堆芯中子注量率測量系統(tǒng)實際應(yīng)用問題分析

黃顯藝，陳若瀅

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

如今大部分核電廠的反應(yīng)堆是利用中子轟擊鈾235核發(fā)生核裂變，釋放能量并生成新的中子，新的中子再打入其他鈾235核，如此不斷持續(xù)下去形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。對反應(yīng)堆內(nèi)中子活動的研究，可以用堆芯中子注量率的大小和分布表示，堆芯的核功率、軸向功率偏差、軸向功率分布，線功率密度與中子注量率密切相關(guān)。堆芯測量系統(tǒng)設(shè)計的目的之一，就是分析和測量堆芯中子注量率在堆芯各個位置的變化情況，這部分功能也稱為堆芯中子注量率測量系統(tǒng)。

在反應(yīng)堆啟堆時，中子注量率測量系統(tǒng)檢查堆芯壽期開始時的功率分布是否與設(shè)計所期望的功率分布相符，檢驗用于事故工況設(shè)計研究的熱點因子是否是保守的。在反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間，中子注量率測量系統(tǒng)檢查與燃耗相對應(yīng)的功率分布是否與設(shè)計所期望的相符，探測堆芯有否偏離正常運(yùn)行，并且校準(zhǔn)堆外核儀表。不論是啟堆還是正常運(yùn)行期間，都需要使用中子注量率探測器伸入堆芯，測量堆芯中子注量率數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪出中子注量率分布圖。

1 中子注量率探測器及相關(guān)設(shè)備工作原理

堆芯測量系統(tǒng)中子注量率的測量由微型移動式探測器來完成，中子注量率探測器為鈾235微型裂變電離室，裂變室是用中心涂有豐度為90%的鈾的氧化物涂層中心電極，外層為2個密封的外殼，外電極和中心電極間的電勢差即為極化電壓。在腔室中充入99.88%的氬氣作為裂變室的工作氣體。當(dāng)熱中子通過裂變室時，與裂變室中的鈾2235發(fā)生裂變反應(yīng)，鈾2235裂變產(chǎn)生的碎片將氬氣電離，產(chǎn)生正負(fù)離子，由于兩電極間存在電勢差，則正負(fù)離子分別向兩電極漂移，在回路中形成感應(yīng)電流。

中子注量率測量系統(tǒng)共有5根探測器，這5根探測器通過驅(qū)動單元帶動，并經(jīng)由組選擇器和路選擇器進(jìn)行通路選擇，從而沿著50根指套管中的5根伸入堆芯。當(dāng)執(zhí)行中子注量率圖繪制程序后，驅(qū)動單元接收機(jī)柜送出的命令，以高速（18 m/min）將5根探測器升至距離堆芯頂部預(yù)設(shè)點20 cm處，然后切換到低速（3 m/min）升至堆芯頂部。探測器在堆芯頂部測量中子注量率，以確定其最大值，從而確定最合適的測量量程。等到所有參與中子注量率圖繪制的探測器都到達(dá)頂部后，探測器以低速抽出各個探測器，并用上升階段確定的量程每8 mm采集一次中子注量率測量數(shù)據(jù)，直到探測器降至堆芯底部。當(dāng)探測器到達(dá)距離堆芯底部80 cm時，用上述相同的量程測量本底噪聲。相關(guān)機(jī)械設(shè)備正常地協(xié)同工作，才使得探測器穩(wěn)定伸入和抽出堆芯。

（1）每個驅(qū)動單元設(shè)計成能夠推動螺旋形驅(qū)動電纜進(jìn)出堆芯以及密封管路，中子注量率探測器固定在驅(qū)動電纜的末端。驅(qū)動電纜的存儲設(shè)備是一個卷盤，驅(qū)動電纜不使用時以一定的拉緊力纏繞在卷盤上，防止在最大的速度，或在高低速切換時驅(qū)動電纜從卷盤上散開。從卷盤中伸出的驅(qū)動電纜通過導(dǎo)向鏈條和壓緊裝置固定于帶齒的驅(qū)動輪上。正常工作時，驅(qū)動單元中的齒輪電機(jī)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪從卷盤中抽出驅(qū)動電纜朝預(yù)定方向運(yùn)動。驅(qū)動單元中的一個重要組成設(shè)備為力矩限制器，該裝置提供驅(qū)動輪以一定力矩，保證驅(qū)動輪具有足夠力量將驅(qū)動電纜推入和抽出。

（2）選擇器負(fù)責(zé)篩選通道，并保證5根中子注量率探測器送入指定通道中。它包括組選擇器和路選擇器，其中組選擇器具有1個輸入通道和3～4個輸出通道，可使中子注量率探測器從驅(qū)動裝置送到下列任何通道：10個正常運(yùn)行方式的探測通道、10個應(yīng)急通道、存儲通道，或公用校準(zhǔn)參考通道。路選擇器具有2個或5個輸入通道，10個輸出通道，可使將中子注量率探測器分別、逐次地送到指套管的10個通道中的1個。路選擇器和組選擇器作為選通設(shè)備，在接收到讀出控制柜下發(fā)的命令后，及時旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)通道，反饋至機(jī)柜，探測器才繼續(xù)沿著指定通道移動。

