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(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610041）

0 引言

2019 年4 月15 日8 時(shí)45 左右，方家山核電1 號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆處于熱停堆平臺(tái)，核儀表系統(tǒng)（RPN）中間量程通道所測(cè)電流隨中子注量率水平下降而逐漸減小。一小時(shí)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(hào)隨后消失，源量程通道投入，此時(shí)源量程通道計(jì)數(shù)率為800CPS。

圖1 核儀表系統(tǒng)通道測(cè)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(guò)程中，從進(jìn)入熱停堆狀態(tài)到P6 信號(hào)消失直至源量程通道投入，共用時(shí)10 小時(shí)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(shí)間相比，延長(zhǎng)了5 小時(shí)，且沒(méi)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(hào)測(cè)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(guò)對(duì)不同階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，最終通過(guò)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(guò)程中更好地銜接，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1 核儀表系統(tǒng)測(cè)量通道簡(jiǎn)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(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)從低功率水平到高功率水平對(duì)反應(yīng)堆的連續(xù)保護(hù)和控制，RPN 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了源量程、中間量程、功率量程3 種量程相互覆蓋的測(cè)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(cè)量范圍至少有兩個(gè)數(shù)量級(jí)的重疊，方家山核電機(jī)組RPN 系統(tǒng)3 種量程通道測(cè)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(guò)程中（堆芯γ 相對(duì)較?。诙研狙b料后，源量程通道開(kāi)始有計(jì)數(shù)，此時(shí)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(cè)量值此時(shí)忽略不計(jì)；當(dāng)反應(yīng)堆功率水平慢慢提升，源量程通道計(jì)數(shù)率在1000CPS 左右時(shí)，中間量程通道電流進(jìn)入量程下限，此時(shí)功率量程仍忽略不計(jì)測(cè)量值；當(dāng)中間量程電流增大到P6信號(hào)出現(xiàn)（此時(shí)中間量程通道電流約為1E ～10A，不同核電站和功率循環(huán)會(huì)有差異），允許操縱員手動(dòng)閉鎖源量程通道緊急停堆功能，并切斷源量程探測(cè)器高壓供電，此時(shí)功率量程通道測(cè)量值仍忽略不計(jì)；當(dāng)中間量程通道電流慢慢增長(zhǎng)到約1E ～5A 時(shí)，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(hào)出現(xiàn)，允許操縱員手動(dòng)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(dòng)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(guò)程中（堆芯γ 相對(duì)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(hào)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(dòng)恢復(fù)，允許手動(dòng)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(hào)消失，源量程探測(cè)器高壓供電自動(dòng)恢復(fù)，源量程通道緊急停堆功能自動(dòng)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(cè)器工作于中間功率水平且堆芯γ 輻射相對(duì)較高的環(huán)境下，所以中間量程探測(cè)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(duì)的電極表面涂覆有硼膜，中子室對(duì)慢中子及γ 輻射均靈敏，在中子和γ 射線的輻射場(chǎng)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(duì)的電極表面沒(méi)有涂覆硼膜，僅對(duì)γ 輻射靈敏，在n 和γ 射線的輻射場(chǎng)中僅形成γ 電流Iγ2。

這樣，流過(guò)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(guò)設(shè)置合適的γ 補(bǔ)償電壓，使探測(cè)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(lái)衡量，即γ 補(bǔ)償后的輸出電流與非補(bǔ)償時(shí)的全收集電流之比值的百分比數(shù)。對(duì)電離室本身而言，補(bǔ)償度的設(shè)計(jì)值一般都能達(dá)到|1%|。

通常，γ 補(bǔ)償電離室設(shè)計(jì)成過(guò)補(bǔ)償，即在正、負(fù)高壓絕對(duì)值相同時(shí)，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(guò)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(shí)的負(fù)高壓值，且最佳補(bǔ)償時(shí)的負(fù)高壓的絕對(duì)值要低于正高壓值。

