核儀表系統(tǒng)源量程通道投入滯后問題分析

胡 勁，王銀麗，金舟鍇，趙 俊，熊之光，羅 煒

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.中國核動力研究設(shè)計院，成都 610041）

0 引言

2019 年4 月15 日8 時45 左右，方家山核電1 號機(jī)組反應(yīng)堆處于熱停堆平臺，核儀表系統(tǒng)（RPN）中間量程通道所測電流隨中子注量率水平下降而逐漸減小。一小時后，中間量程通道電流降至9E ～10A 左右，隨后中間量程通道電流下降速度緩慢，運(yùn)行人員進(jìn)行硼化干預(yù)后，晚上19點(diǎn)25 分左右，中間量程通道電流降至1.7E ～10A 左右，P6 信號隨后消失，源量程通道投入，此時源量程通道計數(shù)率為800CPS。

圖1 核儀表系統(tǒng)通道測量范圍示意圖Fig.1 Chart of the range of channel measurements for nuclear instrument ation systems

此次停堆過程中，從進(jìn)入熱停堆狀態(tài)到P6 信號消失直至源量程通道投入，共用時10 小時40 分鐘左右，且進(jìn)行了人為硼化干預(yù)。與以往核電站大修源量程通道投入時間相比，延長了5 小時，且沒有進(jìn)行人為硼化干預(yù)。

本文基于核儀表系統(tǒng)源量程和中間量程通道的信號測量與處理原理[1]，重點(diǎn)介紹源量程和中間量程如何進(jìn)行量程銜接，通過對不同階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最終通過調(diào)整中間量程補(bǔ)償電壓，使得源量程和中間量程在反應(yīng)堆啟堆和停堆過程中更好地銜接，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測。

1 核儀表系統(tǒng)測量通道簡介

由于反應(yīng)堆從啟堆到滿功率運(yùn)行中子注量率的變化范圍大于10 個量級，為實(shí)現(xiàn)從低功率水平到高功率水平對反應(yīng)堆的連續(xù)保護(hù)和控制，RPN 系統(tǒng)設(shè)計了源量程、中間量程、功率量程3 種量程相互覆蓋的測量通道[2,3]。源量程通道主要在反應(yīng)堆停堆、啟堆到臨界階段使用，中間量程通道則覆蓋了從反應(yīng)堆臨界前到低功率運(yùn)行階段這一較寬的范圍，功率量程通道主要在功率運(yùn)行階段使用。

源量程和中間量程、中間量程和功率量程測量范圍至少有兩個數(shù)量級的重疊，方家山核電機(jī)組RPN 系統(tǒng)3 種量程通道測量范圍和重疊區(qū)域如圖1 所示。

2 3種量程通道運(yùn)行聯(lián)鎖原理

反應(yīng)堆正常啟堆過程中（堆芯γ 相對較小），在堆芯裝料后，源量程通道開始有計數(shù)，此時中間量程通道電流很小，基本在量程下限以下，功率量程通道測量值此時忽略不計；當(dāng)反應(yīng)堆功率水平慢慢提升，源量程通道計數(shù)率在1000CPS 左右時，中間量程通道電流進(jìn)入量程下限，此時功率量程仍忽略不計測量值；當(dāng)中間量程電流增大到P6信號出現(xiàn)（此時中間量程通道電流約為1E ～10A，不同核電站和功率循環(huán)會有差異），允許操縱員手動閉鎖源量程通道緊急停堆功能，并切斷源量程探測器高壓供電，此時功率量程通道測量值仍忽略不計；當(dāng)中間量程通道電流慢慢增長到約1E ～5A 時，功率量程通道電流進(jìn)入量程下限；當(dāng)核功率繼續(xù)上升至P10 信號出現(xiàn)，允許操縱員手動閉鎖中間量程通道緊急停堆功能和功率量程低定值緊急停堆功能，自動閉鎖源量程通道緊急停堆功能。

反應(yīng)堆正常降功率至停堆過程中（堆芯γ 相對較大），在反應(yīng)堆進(jìn)入熱停狀態(tài)后，當(dāng)功率量程通道電流下降到P10 定值以下，P10 信號消失，中間量程通道緊急停堆功能和功率量程低定值緊急停堆功能自動恢復(fù)，允許手動恢復(fù)源量程緊急停堆功能；當(dāng)中間量程通道電流下降到P6 定值以下，P6 信號消失，源量程探測器高壓供電自動恢復(fù)，源量程通道緊急停堆功能自動恢復(fù)。

3 中間量程γ補(bǔ)償電離室的工作原理

由于中間量程探測器工作于中間功率水平且堆芯γ 輻射相對較高的環(huán)境下，所以中間量程探測器采用γ 補(bǔ)償電離室，γ 補(bǔ)償電離室原理圖如圖2 所示。γ 補(bǔ)償電離室由中子室和γ 補(bǔ)償室兩部分組成。

