舒 毅 ，湯仲鳴 ，胡鑄萱

(1.國(guó)家核電技術(shù)公司，北京 100029；2.國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241)

0 引言

非能動(dòng)大型先進(jìn)壓水堆(China advanced passive pressurized water reactor，CAP) 系列核電站堆內(nèi)外核測(cè)系統(tǒng)包括堆外核測(cè)系統(tǒng)和堆芯儀表系統(tǒng)兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與以往國(guó)內(nèi)其他核電站設(shè)計(jì)均有所不同。堆外核測(cè)系統(tǒng)為安全級(jí)儀控系統(tǒng)，用于反應(yīng)堆停堆保護(hù)，其中中間量程通道使用裂變電離室，確保反應(yīng)堆在事故工況下也能夠?qū)崿F(xiàn)中子注量率監(jiān)測(cè)。堆芯儀表系統(tǒng)為非安全級(jí)儀控系統(tǒng)，使用自給能探測(cè)器，從反應(yīng)堆堆芯頂部插入堆芯活性區(qū)進(jìn)行中子注量率測(cè)量。

基于CAP系列核電站堆內(nèi)外核測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)方法和設(shè)計(jì)理念存在較大的不同。本文通過(guò)分析比對(duì)兩者的特點(diǎn)和差異可知，CAP系列核電站堆內(nèi)外核測(cè)系統(tǒng)相較國(guó)內(nèi)以往的設(shè)計(jì)作了多項(xiàng)技術(shù)革新。堆芯自給能探測(cè)器和中間量程裂變室的應(yīng)用，將成為堆內(nèi)外核測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)功能

1.1 堆外核測(cè)系統(tǒng)功能

第三代CAP系列核電堆外核測(cè)系統(tǒng)是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供執(zhí)行相關(guān)保護(hù)功能所需的反應(yīng)堆功率水平和分布信號(hào)，并提供反應(yīng)堆事故后監(jiān)測(cè)功能。

堆外核測(cè)系統(tǒng)包含3個(gè)量程(源量程、中間量程和功率量程)中子探測(cè)器。在反應(yīng)堆壓力容器和一次屏蔽防護(hù)層之間沿反應(yīng)堆周向的4個(gè)徑向位置，布置了12個(gè)中子探測(cè)器。3個(gè)量程探測(cè)器的測(cè)量范圍相互重疊，可實(shí)現(xiàn)從完全停堆狀態(tài)到滿功率狀態(tài)的反應(yīng)堆中子注量率監(jiān)測(cè)，并具有200%超功率的監(jiān)測(cè)能力[1-2]。

1.2 堆芯儀表系統(tǒng)功能

堆芯儀表系統(tǒng)主要具有以下3大功能。

①為堆芯運(yùn)行和分析系統(tǒng)提供自給能中子探測(cè)器信號(hào)，用于在線監(jiān)測(cè)堆芯三維功率場(chǎng)分布，優(yōu)化堆芯性能。

②為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供熱電偶信號(hào)，用于事故后堆芯出口冷卻溫度監(jiān)測(cè)。

③探測(cè)器組件需維持一回路壓力邊界完整性。

2 系統(tǒng)組成

堆外核測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 堆外核測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

堆外核測(cè)系統(tǒng)由4個(gè)相同且獨(dú)立的設(shè)備通道組成，每個(gè)通道分別與保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(protection and safety monitoring system,PMS)的A、B、C、D 4個(gè)序列中的一個(gè)相連，執(zhí)行源量程(source range，SR)、中間量程(intermediate range，IR)、功率量程(power range，PR)的信號(hào)處理，以確保對(duì)從停堆工況到滿功率運(yùn)行堆芯泄漏中子注量率測(cè)量的全覆蓋。每個(gè)量程的核測(cè)系統(tǒng)包含相應(yīng)量程的探測(cè)器、傳輸電纜以及信號(hào)處理系統(tǒng)等，3個(gè)量程之間互相重疊，以確保連續(xù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率范圍約為10-9%～200%額定熱功率(rated thermal power,RTP)，為反應(yīng)堆提供連續(xù)、可靠的啟動(dòng)和超功率保護(hù)[3-4]。

2.1 源量程測(cè)量通道

采用BF3或涂硼正比計(jì)數(shù)管探測(cè)器，量程覆蓋6個(gè)量級(jí)，監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率范圍約為(10-9%～10-3%)RTP。探測(cè)器輸出與中子注量率成比例的計(jì)數(shù)率信號(hào)，通過(guò)前置放大器進(jìn)行初級(jí)放大后傳送給核測(cè)儀表信號(hào)處理機(jī)柜，為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供反應(yīng)堆啟動(dòng)保護(hù)的堆功率輸入信號(hào)和指示信號(hào)。

