徐逸凡 楊 堃

（海南核電有限公司，海南 昌江 572732）

0 引言

在當(dāng)前核電廠物理試驗(yàn)的過程中會(huì)受多種因素的影響，利用傳統(tǒng)方法測量控制棒價(jià)值需要不斷調(diào)整硼濃度，移動(dòng)控制棒，耗時(shí)耗力，人因風(fēng)險(xiǎn)較大。技術(shù)人員在使用動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)后，能夠節(jié)約大修啟動(dòng)物理試驗(yàn)的時(shí)間，減少運(yùn)行人員與技術(shù)人員的工作負(fù)擔(dān)，還可以減少核電廠產(chǎn)生的一回路廢水，提升電廠的經(jīng)濟(jì)效益，降低核安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 核電動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)

一般來講，核電動(dòng)態(tài)刻棒法在使用過程中依托點(diǎn)堆動(dòng)力學(xué)方程，通過堆芯內(nèi)中子注量率隨時(shí)間的變化情況反推該過程中反應(yīng)性價(jià)值的變化情況。對傳統(tǒng)控制棒的測量方式來說，如果堆芯中子的注量率發(fā)生快速變化，那么其生成的測量結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)較大改變，難以在一定時(shí)間內(nèi)順利完成控制棒的測量工作。為解決這個(gè)問題，在使用動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)的過程中，要適時(shí)引入動(dòng)態(tài)修正因子與靜態(tài)修正因子，并在堆芯中子注量率快速變化的過程中修正與空間效應(yīng)相關(guān)的理論，從而快速開展控制棒整體的價(jià)值測量工作。為了更好地使用修正因子，相關(guān)人員可利用適宜的核設(shè)計(jì)軟件將靜態(tài)修正因子（SSF）設(shè)計(jì)為棒位函數(shù)，這一類函數(shù)可展示穩(wěn)態(tài)下探測器響應(yīng)與堆芯中子內(nèi)部注量率分布形態(tài)間的關(guān)系。而利用動(dòng)態(tài)修正因子（DSF）來尋找表征下的逆動(dòng)態(tài)求解方程與靜態(tài)棒價(jià)值間的關(guān)系。對動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)來說，在開展與該技術(shù)相關(guān)的試驗(yàn)時(shí)，技術(shù)人員可適時(shí)修正反應(yīng)堆內(nèi)部臨界狀態(tài)中堆外探測器的電流信號，利用靜態(tài)修正因子來完成相關(guān)電流信號的再修正工作，在完成修正后，借助該電流信號值獲取逆動(dòng)態(tài)方程，從而得到對應(yīng)的反應(yīng)值，再使用動(dòng)態(tài)修正因子完成反應(yīng)值的修正工作，進(jìn)而有效獲取該控制棒的實(shí)際價(jià)值。與傳統(tǒng)方法測量控制棒價(jià)值的方法相比，動(dòng)態(tài)刻棒法無須改變硼濃度，全程只使用控制棒，可以縮短試驗(yàn)時(shí)間，降低人因失誤風(fēng)險(xiǎn)。目前，動(dòng)態(tài)刻棒法已經(jīng)通過國家核安全局的安全審批，已有多個(gè)壓水堆核電廠使用動(dòng)態(tài)刻棒法替代傳統(tǒng)方法來測量控制棒價(jià)值，實(shí)際效果較好[1]。

2 中間量程與功率量程的比對

無論使用哪一種方法執(zhí)行控制棒價(jià)值的測量工作，專業(yè)技術(shù)人員都需要先將堆內(nèi)中子注量率測量信號接入反應(yīng)性儀，以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。以某核電廠為例，正常情況下是通過布置在反應(yīng)堆堆外的核功率測量儀表來測量中子注量率，下面將對核功率測量儀表進(jìn)行介紹。