在中子室的正高壓電極和收集極相對的電極表面涂覆有硼膜，中子室對慢中子及γ 輻射均靈敏，在中子和γ 射線的輻射場中形成中子電流In和γ 電流Iγ1。

在γ 補(bǔ)償室的負(fù)高壓電極和收集極相對的電極表面沒有涂覆硼膜，僅對γ 輻射靈敏，在n 和γ 射線的輻射場中僅形成γ 電流Iγ2。

這樣，流過收集極的電流即為I0：

由于Iγ1與Iγ2的流向相反，且|Iγ1|≈|Iγ2|，因而I0≈In。

圖2 γ補(bǔ)償電離室原理圖Fig.2 Compensation ionizing chamber schema

通過設(shè)置合適的γ 補(bǔ)償電壓，使探測器輸出電流能準(zhǔn)確表征堆內(nèi)中子情況。

γ 補(bǔ)償結(jié)果的好壞，一般用γ 補(bǔ)償度來衡量，即γ 補(bǔ)償后的輸出電流與非補(bǔ)償時的全收集電流之比值的百分比數(shù)。對電離室本身而言，補(bǔ)償度的設(shè)計值一般都能達(dá)到|1%|。

通常，γ 補(bǔ)償電離室設(shè)計成過補(bǔ)償，即在正、負(fù)高壓絕對值相同時，輸出電流為負(fù)值，甚至為較大的負(fù)值。這樣在實(shí)際使用中，通過調(diào)節(jié)負(fù)高壓值比較容易獲得理想的補(bǔ)償效果。

工程應(yīng)用中，并不要求補(bǔ)償度的指標(biāo)，而只要求給出獲得最佳補(bǔ)償時的負(fù)高壓值，且最佳補(bǔ)償時的負(fù)高壓的絕對值要低于正高壓值。

4 源量程投入滯后問題分析

根據(jù)3 種量程通道運(yùn)行聯(lián)鎖原理，在降功率階段，源量程通道的投入有兩種方式：一種是允許手動投入，前提是反應(yīng)堆功率下降至P10 定值以下，當(dāng)然此時需要對反應(yīng)堆工況做出判斷，防止堆芯功率過高導(dǎo)致源量程投入產(chǎn)生源量程高中子注量率停堆，更嚴(yán)重的可能會損壞源量程探測器；一種是自動投入，在反應(yīng)堆功率下降至P6 定值以下時，源量程通道自動投入使用。目前在運(yùn)行壓水堆核電站暫未出現(xiàn)過源量程通道手動投入滯后的問題反饋。

基于此，針對此次停堆過程中源量程通道自動投入時間過長的問題進(jìn)行如下具體分析。

4.1 直接原因分析

源量程通道自動投入與P6 信號定值直接相關(guān)，P6 信號由中間量程通道產(chǎn)生，其定值通常設(shè)計為1.00E-05%FP（對應(yīng)的中間量程電流值約為1.00E-10A 量級，功率水平信號由電流值乘以相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)計算得到）或直接以電流值1.00E-10A 作為定值，P6 信號產(chǎn)生時反應(yīng)堆功率水平很低。

此次停堆過程相比以往核電站大修，在額外進(jìn)行了人為硼化干預(yù)情況下依然存在源量程通道投入滯后的問題，考慮是中間量程探測器實(shí)際輸出電流偏高，導(dǎo)致中間量程測得的功率降低至P6 定值以下所需時間過長。

4.2 根本原因分析

1）中間量程探測器輸出影響分析

在低功率階段，中間量程探測器輸出電流的成分和高功率階段不一樣。在高功率階段，中子注量率產(chǎn)生的電流遠(yuǎn)大于γ 產(chǎn)生的電流，此時中間量程探測器輸出電流可以反映堆內(nèi)真實(shí)情況；在低功率階段，例如在反應(yīng)堆熱態(tài)時，中子注量率水平很低，隨著反應(yīng)堆狀態(tài)的變化，γ 產(chǎn)生的電流在探測器輸出電流中所占比重會大于中子電流，此時需要對γ 進(jìn)行補(bǔ)償，使探測器輸出電流真實(shí)地反映反應(yīng)堆實(shí)際狀態(tài)[4]。

下面針對P6 信號定值的設(shè)計分兩種情況進(jìn)行分析：

◆ P6 信號定值設(shè)計為功率值（1.00E-05%FP）時：功率值通過中間量程電流乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)計算得到，轉(zhuǎn)換系數(shù)設(shè)置是否合理會直接影響源量程通道投入的時間。如果轉(zhuǎn)換系數(shù)偏大，P6 信號定值對應(yīng)的電流值則偏小，會導(dǎo)致P6 信號消失滯后，源量程通道投入滯后。工程應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換系數(shù)由物理人員根據(jù)堆芯狀態(tài)計算得出，誤差較小。