4 源量程投入滯后問(wèn)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(dòng)投入，前提是反應(yīng)堆功率下降至P10 定值以下，當(dāng)然此時(shí)需要對(duì)反應(yīng)堆工況做出判斷，防止堆芯功率過(guò)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(huì)損壞源量程探測(cè)器；一種是自動(dòng)投入，在反應(yīng)堆功率下降至P6 定值以下時(shí)，源量程通道自動(dòng)投入使用。目前在運(yùn)行壓水堆核電站暫未出現(xiàn)過(guò)源量程通道手動(dòng)投入滯后的問(wèn)題反饋。

基于此，針對(duì)此次停堆過(guò)程中源量程通道自動(dòng)投入時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)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(dòng)投入與P6 信號(hào)定值直接相關(guān)，P6 信號(hào)由中間量程通道產(chǎn)生，其定值通常設(shè)計(jì)為1.00E-05%FP（對(duì)應(yīng)的中間量程電流值約為1.00E-10A 量級(jí)，功率水平信號(hào)由電流值乘以相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算得到）或直接以電流值1.00E-10A 作為定值，P6 信號(hào)產(chǎn)生時(shí)反應(yīng)堆功率水平很低。

此次停堆過(guò)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(wèn)題，考慮是中間量程探測(cè)器實(shí)際輸出電流偏高，導(dǎo)致中間量程測(cè)得的功率降低至P6 定值以下所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

4.2 根本原因分析

1）中間量程探測(cè)器輸出影響分析

在低功率階段，中間量程探測(cè)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(shí)中間量程探測(cè)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(shí)，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(cè)器輸出電流中所占比重會(huì)大于中子電流，此時(shí)需要對(duì)γ 進(jìn)行補(bǔ)償，使探測(cè)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(duì)P6 信號(hào)定值的設(shè)計(jì)分兩種情況進(jìn)行分析：

◆ P6 信號(hào)定值設(shè)計(jì)為功率值（1.00E-05%FP）時(shí)：功率值通過(guò)中間量程電流乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算得到，轉(zhuǎn)換系數(shù)設(shè)置是否合理會(huì)直接影響源量程通道投入的時(shí)間。如果轉(zhuǎn)換系數(shù)偏大，P6 信號(hào)定值對(duì)應(yīng)的電流值則偏小，會(huì)導(dǎo)致P6 信號(hào)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(jì)算得出，誤差較小。

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

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

◇ 探測(cè)器負(fù)高壓：即探測(cè)器補(bǔ)償電壓，通過(guò)設(shè)置合理的補(bǔ)償電壓，盡可能補(bǔ)償?shù)籼綔y(cè)器輸出電流中的γ 部分，使探測(cè)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(cè)器輸出電流中γ 電流成分未被充分補(bǔ)償，導(dǎo)致探測(cè)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(cè)器只要不故障，探測(cè)器輸出電流中的中子電流成分不會(huì)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(cè)器只要不故障，探測(cè)器輸出電流中的γ 電流成分不會(huì)產(chǎn)生偏離。

通過(guò)上述分析，發(fā)現(xiàn)探測(cè)器負(fù)高壓的設(shè)置偏低導(dǎo)致中間量程探測(cè)器實(shí)際輸出電流偏高，從而導(dǎo)致此次停堆過(guò)程中源量程通道投入滯后。需要說(shuō)明的是探測(cè)器負(fù)高壓的設(shè)置取決于反應(yīng)堆所處狀態(tài)下對(duì)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(duì)方家山核電1 號(hào)機(jī)組最近幾次啟堆和停堆過(guò)程中源量程和中間量程通道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。

圖3 R104大修結(jié)束C5啟堆過(guò)程中源量程和中間量程的實(shí)測(cè)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(guò)程中源量程和中間量程的實(shí)測(cè)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(guò)程中源量程和中間量程的實(shí)測(cè)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(guò)程中源量程和中間量程的實(shí)測(cè)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(kāi)展分析。這兩次大修耗時(shí)都在30 天左右，啟堆過(guò)程中源量程和中間量程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示。可以看出，源量程和中間量程重疊性較好，當(dāng)中間量程通道電流在1.00E ～10A，源量程通道計(jì)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(jì)數(shù)率都在10000CPS 左右。啟堆時(shí)，堆內(nèi)γ 強(qiáng)度都降低至一個(gè)較低水平，中間量程和源量程通道輸出信號(hào)能夠比較真實(shí)地反映堆芯中子注量率水平。