2.2 中間量程測(cè)量通道

采用裂變室探測(cè)器，量程覆蓋8個(gè)量級(jí)，監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率范圍約為(10-6%～200%)RTP。探測(cè)器輸出與中子注量率成比例的計(jì)數(shù)率或電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大器處理后傳送給核測(cè)儀表信號(hào)處理機(jī)柜，為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供反應(yīng)堆啟動(dòng)和超功率保護(hù)輸入信號(hào)、反應(yīng)堆功率指示和事故后監(jiān)測(cè)信號(hào)。

2.3 功率量程測(cè)量通道

采用非補(bǔ)償電離室探測(cè)器，量程覆蓋2個(gè)量級(jí)，監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率范圍約為(1%～160%)RTP。探測(cè)器輸出與中子注量率成比例的電流信號(hào)。該信號(hào)直接傳送給核測(cè)儀表信號(hào)處理機(jī)柜，為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供反應(yīng)堆超功率保護(hù)輸入信號(hào)和反應(yīng)堆功率指示信號(hào)[5-6]。

堆芯儀表系統(tǒng)包含48個(gè)堆芯儀表套管組件和相應(yīng)的礦物絕緣信號(hào)電纜以及2個(gè)配置完全相同的信號(hào)處理機(jī)柜。每個(gè)堆芯儀表套管組件內(nèi)裝有7個(gè)釩自給能中子探測(cè)器和1個(gè)接地的K型鎧裝堆芯出口熱電偶。其中：1個(gè)最長(zhǎng)的自給能探測(cè)器的靈敏區(qū)對(duì)應(yīng)整個(gè)反應(yīng)堆活性區(qū)高度，其余6個(gè)自給能探測(cè)器的長(zhǎng)度依次等差遞減。堆芯儀表套管組件通過(guò)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋插入到堆芯活性區(qū)，置于燃料組件內(nèi)。

堆芯儀表系統(tǒng)使用礦物絕緣電纜傳送儀表套管組件熱電偶和自給能探測(cè)器信號(hào)，發(fā)送熱電偶信號(hào)給反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和多樣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，自給能探測(cè)器信號(hào)傳送給堆芯信號(hào)處理機(jī)柜。為保證發(fā)生單一部件故障時(shí)不會(huì)導(dǎo)致超過(guò)50%的自給能探測(cè)輸出信號(hào)失效，堆芯儀表系統(tǒng)的336 個(gè)自給能探測(cè)器輸出信號(hào)被平均分為獨(dú)立的2組，分別送到各自信號(hào)處理機(jī)柜。每個(gè)機(jī)柜處理168個(gè)自給能探測(cè)器信號(hào)。48個(gè)堆芯出口熱電偶信號(hào)中：4個(gè)信號(hào)發(fā)送到安全殼外的多樣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)柜，44個(gè)信號(hào)發(fā)送到安全殼外的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜。

2.4 堆芯儀表套管組件

堆芯儀表系統(tǒng)中的48個(gè)堆芯儀表套管組件(in-core instrument thimble assembly，IITA)在堆芯內(nèi)呈徑向分布，每個(gè)IITA內(nèi)包含7個(gè)自給能探測(cè)器(self powered detector，SPD)和1個(gè)堆芯出口熱電偶(core exit thermocouple，CET)。SPD在IITA套管內(nèi)呈軸向分布，用于測(cè)量堆內(nèi)各區(qū)域的中子注量率，CET位于燃料組件上方，用于測(cè)量堆芯出口冷卻劑溫度[7]。

堆芯儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 堆芯儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.5 礦物質(zhì)絕緣電纜

礦物質(zhì)絕緣(mineral insulation，MI)電纜連接至IITA電氣接插件，將IITA輸出的SPD信號(hào)和CET信號(hào)進(jìn)行分離，SPD信號(hào)傳輸?shù)蕉研拘盘?hào)處理機(jī)柜，CET信號(hào)通過(guò)安全殼貫穿件傳輸?shù)綒ね獾姆磻?yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和多樣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。MI電纜結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MI電纜結(jié)構(gòu)圖

2.6 信號(hào)處理機(jī)柜

信號(hào)處理機(jī)柜位于安全殼內(nèi)，2個(gè)冗余信號(hào)處理機(jī)柜接收分離后的2組SPD信號(hào)(每組7×24個(gè)SPD輸出)。信號(hào)處理機(jī)柜將自給能中子探測(cè)器的弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)光纖發(fā)送到安全殼外的堆芯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器。

