核電廠J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警分析

房毅凌，張荊荊

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 浙江分公司，浙江 嘉興 315000）

LOCA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（LSS）主要用于監(jiān)視反應(yīng)堆的運(yùn)行狀態(tài)，通過專用物理計(jì)算模型模擬計(jì)算堆內(nèi)的中子通量分布，重構(gòu)反應(yīng)堆堆芯的功率分布，并提供實(shí)時(shí)的堆芯運(yùn)行狀態(tài)圖形[1]，與系統(tǒng)設(shè)定的安全限值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，提供報(bào)警信號(hào)，確保反應(yīng)堆在功率分布安全限值內(nèi)運(yùn)行，防止失水事故時(shí)導(dǎo)致堆芯熔化的嚴(yán)重事故發(fā)生[2]。

某核電廠機(jī)組頻繁出現(xiàn)J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警，本文著重分析如何運(yùn)用RIC堆芯測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備獲取堆芯數(shù)據(jù)，測(cè)量真實(shí)J段象限傾斜情況并提出新的象限傾斜監(jiān)測(cè)方法。

1 LOCA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警介紹

LOCA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)通過DCS系統(tǒng)接收來自核儀表系統(tǒng)（RPN）4個(gè)象限的功率量程探測(cè)器6節(jié)電離室電流信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為每節(jié)電離室的節(jié)功率，然后計(jì)算每節(jié)象限功率傾斜比，并與其象限節(jié)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(biāo)，則發(fā)出“J段象限超標(biāo)”報(bào)警。

J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警后果為機(jī)組象限功率傾斜比存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，操縱員需手動(dòng)計(jì)算堆芯上、下部功率傾斜比，判斷是否超出《核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》的限值。

2 J段象限傾斜超標(biāo)分析

2.1 運(yùn)用RIC堆芯測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備測(cè)量真實(shí)J段象限傾斜值

該核電廠機(jī)組反應(yīng)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(gè)指套管通道。RIC堆芯測(cè)量系統(tǒng)共有5個(gè)可移動(dòng)式的中子通量探測(cè)器，將其分批次插入50個(gè)指套管通道，直抵對(duì)應(yīng)的50根燃料組件內(nèi)部，由于這50個(gè)通道在堆芯內(nèi)均勻分布，可精確測(cè)量堆芯內(nèi)部中子通量數(shù)據(jù)。

測(cè)量過程如下：

1）首先，將核功率穩(wěn)定，確認(rèn)反應(yīng)堆在預(yù)定的功率水平穩(wěn)定運(yùn)行，氙毒分布基本穩(wěn)定，穩(wěn)壓器內(nèi)的硼濃度與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的硼濃度之差在±20ppm以內(nèi)，建立核物理試驗(yàn)條件。

2）RIC工程師進(jìn)行堆芯中子通量測(cè)量，使用堆芯測(cè)量系統(tǒng)控制柜控制驅(qū)動(dòng)單元、選擇器和電動(dòng)閥，將5個(gè)堆芯中子通量探測(cè)器同時(shí)插入位于燃料棒區(qū)域的5個(gè)指套管通道中，同時(shí)生成5條實(shí)時(shí)注量率曲線。如此操作10次，共測(cè)試50根燃料對(duì)應(yīng)的50個(gè)通道。

3）使用CEDRIC軟件讀出并解碼堆芯中子注量率數(shù)據(jù)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供校準(zhǔn)參數(shù)。

6）堆芯核物理工程師依據(jù)功率分布試驗(yàn)結(jié)果，重新計(jì)算最新的磁盤參數(shù)，修改磁盤參數(shù)，計(jì)算參數(shù)初始化。

最終，得出J段象限傾斜真實(shí)值為0.4%，未達(dá)到J段象限傾斜超標(biāo)限值2%，LOCA系統(tǒng)J段象限傾斜超標(biāo)為誤報(bào)警。與此同時(shí)，操縱員手動(dòng)計(jì)算堆芯上、下部功率傾斜比，計(jì)算結(jié)果顯示機(jī)組象限功率傾斜比小于1.02，未超標(biāo)。