2.1 核電廠核功率測量儀表

核電廠內(nèi)部的核功率測量儀表用于顯示堆芯功率水平與反應(yīng)堆功率值的分布變化情況，這一類儀表輸出參數(shù)可以充分發(fā)揮反應(yīng)堆保護(hù)、控制棒動(dòng)作、堆芯監(jiān)督以及功率分布監(jiān)督等作用。具體來說，核功率測量儀表的安全功能是在堆芯中子注量率高和中子注量率快變化時(shí)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆以及停堆前通過信號閉鎖自動(dòng)和手動(dòng)提升控制棒（反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)除外）。除此之外，核功率測量儀表探測到的堆芯軸向功率偏差信號也可以借助控制棒、超功率與超功率△T 反應(yīng)堆停堆來控制閉鎖整定值。

在實(shí)際工作中，核電廠核功率測量儀表內(nèi)部含有4 個(gè)大小相似的功率量程通道、2 個(gè)中間量程通道以及2 個(gè)源量程通道，而每個(gè)功率量程都帶有6 節(jié)類型相似的探測器。其中，源量程通道探測器為硼襯基正比計(jì)數(shù)管，中間量程通道探測器為硼襯基γ 射線補(bǔ)償電離室，功率量程通道探測器為硼襯基非補(bǔ)償電離室。這3 種探測器的靈敏度與應(yīng)用環(huán)境各不相同，適合探測的堆芯中子注量率水平也各有所長。通常來說，源量程通道探測器適合探測堆芯中子注量率極低的情況（堆芯臨界前）；功率量程通道探測器則適合探測堆芯中子注量率極高的情況（機(jī)組帶功率運(yùn)行期間）；而中間量程通道探測器則適合探測堆芯從臨界過渡到低功率運(yùn)行期間的中子注量率水平。因此，在正式使用核功率測量儀表輸出信號前，相關(guān)人員須適時(shí)明確各類量程通道設(shè)計(jì)的靈敏度與測量范圍，只有保證數(shù)值精準(zhǔn)才能確認(rèn)不同類型量程的適用對象。核功率探測器儀表性能的具體數(shù)值與保護(hù)定值設(shè)定見表1～表2。

在了解與掌握功率量程、中間量程與源量程的相關(guān)性能指標(biāo)后，技術(shù)人員可根據(jù)該指標(biāo)進(jìn)行專業(yè)性分析。例如，由表2 中的數(shù)據(jù)可知，源量程探測器可將其停堆保護(hù)整定值設(shè)為RT1，中間量程探測器的控制棒提棒閉鎖的整定值設(shè)為C1，緊急停堆整定值設(shè)為RT2，功率量程探測器中子注量率低停堆整定值的數(shù)值設(shè)為RT3，中子注量率高停堆整定值的數(shù)值設(shè)為RT4，控制棒提棒閉鎖的整定值設(shè)為C2。源量程探測器通常只在堆芯裝載、反應(yīng)堆啟動(dòng)及停堆期間使用，對中子注量率的測量范圍比其他的探測器要小很多，靈敏度也低很多。而且根據(jù)電廠的安全限值，堆芯臨界后不久就需要手動(dòng)閉鎖源量程探測器，以防止機(jī)組停堆。在實(shí)際開展動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)的過程中，堆芯中子注量率較高，超過源量程停堆保護(hù)定值，因此，無法使用源量程通道探測器輸出信號進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。技術(shù)人員僅能根據(jù)中間量程或功率量程的相關(guān)電流信號完成試驗(yàn)工作。由表1 可以看出，二者靈敏度與測量范圍大致一樣，均在同一水平內(nèi)。