堆芯儀表系統(tǒng)信號(hào)處理機(jī)柜由3個(gè)信號(hào)處理機(jī)箱、媒介轉(zhuǎn)換裝置和AC/DC轉(zhuǎn)換電源等構(gòu)成，每個(gè)信號(hào)處理機(jī)箱包括2塊數(shù)據(jù)鏈路卡和8塊放大器卡。

2.6.1 放大器卡的主要功能

用于將釩自給能探測(cè)器輸出的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后利用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)微處理器處理后，通過(guò)基于Modbus協(xié)議的RS-422總線將其傳送給數(shù)據(jù)鏈路卡。

2.6.2 數(shù)據(jù)鏈路卡的主要功能

通過(guò)基于Modbus協(xié)議的RS-422總線收集放大器卡轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理后傳送給媒介轉(zhuǎn)換模塊，媒介轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為光纖信號(hào)，傳送給機(jī)柜外的應(yīng)用服務(wù)器。主機(jī)箱中的數(shù)據(jù)鏈路卡定義為主數(shù)據(jù)鏈路卡，從機(jī)箱中的數(shù)據(jù)鏈路卡定義為從數(shù)據(jù)鏈路卡。主數(shù)據(jù)鏈路卡采集兩個(gè)從數(shù)據(jù)鏈路卡的數(shù)據(jù)。所有卡件的地址識(shí)別采用物理地址。各種卡件將根據(jù)插在機(jī)箱中的位置來(lái)識(shí)別物理地址，并以此作為通信地址。所有數(shù)據(jù)鏈路卡和放大器卡之間可以互換位置，無(wú)需對(duì)其硬件或固件進(jìn)行修改或配置。機(jī)柜與數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)器之間通信采用Ethernet Modbus TCP/IP 協(xié)議。

3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

堆外核測(cè)儀表4個(gè)通道(從探測(cè)器到核測(cè)儀表信號(hào)處理機(jī)柜)應(yīng)滿足電氣隔離和實(shí)體隔離的要求，且性能和功能應(yīng)完全相同。源量程、中間量程和功率量程信號(hào)處理組件之間的量程應(yīng)重疊，輸出的模擬和數(shù)字信號(hào)應(yīng)適合PMS數(shù)據(jù)采集和信息處理設(shè)備的接口和處理要求。此外，中間量程通道(從探測(cè)器到核測(cè)儀表信號(hào)處理機(jī)柜)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和事故后至少4個(gè)月能提供事故監(jiān)測(cè)功能[8]。

堆內(nèi)儀表套管組件安全分級(jí)為SC-2、抗震I類，礦物質(zhì)絕緣電纜安全分級(jí)為1E、抗震I類，堆芯信號(hào)處理機(jī)柜安全分級(jí)為N1E、抗震II類。堆芯儀表系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 堆內(nèi)儀表系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)

4 關(guān)鍵設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)分析

4.1 堆外核測(cè)系統(tǒng)事故后監(jiān)測(cè)能力

相較以往二代和二代加核電站通常使用的補(bǔ)償電離室探測(cè)器，CAP系列堆外核測(cè)系統(tǒng)的最大技術(shù)特點(diǎn)為中間量程探測(cè)器采用裂變電離室。由于裂變電離室工作時(shí)反應(yīng)能量大，相較補(bǔ)償電離室具有更強(qiáng)的抗γ射線干擾能力，能夠在強(qiáng)γ場(chǎng)下測(cè)量低中子注量率，因此具備更寬泛的量程，更加適用于反應(yīng)堆事故后的監(jiān)測(cè)。

美國(guó)三哩島事故后，升版后的RG1.97-2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)事故后監(jiān)測(cè)提出了更嚴(yán)格的要求，以確保在事故工況下仍能真實(shí)反映反應(yīng)堆的中子注量率水平。傳統(tǒng)的補(bǔ)償電離室技術(shù)采用γ信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，以消除γ信號(hào)產(chǎn)生的影響。但是在某些特殊情況下(例如設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后)，當(dāng)中子注量率相對(duì)較低而γ劑量率相對(duì)較高，補(bǔ)償電離室在事故后的開(kāi)始階段甚至有可能在幾天內(nèi)都無(wú)法如實(shí)反映中子注量率，無(wú)法完全滿足RG1.97-2006標(biāo)準(zhǔn)要求。CAP系列堆外核測(cè)系統(tǒng)采用坎貝爾技術(shù)的寬量程裂變室探測(cè)器，在γ劑量率高于1×106R/h的情況下，仍可探測(cè)到反應(yīng)堆的中子注量率水平，從而有效解決了事故工況下特別是事故發(fā)生初期的反應(yīng)堆中子注量率水平的監(jiān)測(cè)難題[9]。