2.2 J段象限傾斜超標(biāo)誤報(bào)原因分析

2.2.1 報(bào)警產(chǎn)生機(jī)理

J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警公式：

參變量E(j)(Dpazj limits)，當(dāng)Dpazj＞E(j)時(shí)的可調(diào)參數(shù)產(chǎn)生報(bào)警。

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

當(dāng)其中一段電離室的電流出現(xiàn)漂移，會(huì)產(chǎn)生J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警，整個(gè)通道便不再產(chǎn)生軸向分布信號(hào)。

2.2.2 功率量程探測(cè)器布置的局限性

由于空間限制，核反應(yīng)堆壓力容器外共有10個(gè)儀表井，其中2個(gè)留作備用。源量程探測(cè)器占用2個(gè)井，中間量程探測(cè)器占用2個(gè)儀表井，僅余4個(gè)儀表井可放置功率量程探測(cè)器。因此，4個(gè)象限僅放置一個(gè)功率量程探測(cè)器如圖1所示。

由圖1可知：每個(gè)功率量程探測(cè)器3個(gè)敏感段位于堆芯上部，3個(gè)敏感段位于堆芯下部。因此，中子由堆內(nèi)經(jīng)慢化、擴(kuò)散等過程到達(dá)堆外探測(cè)器時(shí)，其軸向分布很難與堆內(nèi)完全一致。此外，探測(cè)器本身靈敏度的高散值以及中子探測(cè)物質(zhì)的燃耗均加大了堆外探測(cè)器的誤差。

3 J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警改進(jìn)方法

3.1 改進(jìn)J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警算法

針對(duì)J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警無法始終保持準(zhǔn)確反映核反應(yīng)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(gè)功率量程探測(cè)器因誤差過大，產(chǎn)生節(jié)電流數(shù)據(jù)漂移對(duì)堆芯參數(shù)的干擾，更準(zhǔn)確反映象限功率傾斜比狀況。

上部象限功率傾斜比（QPTR）的計(jì)算公式如下：

下部象限功率傾斜比（QPTR）的計(jì)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(duì)應(yīng)電流水平，并依此設(shè)置“象限功率傾斜比超標(biāo)”報(bào)警信號(hào)，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(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警的第一時(shí)間，省去操縱員手動(dòng)計(jì)算堆芯上、下部功率傾斜比的寶貴時(shí)間，更快地采取有效措施，使堆芯軸向功率偏差恢復(fù)到許可的狀態(tài)。

3.2 改進(jìn)RIC堆芯測(cè)量系統(tǒng)

3.2.1 當(dāng)前中子通量探測(cè)器的測(cè)量原理及缺陷

當(dāng)前的堆芯測(cè)量系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的中子通量探測(cè)器，其工作原理及缺陷如下：中子通量探測(cè)器由微型裂變室與導(dǎo)電及驅(qū)動(dòng)兩用的同軸電纜組成，探測(cè)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(nèi)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(cè)量過程中，熱中子射入到微型裂變室靈敏體內(nèi)，打在涂有二氧化鈾的電極上，使核發(fā)生裂變。裂變產(chǎn)生的重的帶正電的裂變碎片使氬氣電離，產(chǎn)生電子—正離子對(duì)。電子和正離子在外加電磁場(chǎng)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(jīng)負(fù)載電阻，負(fù)載電阻由數(shù)只不同阻值的電阻串、并而成。用分壓法和分流法取出信號(hào)，進(jìn)行放大再輸往計(jì)算機(jī)收集。缺點(diǎn)是微型裂變室壽命較短，日常需要存儲(chǔ)在鉛屏蔽盒內(nèi)，無法像RPN核儀表系統(tǒng)的功率量程探測(cè)器那樣長期置于核反應(yīng)堆壓力容器附近，為LOCA系統(tǒng)提供在線數(shù)據(jù)。因此，需要采用新工藝方法制成中子通量探測(cè)器徹底解決該問題。

3.2.2 自給能中子探測(cè)器介紹

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

傳統(tǒng)的中子通量探測(cè)器需要一系列的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，才能移動(dòng)至工作位置，如：控制柜、驅(qū)動(dòng)單元、路選擇器、組選擇器和電動(dòng)閥等，而自給能中子探測(cè)器長期插在堆芯內(nèi)部工作，不需要移動(dòng)。

