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        核電廠J段象限傾斜超標(biāo)報(bào)警分析

        2021-05-28 14:12:00房毅凌張荊荊
        儀器儀表用戶 2021年5期
        關(guān)鍵詞:測量系統(tǒng)

        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)對比,提供報(bào)警信號,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堆芯測量系統(tǒng)的設(shè)備獲取堆芯數(shù)據(jù),測量真實(shí)J段象限傾斜情況并提出新的象限傾斜監(jiān)測方法。

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

        LOCA監(jiān)測系統(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器6節(jié)電離室電流信號,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堆芯測量系統(tǒng)設(shè)備測量真實(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堆芯測量系統(tǒng)共有5個(gè)可移動(dòng)式的中子通量探測器,將其分批次插入50個(gè)指套管通道,直抵對應(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,可精確測量堆芯內(nèi)部中子通量數(shù)據(jù)。

        測量過程如下:

        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)行堆芯中子通量測量,使用堆芯測量系統(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,共測試50根燃料對應(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。

        2.2.2 功率量程探測器布置的局限性

        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。源量程探測器占用2個(gè)井,中間量程探測器占用2個(gè)儀表井,僅余4個(gè)儀表井可放置功率量程探測器。因此,4個(gè)象限僅放置一個(gè)功率量程探測器如圖1所示。

        由圖1可知:每個(gè)功率量程探測器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)堆外探測器時(shí),其軸向分布很難與堆內(nèi)完全一致。此外,探測器本身靈敏度的高散值以及中子探測物質(zhì)的燃耗均加大了堆外探測器的誤差。

        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)功率量程探測器因誤差過大,產(chǎn)生節(jié)電流數(shù)據(jù)漂移對堆芯參數(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,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堆芯測量系統(tǒng)

        3.2.1 當(dāng)前中子通量探測器的測量原理及缺陷

        當(dāng)前的堆芯測量系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的中子通量探測器,其工作原理及缺陷如下:中子通量探測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。電子和正離子在外加電磁場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,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,日常需要存儲在鉛屏蔽盒內(nèi),無法像RPN核儀表系統(tǒng)的功率量程探測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器徹底解決該問題。

        3.2.2 自給能中子探測器介紹

        采用銠(Rh),因科鎳600材料可制成自給能中子探測器,可長期插入堆芯燃料組件內(nèi)部工作,相比功率量程探測器的安裝位置具有很大優(yōu)勢,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器。

        傳統(tǒng)的中子通量探測器需要一系列的驅(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,自給能中子探測器能夠與熱電偶集成在一個(gè)組件內(nèi),能夠減少對反應(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)測量功能,故沒有取代核儀表系統(tǒng)探測器的安全功能。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)測系統(tǒng)的改進(jìn)

        傳統(tǒng)的LOCA監(jiān)測系統(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功率關(guān)系圖(梯形圖),對堆芯狀況做出評價(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。

        采用自給能中子探測器后,也可以實(shí)現(xiàn)這些LOCA監(jiān)測功能,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)及以上測量通道的軸向功率偏差Dpax信號超過左運(yùn)行極限且(Pth(avg))≥LV1或者兩個(gè)及以上測量通道的軸向功率偏差Dpax信號超過右運(yùn)行極限且(Pth(avg))≥15%FP產(chǎn)生超出梯形圖預(yù)警信號。

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

        自給能中子探測器產(chǎn)生的電流信號結(jié)合其他工況信號,經(jīng)信號處理系統(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:將電流信號轉(zhuǎn)化為測點(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)的中子通量測量,仍需人工每隔30天手動(dòng)測量并計(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功率量程探測器?;诜磻?yīng)堆的空間限制,功率量程探測器無法完全理想放置,系統(tǒng)誤差無法消除。當(dāng)前的堆芯測量系統(tǒng)中子通量探測器雖然精度極高,但壽命較短,無法在線長期投用。運(yùn)用自給能中子探測器技術(shù),提升堆芯測量系統(tǒng)中子通量探測器性能,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。

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