王勇智

[摘? ? 要]核電廠的物理試驗(yàn)儀器是大修期間監(jiān)督堆芯參數(shù)和反應(yīng)性的重要工具。本文簡(jiǎn)要分析了國(guó)內(nèi)核電廠物理試驗(yàn)儀器發(fā)展和應(yīng)用，詳細(xì)介紹了目前國(guó)內(nèi)外最新試驗(yàn)儀器的研發(fā)和改進(jìn)，改進(jìn)后的試驗(yàn)儀器不僅具備傳統(tǒng)反應(yīng)性儀和多筆記錄儀的功能，還增加了很多傳統(tǒng)反應(yīng)性儀不具備的功能。具有多功能、體積小、功耗低、操作方便、界面友好的特點(diǎn)，明顯改進(jìn)了核電站物理試驗(yàn)的工作方法，極大提高了物理試驗(yàn)的效率，縮短了大修試驗(yàn)的時(shí)間，減輕了物理人員的工作量。

[關(guān)鍵詞]反應(yīng)性儀;動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù);物理試驗(yàn)儀器

[中圖分類(lèi)號(hào)]TL 326 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]Physical test instruments in nuclear power plants are important tools for monitoring core parameters and reactivity during overhaul. In this paper， the development and application of physical test instruments for nuclear power plants in China and abroad are briefly introduced. The research and development and improvement of the latest test instruments at home and abroad are introduced in detail. The improved test instruments not only have the functions of traditional reactivity instrument and multi pen recorder， but also add many functions that traditional reactivity instrument does not have. It has the characteristics of multi-function， small volume， low power consumption， convenient operation and friendly interface. It obviously improves the working method of physical test in nuclear power plant， greatly improves the efficiency of physical test， shortens the overhaul test time， and reduces the workload of physical personnel.

[Keywords]reactivity instrument; dynamic stick cutting technology

核電廠的物理試驗(yàn)儀器是大修期間監(jiān)督堆芯參數(shù)和反應(yīng)性的重要工具，目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的試驗(yàn)儀器有監(jiān)督堆芯狀態(tài)參數(shù)的多筆記錄儀和反應(yīng)性儀。其中多筆記錄儀經(jīng)歷了帶紙的記錄儀和無(wú)紙化數(shù)字記錄儀，反應(yīng)性儀設(shè)備也經(jīng)歷了好幾代，傳統(tǒng)的多筆記錄儀和反應(yīng)性儀使用不便，需要將大量電站數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的狀態(tài)參數(shù)信號(hào)連接到多筆記錄儀，存在體積較大、搬運(yùn)不便、接口松動(dòng)、連接線老化等問(wèn)題，

隨著物理試驗(yàn)方法的進(jìn)步，美國(guó)西屋公司在20世紀(jì)90年代研發(fā)出全新的控制棒價(jià)值測(cè)量技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)不僅改變了物理試驗(yàn)的工作方法，也極大地縮短了控制棒價(jià)值測(cè)量時(shí)間，大大增加了電廠的經(jīng)濟(jì)效益。1996年獲得美國(guó)核管會(huì)（NRC）批準(zhǔn)，2009年獲得法國(guó)核安全監(jiān)管當(dāng)局批準(zhǔn)。此項(xiàng)技術(shù)已在美國(guó)、英國(guó)、日本、西班牙、法國(guó)等多個(gè)國(guó)家成功使用，大亞灣核電廠和嶺澳核電廠從2009年開(kāi)始引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)[1]。

受到西屋公司動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)的啟發(fā)，國(guó)內(nèi)很多單位都在研發(fā)兼具堆芯參數(shù)監(jiān)督和反應(yīng)性測(cè)量的新型物理試驗(yàn)儀器，具有多功能、體積小、功耗低、操作方便、界面友好的特點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)物理試驗(yàn)儀器介紹