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

自給能中子探測(cè)器不需要承擔(dān)保護(hù)功能，不需要冗余設(shè)計(jì)，在事故工況下也不承擔(dān)測(cè)量功能，故沒有取代核儀表系統(tǒng)探測(cè)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(shí)，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。

3.2.3 LOCA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)

傳統(tǒng)的LOCA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能，除了提供J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警，還執(zhí)行以下功能：

1）繪制功率偏差與相對(duì)功率關(guān)系圖（梯形圖），對(duì)堆芯狀況做出評(píng)價(jià)。

2）提供參數(shù)并顯示。

3）當(dāng)軸向功率偏差超過定值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信息并送往反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的C21信號(hào)。

采用自給能中子探測(cè)器后，也可以實(shí)現(xiàn)這些LOCA監(jiān)測(cè)功能，方法如下：

a）當(dāng)軸向功率偏差DDPax超過預(yù)定的整定值S2且平均熱功率（Pth(avg)）≥10%時(shí)，觸發(fā)DDPax超差報(bào)警。

b）根據(jù)反應(yīng)堆物理特性和反應(yīng)堆功率運(yùn)行模式下的運(yùn)行技術(shù)規(guī)范，確定運(yùn)行區(qū)域邊界[3]，兩個(gè)及以上測(cè)量通道的軸向功率偏差Dpax信號(hào)超過左運(yùn)行極限且（Pth(avg)）≥LV1或者兩個(gè)及以上測(cè)量通道的軸向功率偏差Dpax信號(hào)超過右運(yùn)行極限且（Pth(avg)）≥15%FP產(chǎn)生超出梯形圖預(yù)警信號(hào)。

c）兩個(gè)及以上測(cè)量通道的軸向功率偏差Dpax信號(hào)超過左運(yùn)行極限且（Pth(avg)）≥LV1或者兩個(gè)及以上測(cè)量通道的軸向功率偏差Dpax信號(hào)超過右運(yùn)行極限且（Pth(avg)）≥50%FP產(chǎn)生C21信號(hào)。

自給能中子探測(cè)器產(chǎn)生的電流信號(hào)結(jié)合其他工況信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)采集和處理，還可實(shí)現(xiàn)全堆芯三維功率分布實(shí)時(shí)顯示，LPD和DNBR精細(xì)計(jì)算、計(jì)算運(yùn)行圖、報(bào)警和用于核儀表功率量程的校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算。

LPD精細(xì)計(jì)算主要功能為：將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為測(cè)點(diǎn)燃料組件功率，然后通過拓展計(jì)算得出全堆芯功率分布，再通過精細(xì)功率重構(gòu)獲得堆芯精細(xì)功率分布。為了方便反應(yīng)堆操縱員提供監(jiān)測(cè)依據(jù)， LPD也可以實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算。DNBR采用LPD精細(xì)計(jì)算提供的堆芯三維功率分布，結(jié)合硼濃度及棒位信息進(jìn)行堆芯冷卻劑通道的熱工水力計(jì)算和全堆芯的DNBR計(jì)算。而傳統(tǒng)的中子通量測(cè)量，仍需人工每隔30天手動(dòng)測(cè)量并計(jì)算堆芯三維功率分布，LOCA系統(tǒng)的磁盤參數(shù)也需要定期手動(dòng)導(dǎo)入并修改才能生效，運(yùn)行效率較低。

4 結(jié)束語

LOCA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為RPN核儀表系統(tǒng)的子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)精度受限于RPN功率量程探測(cè)器?；诜磻?yīng)堆的空間限制，功率量程探測(cè)器無法完全理想放置，系統(tǒng)誤差無法消除。當(dāng)前的堆芯測(cè)量系統(tǒng)中子通量探測(cè)器雖然精度極高，但壽命較短，無法在線長期投用。運(yùn)用自給能中子探測(cè)器技術(shù)，提升堆芯測(cè)量系統(tǒng)中子通量探測(cè)器性能，使其能連續(xù)持久運(yùn)行，實(shí)時(shí)運(yùn)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(cè)器系統(tǒng)誤差較大的障礙。同時(shí)，創(chuàng)新算法，減輕漂移數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)算結(jié)果的影響，使核反應(yīng)堆運(yùn)行更能滿足《核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》要求，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。