4.2 實(shí)時(shí)三維堆芯功率分布

目前，國(guó)內(nèi)除田灣核電站外的其他商用核電站均采用離線式的方法進(jìn)行反應(yīng)堆堆芯功率分布測(cè)量，即從反應(yīng)堆堆腔底部插入微型裂變室，來(lái)定期校準(zhǔn)堆芯內(nèi)部的功率分布狀態(tài)。這樣就必須在反應(yīng)堆底部開(kāi)孔，增加壓力容器泄漏的可能性，也不利于人員輻照劑量和人工成本的控制。

CAP系列核電站堆芯儀表系統(tǒng)使用自給能探測(cè)器，從反應(yīng)堆壓力容器頂部將探測(cè)器直接插入堆芯活性區(qū)域，實(shí)現(xiàn)堆芯中子注量率的在線測(cè)量，并實(shí)時(shí)生成反應(yīng)堆三維功率分布圖。CAP系列核電站堆芯儀表系統(tǒng)的技術(shù)方案滿足輕水反應(yīng)堆用戶要求文件，避免壓力容器底部開(kāi)孔及泄漏的可能性。自給能探測(cè)器不需要外部供電，具有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、使用價(jià)值高等特點(diǎn)，滿足進(jìn)行在線式監(jiān)測(cè)堆內(nèi)中子注量率的要求。

5 國(guó)產(chǎn)化研究重點(diǎn)

5.1 弱信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸

堆內(nèi)外核測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的均為微弱的中子信號(hào)，弱信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸是保證核測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。核測(cè)設(shè)備需采取良好屏蔽措施以增強(qiáng)抗外接干擾的效果，同時(shí)在電路上增加濾波電路，以提高探測(cè)器、電纜和信號(hào)處理系統(tǒng)之間的匹配性。

5.2 用于事故后監(jiān)測(cè)的裂變室探測(cè)器

相較于二代和二代加核電站，CAP系列核電站堆外核測(cè)系統(tǒng)采用事故后γ甄別能力更強(qiáng)的裂變室作為中間量程通道探測(cè)器，以保證事故工況下對(duì)反應(yīng)堆中子注量率進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。由于核探測(cè)技術(shù)專業(yè)性強(qiáng)，我國(guó)在大型商用反應(yīng)堆裂變電離室探測(cè)器技術(shù)起步晚、經(jīng)驗(yàn)少，裂變室探測(cè)器的材料選擇、鍍鈾工藝和試驗(yàn)驗(yàn)證方法等均需要重點(diǎn)研究和攻關(guān)。

5.3 自給能探測(cè)器拉制工藝研究

自給能探測(cè)器為堆芯中子探測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備。探測(cè)器材料選擇、拉制和旋鍛工藝為自給能探測(cè)器的核心技術(shù)，需通過(guò)大量樣件的試制、工藝摸索和堆上試驗(yàn)的驗(yàn)證，全面掌握自給能探測(cè)器的加工制造工藝，定位關(guān)鍵檢驗(yàn)要求和檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，保證自給能探測(cè)器產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。

5.4 CAP系列核電站設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故鑒定要求

CAP系列核電站設(shè)計(jì)為第三代非能動(dòng)壓水堆核電站，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的環(huán)境要求較以往二代加核電站和目前的華龍一號(hào)核電站都更為嚴(yán)苛。堆外核測(cè)系統(tǒng)中間量程通道涉及事故后浸沒(méi)4個(gè)月，堆芯儀表系統(tǒng)的核級(jí)熱電偶涉及事故監(jiān)測(cè)1年，且有嚴(yán)重事故可用性要求。以上設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故要求和嚴(yán)重事故要求，對(duì)堆內(nèi)外核測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的性能和可靠性方面都提出了更高的要求，大大增加了產(chǎn)品研發(fā)的難度，提高了技術(shù)準(zhǔn)入門(mén)檻。[9]

6 結(jié)束語(yǔ)

CAP系列第三代核電站堆內(nèi)外核測(cè)系統(tǒng)相較以往二代和二代加核電站的核測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)作了較大的升級(jí)和優(yōu)化，提升了核電站事故后監(jiān)測(cè)能力和堆芯功率分布監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。

在堆內(nèi)外核測(cè)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化研制的過(guò)程中，遵循相關(guān)設(shè)計(jì)理念和規(guī)范，解決了研制過(guò)程中遇到的技術(shù)難題，設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)滿足第三代核電需求。該研制成果將在CAP1400示范工程項(xiàng)目中得以應(yīng)用。