGA 結(jié)構(gòu)，只需將IGA 吊起，固定在IGA 上的42 個(gè)堆內(nèi)儀表組件將隨IGA 向上提升：在提升過程中，起初儀表導(dǎo)管逐漸從上支撐柱中抽出，套管在支撐柱內(nèi)保持不動(dòng)。當(dāng)IGA 提升約燃料組件長(zhǎng)度的一半高度時(shí)，儀表導(dǎo)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(zhǎng)度時(shí)，套管在儀表導(dǎo)管的帶動(dòng)下也從上支撐柱中逐漸抽出。

4 AP1000探測(cè)器組件操作分析

4.1 停堆換料時(shí)的相關(guān)操作

AP1000 在換料大修期間無(wú)需將探測(cè)器組件逐個(gè)拔出，只需拆除電纜接頭與探測(cè)器的連接即可，探測(cè)器組件始終固定在Quickloc 棒束上，將會(huì)隨IGA 移至存放臺(tái)架上。相關(guān)操作完成以下操作：

◇ 拆除電纜接頭與探測(cè)器的連接，為所有IITA 頂端都安裝上保護(hù)罩。

◇ 拆卸Quickloc 快速連接裝置，為Quickloc 棒束裝上護(hù)罩。

◇ 拆除主螺栓，移走一體化頂蓋，同時(shí)換料水池充水。

◇ 當(dāng)換料水池充滿水后，利用堆內(nèi)構(gòu)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(dǎo)向管中的IITA 部分逐漸抽出。

◇ 當(dāng)IITA 完全從燃料組件儀表導(dǎo)向管抽出時(shí)，將IGA 相對(duì)于上部堆內(nèi)構(gòu)件固定，然后隨上部堆內(nèi)構(gòu)件一起從壓力容器內(nèi)移至存放臺(tái)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(shè)計(jì)，AP1000在整個(gè)操作過程中無(wú)需對(duì)探測(cè)器進(jìn)行拔插操作，只需移動(dòng)IGA 即可完成探測(cè)器組件在堆芯的插入和拔出，能夠?qū)崿F(xiàn)快速拆除和回裝，大大簡(jiǎn)化了操作過程，縮短了操作時(shí)間，同時(shí)也大大減少了人員劑量。

4.2 探測(cè)器組件安裝

AP1000 探測(cè)器組件的安裝在上部堆內(nèi)構(gòu)件放置在存放臺(tái)架時(shí)進(jìn)行，安裝時(shí)只需使用專用工具將探測(cè)器組件插入至Quickloc 棒束的指定位置，隨后探測(cè)器組件跟堆內(nèi)構(gòu)件一起安裝至堆芯指定位置。

AP1000 中探測(cè)器的安裝在存放臺(tái)架上進(jìn)行，安裝探測(cè)器時(shí)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(duì)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(huì)占用大修主線時(shí)間。

4.3 探測(cè)器的更換

AP1000 大修期間，在上部堆內(nèi)構(gòu)件未吊離壓力容器時(shí)對(duì)失效探測(cè)器組件進(jìn)行拆除。換料水池充滿水后，在裝卸料機(jī)上使用長(zhǎng)柄工具，在水下遙控移除需更換探測(cè)器組件處的Quickloc 護(hù)罩，然后遙控移除失效的探測(cè)器組件。失效的探測(cè)器組件在水下被切斷，并放入處置容器內(nèi)，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(tǒng)維護(hù)策略分析

5.1 日常維護(hù)

IIS 系統(tǒng)在運(yùn)行期間，由于探測(cè)器組件一直安裝在堆芯，就地對(duì)探測(cè)器組件進(jìn)行直接檢查是不可行的。因此，需要通過軟件及機(jī)柜運(yùn)行模件對(duì)探測(cè)器組件進(jìn)行定期檢查。

AP1000 IIS 系統(tǒng)可對(duì)每個(gè)SPD 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線診斷，若系統(tǒng)判斷SPD 運(yùn)行異常，需對(duì)該通道進(jìn)行逐步檢查以確認(rèn)故障所在。在確認(rèn)SPD 不滿足運(yùn)行要求后，為避免故障SPD 對(duì)堆芯物理參數(shù)的影響，需要在 IIS 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器中對(duì)SPD 信號(hào)進(jìn)行屏蔽，使其不參與堆芯物理參數(shù)計(jì)算。

5.2 常見故障及維護(hù)策略分析

探測(cè)器組件報(bào)廢主要有3 種情況：

1）探測(cè)器絕緣電阻降低。

2）探測(cè)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(cè)器絕緣電阻降低大多是由于接頭故障造成的，所以注意對(duì)探測(cè)器接頭的保護(hù)能有效降低上述故障1）和故障2）的發(fā)生。因此，在機(jī)組運(yùn)行和維護(hù)中應(yīng)注意以下方面：

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

◇ 拆除與探測(cè)器的連接后，應(yīng)為電纜接頭安裝保護(hù)罩，以免造成接頭內(nèi)插針彎曲或損壞，或異物進(jìn)入接頭。

◇ 探測(cè)器及電纜接頭易出現(xiàn)因受潮導(dǎo)致絕緣電阻下降的情況，如果是接頭受潮，可用吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行烘烤，烘烤后其絕緣性能應(yīng)能明顯上升。

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

◇ 每個(gè)換料周期進(jìn)行首次堆芯功率分布測(cè)量時(shí)探測(cè)器組件故障率不超過25%，每個(gè)堆芯象限內(nèi)至少有15 個(gè)SPD 可用，同時(shí)每個(gè)堆芯象限上部和下部至少各有6 個(gè)SPD 可用。

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

若探測(cè)器組件故障率超出以上運(yùn)行限制，則需停堆更換探測(cè)器組件；若在以上運(yùn)行限制內(nèi)個(gè)別SPD 故障失效，只需對(duì)該SPD 信號(hào)進(jìn)行屏蔽，在換料大修時(shí)對(duì)所有存在SPD 故障失效的探測(cè)器組件進(jìn)行更換。

由于AP1000 IIS 信號(hào)并不參與反應(yīng)堆保護(hù)，因而在保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，投運(yùn)后可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況制定探測(cè)器更換策略。

5.3 探測(cè)器組件安裝策略分析

AP1000 中新探測(cè)器組件的安裝是在上部堆內(nèi)構(gòu)件處于存放臺(tái)架上的時(shí)候進(jìn)行的。此時(shí)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(cè)器組件時(shí)，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(cè)器組件插入儀表格架組件導(dǎo)向通道中。由于換料水池水位下降，對(duì)儀表格架組件的屏蔽作用降低，探測(cè)器組件安裝操作的輻射劑量將較高。同時(shí)，在新IITA 的安裝過程，由于換料水池水面下降，不足以對(duì)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(huì)占用大修主線時(shí)間。故需采用模擬體對(duì)探測(cè)器組件的安裝操作進(jìn)行培訓(xùn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

AP1000 IIS 系統(tǒng)采用固定式的測(cè)量方式，在機(jī)組運(yùn)行期間對(duì)堆芯功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文從AP1000 IIS 系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)AP1000 IIS 系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了AP1000 IIS 的維護(hù)策略，對(duì)系統(tǒng)日后的運(yùn)行和維護(hù)工作有一定指導(dǎo)意義。