◆ P6 信號定值設(shè)計為電流值（1.00E-10A）時，中間量程探測器電流輸出值直接與定值進(jìn)行比較，而影響探測器電流輸出的因素有4 種：探測器正高壓、探測器負(fù)高壓、堆內(nèi)中子通量、堆內(nèi)γ 強(qiáng)度，下面對這4 種影響因素進(jìn)行逐一分析。

◇ 探測器正高壓：通過繪制探測器飽和特性曲線得出探測器工作電壓有一定長度的坪區(qū)，探測器工作電壓通常設(shè)置在坪區(qū)內(nèi)，一般情況下不會影響探測器輸出電流的偏離。

◇ 探測器負(fù)高壓：即探測器補(bǔ)償電壓，通過設(shè)置合理的補(bǔ)償電壓，盡可能補(bǔ)償?shù)籼綔y器輸出電流中的γ 部分，使探測器輸出電流盡可能真實(shí)反映反應(yīng)堆狀態(tài)，如果補(bǔ)償電壓設(shè)置偏低，將導(dǎo)致探測器輸出電流中γ 電流成分未被充分補(bǔ)償，導(dǎo)致探測器輸出電流比實(shí)際值偏高，反之亦然。

◇ 堆內(nèi)中子注量率：代表反應(yīng)堆真實(shí)狀態(tài)，探測器只要不故障，探測器輸出電流中的中子電流成分不會產(chǎn)生偏離。

◇ 堆內(nèi)γ 強(qiáng)度：代表反應(yīng)堆真實(shí)狀態(tài)，探測器只要不故障，探測器輸出電流中的γ 電流成分不會產(chǎn)生偏離。

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)探測器負(fù)高壓的設(shè)置偏低導(dǎo)致中間量程探測器實(shí)際輸出電流偏高，從而導(dǎo)致此次停堆過程中源量程通道投入滯后。需要說明的是探測器負(fù)高壓的設(shè)置取決于反應(yīng)堆所處狀態(tài)下對堆芯γ 強(qiáng)度。

2）不同運(yùn)行階段堆芯γ 強(qiáng)度分析

下面針對方家山核電1 號機(jī)組最近幾次啟堆和停堆過程中源量程和中間量程通道的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。

圖3 R104大修結(jié)束C5啟堆過程中源量程和中間量程的實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.3 R104 Overhaul ends the measured data for the source and intermediate ranges during the C5 start-up process

圖4 R103結(jié)束C4啟堆過程中源量程和中間量程的實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.4 R103 Ends the measured data for the source range and the intermediate range during the C4 start-up process

圖5 R10420180713小修停堆過程中源量程和中間量程的實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.5 R10420180713 Measured data for source and intermediate ranges during the small repair stop heap

圖6 20190315R104大修停堆過程中源量程和中間量程的實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.6 20190315R104 Measured data for source and intermediate ranges during the overhaul of the stop heap

首先，以R104 大修結(jié)束C5 啟堆和R103 大修結(jié)束C4啟堆為例開展分析。這兩次大修耗時都在30 天左右，啟堆過程中源量程和中間量程的實(shí)測數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示?？梢钥闯觯戳砍毯椭虚g量程重疊性較好，當(dāng)中間量程通道電流在1.00E ～10A，源量程通道計數(shù)率都在5000CPS左右；當(dāng)中間量程通道電流在1.50E ～10A，源量程通道計數(shù)率都在10000CPS 左右。啟堆時，堆內(nèi)γ 強(qiáng)度都降低至一個較低水平，中間量程和源量程通道輸出信號能夠比較真實(shí)地反映堆芯中子注量率水平。

接下來，以20180713 小修停堆和20190315R104 大修停堆為例開展分析。這兩次停堆過程中，源量程和中間量程通道的實(shí)測數(shù)據(jù)如圖5、圖6 所示?？梢钥闯?，兩次停堆過程中中間量程通道電流和源量程通道計數(shù)率的對應(yīng)關(guān)系不完全相同，這與兩次停堆前反應(yīng)堆帶功率運(yùn)行的時間長度有關(guān)。小修停堆前反應(yīng)堆連續(xù)運(yùn)行了9 個月左右，而R104 大修停堆前反應(yīng)堆連續(xù)運(yùn)行了16 個月左右，故R104大修停堆時堆內(nèi)γ 強(qiáng)度是高于小修停堆的，在探測器負(fù)高壓設(shè)置相同的情況下，R104 大修停堆時中間量程探測器的欠補(bǔ)償程度遠(yuǎn)高于小修停堆。