大修臨界和零功率物理試驗(yàn)期間，一般需按照?qǐng)D1方式將專用的多筆記錄儀和反應(yīng)性儀按照接線操作手冊(cè)與上游信號(hào)相連接，試驗(yàn)前需設(shè)置好反應(yīng)性儀和記錄儀的相關(guān)測(cè)量參數(shù)，并且檢查儀器上的數(shù)值與電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的指示值是否一致，如果不一致則需重新檢查接線、相關(guān)參數(shù)物理量程和電量程的設(shè)置是否準(zhǔn)確，逐一排除原因。圖1中的加法器用于引出堆外探測(cè)器功率量程電流信號(hào)，多筆記錄儀2是冗余配置，是用來(lái)采集堆芯狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接兩臺(tái)多筆記錄儀專用筆記本電腦，安裝了專用數(shù)據(jù)采集軟件。反應(yīng)性儀有帶信號(hào)放大器功能的1臺(tái)反應(yīng)性儀和專用筆記本1臺(tái)，因此總計(jì)6臺(tái)硬件設(shè)備，這些設(shè)置不僅硬件笨重、占用狹窄的主控室空間、搬運(yùn)不便、接口容易松脫、連接線老化、信號(hào)穩(wěn)定性不足、進(jìn)口硬件采購(gòu)困難等問(wèn)題，因此存在很大的改進(jìn)空間。

2 美國(guó)西屋動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)和試驗(yàn)儀器研發(fā)

自從核能被用于發(fā)電開(kāi)始，美國(guó)的核能技術(shù)就一直全球領(lǐng)先，匯集了全世界最優(yōu)秀的核能研發(fā)人才，積累了強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力。研發(fā)出大量的先進(jìn)核能技術(shù)當(dāng)然也包括核電站先進(jìn)物理試驗(yàn)方法，其中動(dòng)態(tài)刻棒測(cè)量技術(shù)是美國(guó)西屋公司1990年前后研發(fā)出來(lái)的，包括試驗(yàn)方法和最新的試驗(yàn)儀器。

這項(xiàng)技術(shù)的原理并不復(fù)雜，與常規(guī)的棒價(jià)值測(cè)量方法一樣，其概念都是基于點(diǎn)堆方程的基礎(chǔ)上得出的，分析如下：

點(diǎn)堆模型中反應(yīng)性和中子通量的關(guān)系由下列中子動(dòng)力學(xué)方程確定[2]：

由（1）和（2）式變換整理后得出反應(yīng)性：

式（3）中的n是表示反應(yīng)堆功率的電流、電壓、脈沖（計(jì)數(shù)率）等信號(hào)。

但點(diǎn)堆模型只能描述反應(yīng)堆的積分特性，不能描述反應(yīng)堆內(nèi)部與能量和空間有關(guān)的中子學(xué)問(wèn)題。當(dāng)有控制棒插入堆芯時(shí)，會(huì)引起堆內(nèi)中子通量密度分布形狀變化，點(diǎn)堆模型不再適用，需要引入空間修正因子修正這一效應(yīng)的影響?？刂瓢舨迦霑?huì)帶來(lái)兩種空間效應(yīng)：一是靜態(tài)空間效應(yīng)，控制棒插入之后瞬發(fā)中子通量密度發(fā)生變化，在極短時(shí)間內(nèi)瞬發(fā)中子通量密度分布形狀改變。二是動(dòng)態(tài)空間效應(yīng)，這是由緩發(fā)中子通量密度分布形狀發(fā)生改變引起的，由于緩發(fā)中子先驅(qū)核衰減時(shí)間較長(zhǎng)，控制棒插入之后通常需要十幾分鐘緩發(fā)，中子分布形狀才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗(yàn)過(guò)程中的空間效應(yīng)需要用專用的三維堆芯軟件計(jì)算空間修正因子，包括靜態(tài)空間因子和動(dòng)態(tài)空間因子對(duì)堆外探測(cè)器電流進(jìn)行修正，在線或離線處理軟件進(jìn)行棒價(jià)值計(jì)算。

在反應(yīng)性測(cè)量中通量水平較低時(shí)，源項(xiàng)應(yīng)當(dāng)考慮。當(dāng)通量的電流測(cè)量值超過(guò)10～8 A時(shí)，源項(xiàng)的作用可以忽略不計(jì)。

西屋動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)反應(yīng)性儀是專門(mén)為自己的動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)研發(fā)的，雖然使用方便，但是國(guó)內(nèi)核電站不能照搬照抄，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)試驗(yàn)方法和儀器進(jìn)行改進(jìn)，才能更好的滿足國(guó)內(nèi)核電廠的需求。