表1 某核電核功率測量儀表的靈敏度與測量范圍表

表2 某核電零功率試驗(yàn)期間核功率測量儀表的保護(hù)定值設(shè)置

2.2 中間量程與功率量程的比對

由表1 可知，中間量程與功率量程2 種探測器的靈敏度與測量范圍大致一樣，從理論上來說，2 種探測器都可以用于提供輸出信號執(zhí)行動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)。但在具體操作中，由于反應(yīng)堆內(nèi)存在中子源與活化產(chǎn)物，因此會(huì)發(fā)射多余的中子輻射信號，它們使反應(yīng)堆內(nèi)存在本底測量電流。為了更加精確地測量控制棒價(jià)值，需要消除本底電流對輸出信號的影響。根據(jù)技術(shù)人員實(shí)際驗(yàn)證，從儀表實(shí)際顯示數(shù)值來看，中間量程顯示的電流數(shù)值更大，通常比功率量程大1 個(gè)數(shù)量級。從理論上來說，在同一狀態(tài)下執(zhí)行試驗(yàn)，使用中間量程輸出電流進(jìn)行數(shù)據(jù)處理所受的本底電流影響會(huì)更小，試驗(yàn)結(jié)果精確度更高。但是經(jīng)過技術(shù)人員對比分析后發(fā)現(xiàn)，還存在以下2個(gè)問題：1） 中間量程與功率量程輸出信號存在差別。試驗(yàn)用反應(yīng)性儀需要接入電流信號，以獲得試驗(yàn)期間的堆芯中子注量率變化情況。功率量程為硼襯基非補(bǔ)償電離室，直接輸出脈沖電流信號，因此可以直接接入反應(yīng)性儀。中間量程為硼襯基γ 補(bǔ)償電離室，輸出的信號需要經(jīng)過信號消除轉(zhuǎn)換再放大處理，轉(zhuǎn)化為顯示電流輸入反應(yīng)性儀。因此，當(dāng)實(shí)際讀取數(shù)據(jù)時(shí)，中間量程輸出信號間隔數(shù)十秒后會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的電流信號，形成“毛刺”，這就是由于中間量程的信號轉(zhuǎn)換放大處理存在延遲，因此累積較多的延遲時(shí)間后，輸出信號出現(xiàn)重復(fù)。如果要使用中間量程輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，需要手動(dòng)識別去除信號“毛刺”部分的壞點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，也容易出錯(cuò)。2） 核電廠中間量程與功率量程測量儀表均具備停堆保護(hù)功能，確保反應(yīng)堆內(nèi)中子注量率快速提升至某一定值時(shí)能夠觸發(fā)停堆保護(hù)信號，避免堆芯功率不可控地提升（直至融毀）。按照某核電的停堆信號的設(shè)置邏輯，功率量程為4 個(gè)測量通道，停堆邏輯為4 取2，即四者之間任意2 個(gè)通道達(dá)到保護(hù)定值即觸發(fā)停堆信號；中間量程為2 個(gè)測量通道，停堆邏輯為2 取1，即二者之間任意1 個(gè)通道達(dá)到保護(hù)定值即觸發(fā)停堆信號。然而執(zhí)行動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)期間，需要將中間量程或功率量程某一通道信號接入反應(yīng)性儀，這勢必會(huì)導(dǎo)致該測量通道不可用。1 個(gè)通道接入反應(yīng)性儀后，功率量程停堆邏輯將變?yōu)? 取2，中間量程停堆邏輯將變?yōu)?取1。顯然，假設(shè)接入的是中間量程的1 個(gè)通道，那么剩余通道一旦發(fā)生故障或信號波動(dòng)，將立即觸發(fā)停堆保護(hù)信號。從電廠的安全冗余性來看，接入中間量程某一通道進(jìn)行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)明顯更大[2]。

綜上所述，技術(shù)人員經(jīng)過綜合考慮，某核電最終選擇使用接入功率量程某一通道輸出信號執(zhí)行動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)。

3 動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)在某核電廠的試驗(yàn)過程

為強(qiáng)化核電廠內(nèi)動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)的應(yīng)用效果，研究人員需要開展動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn)，將該技術(shù)融合到核電廠的內(nèi)部反應(yīng)中，適時(shí)觀察該技術(shù)具體的應(yīng)用過程。例如，在實(shí)行動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)期間，試驗(yàn)人員需要合理控制其運(yùn)行狀態(tài)，使該狀態(tài)的運(yùn)行特征與其初始狀態(tài)相符，從試驗(yàn)過程上對核電運(yùn)行的質(zhì)量進(jìn)行控制，在開展試驗(yàn)的過程中還要注意多個(gè)安全事項(xiàng)，保障動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)的應(yīng)用安全。