接下來(lái)，以20180713 小修停堆和20190315R104 大修停堆為例開(kāi)展分析。這兩次停堆過(guò)程中，源量程和中間量程通道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5、圖6 所示?？梢钥闯觯瑑纱瓮６堰^(guò)程中中間量程通道電流和源量程通道計(jì)數(shù)率的對(duì)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(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)。小修停堆前反應(yīng)堆連續(xù)運(yùn)行了9 個(gè)月左右，而R104 大修停堆前反應(yīng)堆連續(xù)運(yùn)行了16 個(gè)月左右，故R104大修停堆時(shí)堆內(nèi)γ 強(qiáng)度是高于小修停堆的，在探測(cè)器負(fù)高壓設(shè)置相同的情況下，R104 大修停堆時(shí)中間量程探測(cè)器的欠補(bǔ)償程度遠(yuǎn)高于小修停堆。

通過(guò)上述啟堆和停堆過(guò)程中源量程和中間量程通道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的具體分析，可以看出對(duì)于相同中間量程通道電流值1.00E ～10A，啟堆和停堆過(guò)程中對(duì)應(yīng)的源量程通道計(jì)數(shù)率分別為5000CPS 和500CPS。由于源量程探測(cè)器僅對(duì)堆內(nèi)熱中子敏感，可以認(rèn)為上述兩次停堆過(guò)程源量程通道計(jì)數(shù)率為500CPS 時(shí)，對(duì)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(wèn)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(shí)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(wèn)題。例如，如果補(bǔ)償電壓設(shè)置過(guò)大，對(duì)于反應(yīng)堆啟堆時(shí)γ強(qiáng)度的大大下降，中間量程容易產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償，可能在中間量程P6 信號(hào)還未產(chǎn)生時(shí)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(shí)參考廠家給出建議值，在首次停堆時(shí)進(jìn)行γ 補(bǔ)償試驗(yàn)，取輸出電流在n1.00E ～11A 時(shí)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(huì)影響下次反應(yīng)堆的正常啟動(dòng)，但在下一次停堆解列過(guò)程中，源量程通道的投入必定會(huì)滯后。原因在于隨著反應(yīng)堆的功率運(yùn)行，γ 強(qiáng)度會(huì)在一個(gè)運(yùn)行循環(huán)即停堆解列過(guò)程中達(dá)到最大值；另一個(gè)原因是隨著探測(cè)器使用時(shí)間加長(zhǎng)，γ 補(bǔ)償室的補(bǔ)償能力存在慢慢弱化，這一說(shuō)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(shí)的堆內(nèi)γ 強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反應(yīng)堆啟堆時(shí)，針對(duì)啟堆和停堆的不同需求，設(shè)置兩個(gè)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(shí)，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(hào)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(cè)器的補(bǔ)償曲線和實(shí)際需要的補(bǔ)償電流值大小來(lái)調(diào)整。一般的檢修周期會(huì)在1 個(gè)月左右或者更長(zhǎng)，這個(gè)方法針對(duì)正常的大修周期使用有很好的效果。

第二種解決方案，針對(duì)現(xiàn)有核電站運(yùn)行限制，增加一個(gè)中間量程探測(cè)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(shí)，如果反應(yīng)堆功率還未降到P6 定值以下，增加1 個(gè)中間量程探測(cè)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(dòng)投入。兩小時(shí)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(shí)內(nèi)源量程通道會(huì)自動(dòng)投入。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)引起核電廠反應(yīng)堆停堆過(guò)程中源量程通道自動(dòng)投入時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題的原因進(jìn)行了具體分析。經(jīng)過(guò)對(duì)方家山核電1 號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆多次啟堆和停堆過(guò)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(píng)估，給出了兩種方案以解決源量程通道自動(dòng)投入滯后的問(wèn)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(duì)核電廠已有系統(tǒng)設(shè)備的硬件修改，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的改動(dòng)最小化，實(shí)施后可為后續(xù)使用相同設(shè)備的多個(gè)核電機(jī)組提供了重要的經(jīng)驗(yàn)反饋和參考。