3 國(guó)內(nèi)物理試驗(yàn)儀器的研發(fā)和改進(jìn)

自從2009年大亞灣和嶺澳核電站引進(jìn)西屋公司的動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)以后，國(guó)內(nèi)許多研究所和高校都開(kāi)始整合科研力量，自主研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，在很短的時(shí)間就攻克了動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)并投入實(shí)際應(yīng)用，打破西屋的技術(shù)壟斷，為電廠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)然技術(shù)原理都是一樣的，都是專用軟件計(jì)算靜態(tài)和動(dòng)態(tài)修正因子修正空間效應(yīng)，目前國(guó)內(nèi)各大發(fā)電集團(tuán)和研究機(jī)構(gòu)都組織了專門(mén)的研發(fā)力量。

動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)需要專用的反應(yīng)性儀來(lái)輔助，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多設(shè)計(jì)單位開(kāi)發(fā)的新型反應(yīng)性儀實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能，基本上都兼?zhèn)涠喙P記錄儀的功能，將多路P2信號(hào)接入反應(yīng)性儀，實(shí)現(xiàn)堆芯重要狀態(tài)參數(shù)的在線監(jiān)督。在增加功能和便利性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)儀器的精簡(jiǎn)。

這種新型的反應(yīng)性儀由1臺(tái)信號(hào)調(diào)理器和1臺(tái)數(shù)據(jù)處理器（筆記本電腦）構(gòu)成，信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)處理器之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，如圖2所示，其中信號(hào)調(diào)理器將堆外探測(cè)器的電流轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)調(diào)理器由低壓電源模塊、小電流放大模塊、采集處理功能組成。圖2中具體的信號(hào)輸入輸出流向、電流以及電壓信號(hào)需要區(qū)別，有的信號(hào)輸入和輸出以電流形式，有的以電壓形式，有的信號(hào)既可以電流也可以電壓形式，比如反應(yīng)堆中子通量既可以設(shè)置成電流輸入信號(hào)，也可以設(shè)置成電壓輸入信號(hào)。這種新型的反應(yīng)性儀不僅集成了傳統(tǒng)多筆記錄儀的所有功能，實(shí)現(xiàn)P2數(shù)據(jù)采集和在線顯示，而且增加了很多實(shí)用功能，比如增加裝卸料臨界安全監(jiān)督，啟堆達(dá)臨界外推，離線處理，反應(yīng)性精度檢查。

3.1 新型反應(yīng)性儀功能介紹

儀器通電時(shí)自動(dòng)調(diào)出軟件的在線測(cè)量功能主菜單界面。另外，當(dāng)操作人員退出應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境后，還可以鼠標(biāo)點(diǎn)擊桌面上“在線測(cè)量”、“離線處理”、“臨界監(jiān)督”和“動(dòng)態(tài)刻棒”四個(gè)圖標(biāo)來(lái)運(yùn)行相應(yīng)的應(yīng)用軟件。圖3是新型反應(yīng)性儀的功能界面示意圖。

3.1.1 信號(hào)采集功能

（1）采集通過(guò)反應(yīng)性儀信號(hào)調(diào)理器串口通訊接口送來(lái)的來(lái)自探測(cè)器的2路小電流信號(hào)以及來(lái)自核測(cè)量系統(tǒng)輸出的2路0～10V電壓信號(hào)。

（2）采集來(lái)自反應(yīng)性儀信號(hào)調(diào)理器串口通訊接口送來(lái)的8路P2參數(shù)。P2參數(shù)與反應(yīng)性直接相關(guān)，可以是溫度、壓力、棒位等，與反應(yīng)性及中子探測(cè)器信號(hào)同時(shí)顯示在測(cè)量屏幕上，并參與離線數(shù)據(jù)處理計(jì)算，P2有自動(dòng)和手動(dòng)兩種采集方式。