3.1 動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)執(zhí)行過程

初始狀態(tài)：通過插入某一控制棒組引入約60 pcm 的負(fù)反應(yīng)性，即通過脈沖抽樣編碼的負(fù)反應(yīng)性來調(diào)節(jié)硼濃度，使堆芯處于臨界狀態(tài)。

首先，將該插入棒組一次性提升至堆頂，通過引入的約60 pcm 的正反應(yīng)性使堆芯中子注量率逐漸提升至多普勒核發(fā)熱點(diǎn)。其次，待中子注量率提升至多普勒核發(fā)熱點(diǎn)附近后，立即將某一控制棒組全部下插，等待中子注量率降至最低，在這期間測量控制棒插入過程功率量程探測器輸出信號變化情況與堆芯本底電流。再次，本底電流測量完畢后，將已插入的控制棒組分段提升至堆頂，繼續(xù)使中子注量率逐漸提升至多普勒核發(fā)熱點(diǎn)附近，隨即切換成另一組控制棒并將其全部下插，測量控制棒插入過程中功率量程探測器輸出信號的變化情況。最后，重復(fù)上述步驟，直至所有棒組均測量完畢，試驗(yàn)結(jié)束，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將堆芯恢復(fù)至初始狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

試驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)如下：1） 在進(jìn)行動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)前，物理試驗(yàn)人員需要先將反應(yīng)性儀的時(shí)間與電廠信號處理服務(wù)器的時(shí)間標(biāo)定同步，以便后續(xù)記錄時(shí)間信息，保證功率量程探測器的輸出電流信號隨時(shí)間同步輸入至試驗(yàn)反應(yīng)性儀中。2） 初始控制棒組插入堆芯引入的負(fù)反應(yīng)性不可過大，否則后續(xù)一次性全部提出時(shí)有可能觸發(fā)中子注量率倍增時(shí)間小于設(shè)定值的報(bào)警信號，該信號將導(dǎo)致控制棒提升閉鎖，影響試驗(yàn)的正常執(zhí)行。3） 測量本底電流期間，堆芯中子注量率會(huì)降低。中子注量率低于某一定值時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)解除源量程測量通道的閉鎖信號，重新投用源量程測量通道。通過3.1 節(jié)的試驗(yàn)過程可知，本底電流測量結(jié)束后需要分段將控制棒提升至堆頂。當(dāng)提升控制棒時(shí)，會(huì)引入較大的正反應(yīng)性，使堆內(nèi)中子注量率逐漸快速增加，因此，必須密切注意引入的正反應(yīng)性速率與源量程計(jì)數(shù)率的變化情況。當(dāng)源量程停堆中子計(jì)數(shù)率高報(bào)警（P6）觸發(fā)時(shí)，立即閉鎖源量程測量通道，防止觸發(fā)源量程中子計(jì)數(shù)率高于停堆整定值，從而導(dǎo)致機(jī)組停堆[3]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)能源局于2013 年發(fā)布的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)《壓水堆核電廠重新裝料后的物理啟動(dòng)試驗(yàn)》（NB/T 20240—2013）可知，推薦的測量控制棒價(jià)值的試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則見表3。

表3 NB/T 20240—2013 推薦的控制棒價(jià)值測量驗(yàn)收準(zhǔn)則

根據(jù)某電廠的《物理試驗(yàn)監(jiān)督要求》可知，對控制棒價(jià)值測量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 某電廠《物理試驗(yàn)監(jiān)督要求》內(nèi)的控制棒價(jià)值測量驗(yàn)收準(zhǔn)則