通過上述啟堆和停堆過程中源量程和中間量程通道的實(shí)測數(shù)據(jù)的具體分析，可以看出對于相同中間量程通道電流值1.00E ～10A，啟堆和停堆過程中對應(yīng)的源量程通道計數(shù)率分別為5000CPS 和500CPS。由于源量程探測器僅對堆內(nèi)熱中子敏感，可以認(rèn)為上述兩次停堆過程源量程通道計數(shù)率為500CPS 時，對應(yīng)的中間量程電流1.00E ～10A 中大部分成分是γ 電流。

5 解決方案

基于上述分析，認(rèn)為中間量程補(bǔ)償電壓設(shè)置是解決源量程投入滯后問題的關(guān)鍵。中間量程補(bǔ)償電壓的正確設(shè)置不僅僅要考慮反應(yīng)堆停堆階段的γ 補(bǔ)償程度，同時也要考慮反應(yīng)堆啟堆階段源量程和中間量程通道的量程銜接問題。例如，如果補(bǔ)償電壓設(shè)置過大，對于反應(yīng)堆啟堆時γ強(qiáng)度的大大下降，中間量程容易產(chǎn)生過補(bǔ)償，可能在中間量程P6 信號還未產(chǎn)生時就已經(jīng)觸發(fā)了源量程高中子注量率停堆。

一般中間量程補(bǔ)償電壓設(shè)置原理如下：首次啟堆時參考廠家給出建議值，在首次停堆時進(jìn)行γ 補(bǔ)償試驗(yàn)，取輸出電流在n1.00E ～11A 時負(fù)壓值，n 取值1 ～2。采取這種設(shè)置是基于稍微偏欠補(bǔ)償角度考慮的，從而不會影響下次反應(yīng)堆的正常啟動，但在下一次停堆解列過程中，源量程通道的投入必定會滯后。原因在于隨著反應(yīng)堆的功率運(yùn)行，γ 強(qiáng)度會在一個運(yùn)行循環(huán)即停堆解列過程中達(dá)到最大值；另一個原因是隨著探測器使用時間加長，γ 補(bǔ)償室的補(bǔ)償能力存在慢慢弱化，這一說法可以從已運(yùn)行核電站中間量程補(bǔ)償電壓設(shè)置的緩緩增大的現(xiàn)象得到印證。以下給出兩種解決方案：

第一種解決方案，考慮到反應(yīng)堆功率運(yùn)行后再停堆降功率至熱停堆狀態(tài)時的堆內(nèi)γ 強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反應(yīng)堆啟堆時，針對啟堆和停堆的不同需求，設(shè)置兩個不同的中間量程補(bǔ)償電壓值。在反應(yīng)堆啟堆期間，γ 強(qiáng)度遠(yuǎn)低于停堆期間時，補(bǔ)償電壓設(shè)置成稍微欠補(bǔ)償；在反應(yīng)堆升功率直至產(chǎn)生源量程通道閉鎖信號后再稍微調(diào)高補(bǔ)償電壓值，具體的增加值可以根據(jù)中間量程探測器的補(bǔ)償曲線和實(shí)際需要的補(bǔ)償電流值大小來調(diào)整。一般的檢修周期會在1 個月左右或者更長，這個方法針對正常的大修周期使用有很好的效果。

第二種解決方案，針對現(xiàn)有核電站運(yùn)行限制，增加一個中間量程探測器補(bǔ)償試驗(yàn)窗口。即在反應(yīng)堆達(dá)到熱停堆狀態(tài)后兩小時，如果反應(yīng)堆功率還未降到P6 定值以下，增加1 個中間量程探測器補(bǔ)償試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出合適的補(bǔ)償電壓值并進(jìn)行設(shè)置后，反應(yīng)堆功率降至P6 定值以下后源量程通道自動投入。兩小時是基于已運(yùn)行核電站提供的數(shù)據(jù)給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，同類核電站運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在補(bǔ)償電壓值設(shè)置合適的情況下，兩小時內(nèi)源量程通道會自動投入。

6 結(jié)束語

本文基于核儀表系統(tǒng)3 種量程通道運(yùn)行聯(lián)鎖原理和中間量程γ 補(bǔ)償電離室的工作原理，針對引起核電廠反應(yīng)堆停堆過程中源量程通道自動投入時間過長問題的原因進(jìn)行了具體分析。經(jīng)過對方家山核電1 號機(jī)組反應(yīng)堆多次啟堆和停堆過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合同類核電站狀況進(jìn)行評估，給出了兩種方案以解決源量程通道自動投入滯后的問題。兩種解決方案需要試驗(yàn)人員有一定的核儀表系統(tǒng)運(yùn)行工作經(jīng)驗(yàn)和能力，方案實(shí)施不涉及對核電廠已有系統(tǒng)設(shè)備的硬件修改，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的改動最小化，實(shí)施后可為后續(xù)使用相同設(shè)備的多個核電機(jī)組提供了重要的經(jīng)驗(yàn)反饋和參考。