3.1.2 參數(shù)設(shè)置功能

反應(yīng)性儀在開(kāi)始測(cè)量之前，需要設(shè)置必要的工作參數(shù)。一旦工作參數(shù)設(shè)置完成并保存，若不進(jìn)行新的修改，則軟件將保持設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行以后的所有測(cè)量及計(jì)算。當(dāng)?shù)谝淮问褂密浖r(shí)，軟件的工作參數(shù)為初始設(shè)定值，以后每次使用軟件，軟件就處于用戶前次使用時(shí)所處的工作參數(shù)狀態(tài)，除非用戶有新的參數(shù)修改要求，否則不必重新設(shè)置工作參數(shù)。

所有的參數(shù)設(shè)置被同時(shí)保存在硬盤(pán)文件中，用戶可直接用任意文本編輯器打開(kāi)。

3.1.3 自檢功能

儀器根據(jù)設(shè)置的反應(yīng)堆周期或倍增周期值，產(chǎn)生指數(shù)信號(hào)，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢查，以判定其工作正常與否。

3.1.4 精度檢查功能

反應(yīng)性儀包括以下離線數(shù)據(jù)處理功能，即數(shù)據(jù)文件復(fù)現(xiàn)、精度檢查、溫度系數(shù)處理和棒值處理，可以覆蓋反應(yīng)堆臨界外推、周期計(jì)算、反應(yīng)性儀校刻、末端反應(yīng)性價(jià)值計(jì)算、慢化劑溫度系數(shù)計(jì)算和調(diào)硼法測(cè)量棒價(jià)值等各項(xiàng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理。

3.1.5 報(bào)警功能

當(dāng)堆功率和反應(yīng)性超過(guò)參數(shù)設(shè)置的量程檔時(shí)，儀器在人機(jī)界面上亮起紅色指示燈，并伴隨蜂鳴器報(bào)警。

3.1.6 容錯(cuò)功能

（1）正常情況下，軟件可無(wú)故障連續(xù)工作24h。

（2）具有一定的容錯(cuò)和邏輯判斷能力，設(shè)定某些提示信息防止用戶錯(cuò)誤操作，當(dāng)用戶出現(xiàn)錯(cuò)誤操作或違反指定規(guī)則時(shí)，能夠保證軟件自身功能運(yùn)行正常。

（3）具有易恢復(fù)性，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)（例如通訊故障等）能較快重新建立其性能水平，并恢復(fù)直接受影響的數(shù)據(jù)。

3.2 新型反應(yīng)性儀性能

3.2.1 易用性

（1）具有易理解性和易學(xué)性，用戶可在較短時(shí)間內(nèi)理解軟件功能，并學(xué)習(xí)其應(yīng)用。

（2）具有良好的人機(jī)交互性能。

（3）具有操作簡(jiǎn)單特點(diǎn)，用戶可根據(jù)需要對(duì)軟件進(jìn)行配置，可采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和快捷鍵等方式對(duì)軟件進(jìn)行控制。

3.2.2 可維護(hù)性

（1）具有易分析性，較容易診斷軟件缺陷和失效原因。

（2）較容易對(duì)軟件進(jìn)行修改、排錯(cuò)和適應(yīng)環(huán)境變化的修改。

（3）具有易測(cè)試性，可對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試確認(rèn)。

3.2.3 數(shù)據(jù)安全性

當(dāng)用戶開(kāi)展物理試驗(yàn)時(shí)，由軟件自動(dòng)在硬盤(pán)上存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并生成文本文件。文本文件內(nèi)容可在Windows操作系統(tǒng)中用任何文本編輯軟件查看和編輯，其中文件名稱由用戶手動(dòng)輸入，文件內(nèi)容則包括測(cè)量起止時(shí)間，文件頭相關(guān)信息，中子通量信號(hào)、測(cè)量的反應(yīng)性、P2參數(shù)、經(jīng)靜態(tài)修正因子修正后的實(shí)測(cè)電流信號(hào)、經(jīng)動(dòng)態(tài)修正因子修正后的反應(yīng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的研發(fā)和進(jìn)步，將出現(xiàn)越來(lái)越多的先進(jìn)物理試驗(yàn)方法，伴隨而來(lái)的是更加先進(jìn)、智能、便捷的試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器，通過(guò)近10年的努力改進(jìn)，國(guó)內(nèi)核電廠的物理試驗(yàn)方法和測(cè)量?jī)x器有了巨大的發(fā)展和進(jìn)步。

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