結(jié)合行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)與該電廠《物理試驗(yàn)監(jiān)督要求》內(nèi)的規(guī)定，最終該電廠將控制棒價(jià)值測量的試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則定為測量值與設(shè)計(jì)值相對偏差小于10%。某核電使用功率量程通道電流信號，在當(dāng)前大修項(xiàng)目205 及106 中正式使用動(dòng)態(tài)刻棒法執(zhí)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表5，試驗(yàn)結(jié)果滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。

4 動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)與傳統(tǒng)方法的比較

某核電廠之前一直使用調(diào)硼法測量控制棒價(jià)值。調(diào)硼法測量控制棒價(jià)值是通過連續(xù)稀釋或硼化改變反應(yīng)堆冷卻劑的硼濃度，再根據(jù)硼濃度改變所引起的反應(yīng)性變化，通過插入或提升某一控制棒組進(jìn)行補(bǔ)償，直至該控制棒組完全插入或提升至堆芯底部或頂部。對試驗(yàn)期間發(fā)生的反應(yīng)性狀態(tài)改變進(jìn)行修正補(bǔ)償，求出控制棒組整個(gè)移動(dòng)過程中的反應(yīng)性變化量之和，即為該控制棒組的價(jià)值。該方法經(jīng)過了國內(nèi)外多家壓水堆核電廠的大量實(shí)際驗(yàn)證，原理簡明，技術(shù)成熟，方法可靠。但是在多年的實(shí)際應(yīng)用過程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)調(diào)硼法也存在不少缺點(diǎn)。根據(jù)技術(shù)人員反饋，該試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間極長，通常需要約12 h；試驗(yàn)期間硼濃度調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量廢水，增加了核電廠放射性廢液的處理量，影響電廠環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)成本；并且試驗(yàn)需要連續(xù)開展長時(shí)間的反應(yīng)性操作，容易出現(xiàn)人因失誤，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于以上情況，經(jīng)過調(diào)研，某核電廠決定引進(jìn)動(dòng)態(tài)刻棒法以替代傳統(tǒng)的調(diào)硼法來測量控制棒價(jià)值。

某核電廠205 及106 大修使用動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)后，技術(shù)人員對二者進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表6。由表6 可以看出，動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)在時(shí)間、經(jīng)濟(jì)與安全各方面均明顯優(yōu)于調(diào)硼法，在行業(yè)內(nèi)有較大的推廣應(yīng)用前景。

表6 動(dòng)態(tài)刻棒法與調(diào)硼法的對比分析

通過比較調(diào)硼法與動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)可知，在使用傳統(tǒng)技術(shù)的過程中，相關(guān)人員將耗費(fèi)更多的時(shí)間，處理成本較高且?guī)в袠O大的安全風(fēng)險(xiǎn)，其原因在于該技術(shù)的應(yīng)用過程較機(jī)械，操縱人員要長時(shí)間在試驗(yàn)現(xiàn)場開展核電反應(yīng)試驗(yàn)；而在使用新型動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)后，此前的操作劣勢將得到適時(shí)縮減，例如試驗(yàn)時(shí)間由12 h 縮短到3 h。從經(jīng)濟(jì)角度來看，由于各項(xiàng)設(shè)備的機(jī)械化程度較高，多項(xiàng)環(huán)節(jié)的成本會(huì)得到及時(shí)控制，且在試驗(yàn)時(shí)間較短、機(jī)械化操作的影響下，可以降低操作人員的執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)。因此，在當(dāng)前的核電廠內(nèi)，動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上所述，在開展核電動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)的過程中，技術(shù)人員需要深入探討中間量程、功率量程輸出信號的形成原理，對二者信號輸入對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的影響以及機(jī)組安全狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)性判斷，在保證機(jī)組安全的前提下選擇合適的信號輸入執(zhí)行動(dòng)態(tài)刻棒試驗(yàn)，提升該技術(shù)的試驗(yàn)效果。與傳統(tǒng)方法相比，動(dòng)態(tài)刻棒技術(shù)可以明顯地提高核電廠運(yùn)行發(fā)展的穩(wěn)定性，在行業(yè)內(nèi)有較大的推廣前景。