（3）連接管連接著驅(qū)動單元、組選擇器和路選擇器直到密封組件，它是帶有倒角和快速接頭的不銹鋼直管或者具有一定曲率半徑的彎管。指套管則從密封組件延伸到堆芯，它在堆芯側(cè)的一端靠一個錐型焊塞封閉，另一端焊到用作限位和密封的接頭上。正常運(yùn)行時，中子注量率探測器及其啟動電纜在上述管路內(nèi)順暢移動。

2 中子注量率探測器及相關(guān)設(shè)備特性

中子注量率探測器由于靠的是各個機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)而帶動，因此就不可避免地受到機(jī)械設(shè)備自身特性的限制造成的影響。

（1）中子注量率探測器驅(qū)動電纜是螺旋形的，通過與驅(qū)動輪上的每個齒嚙合而被推動。這就要求驅(qū)動電纜和驅(qū)動輪能夠完全嚙合，它們之間接觸要具有一定的摩擦力。

（2）驅(qū)動單元上用于壓緊驅(qū)動電纜的導(dǎo)向鏈條是帶有滾輪的，鏈條壓在驅(qū)動電纜上，驅(qū)動電纜移動時則帶動導(dǎo)向鏈條上的滾輪滾動。

（3）組選擇器和路選擇器旋轉(zhuǎn)到位時，內(nèi)部的微動開關(guān)會觸發(fā)到位信號到讀出控制柜，經(jīng)允許后中子注量率探測器才能夠繼續(xù)移動。

（4）連接管路內(nèi)徑不大，光滑程度不高，彎曲半徑不能太大以免探測器無法通行。

3 中子注量率探測器及相關(guān)設(shè)備問題分析

近年來，福清核電1#，2#機(jī)組堆芯中子注量率測量系統(tǒng)在使用探測器伸入堆芯進(jìn)行測量時，往往會出現(xiàn)探測器停在管路中無法移動的現(xiàn)象，并在讀出控制柜控制軟件中提示“JAM”報警。在繪制一次中子注量率圖時，單通道頻繁地出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象意味著該通道無法通過該探測器正常測量中子注量率數(shù)據(jù)。造成此類現(xiàn)象的原因很多，但都跟中子注量率探測器及相關(guān)設(shè)備的特性有關(guān)。

3.1 問題及原因

（1）中子注量率探測器潤滑劑使用不當(dāng)。潤滑劑應(yīng)均勻涂抹于整根探測器驅(qū)動電纜，潤滑劑的使用有助于驅(qū)動電纜與驅(qū)動輪和導(dǎo)向鏈條的頻繁接觸，也讓驅(qū)動電纜在管道中順暢滑動。

（2）力矩限制器力矩調(diào)整過大或者過小。力矩限制器力矩過大會造成驅(qū)動電纜與驅(qū)動輪打滑，力矩過小時驅(qū)動輪沒有足夠力量將>10 m長的驅(qū)動鏈條送入堆芯。

（3）導(dǎo)向鏈條壓緊裝置力度過大。導(dǎo)向鏈條用于將探測器驅(qū)動電纜以一定力度壓在驅(qū)動輪上，保證驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時探測器驅(qū)動電纜緊貼著驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。但導(dǎo)向鏈條上的滾輪使用久了以后難免會產(chǎn)生銹蝕或滾動不順暢的情況，這時壓緊力度如果過大，驅(qū)動輪將難以將探測器驅(qū)動電纜完全推入堆芯頂部，易造成半途卡塞。

（4）連接管變形。在大修期間人為誤碰連接管的情況下會發(fā)生局部變形，連接管本身管徑又較小，這會造成探測器通過時有困難。

3.2 救援模式

在設(shè)計上，5個探測器除在正常通道運(yùn)行外，還可以相互救援，具體的救援模式分為：

（1）探測器失效的情況。如果探測器N發(fā)生故障，可以使用剩余的4個探測器測量全部50個通道的中子注量率。只不過探測器N對應(yīng)的正常測量通路由探測器N-1以救援通道的方式進(jìn)行測量。

（2）2個相鄰的探測器（探測器N-1和探測器N）失效的情況。在此情況下，探測器N對應(yīng)的正常測量通路無法被測量。在這種情況下，除了探測器N對應(yīng)的10個正常測量通路，剩余的3個探測器可以經(jīng)過循環(huán)互校準(zhǔn)之后對40個測量通路進(jìn)行測量，這意味著中子注量率圖將會損失10個測量數(shù)據(jù)。

（3）2個不相鄰的探測器失效的情況。在此情況下，剩余3個正常的探測器可以采取參考互校準(zhǔn)的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。2個失效的探測器對應(yīng)的測量通路可由相鄰的正常的探測器以救援通道的方式進(jìn)行測量。因此，在這種情況下，可對全部50個測量通道進(jìn)行測量。

（4）1個或者多個通路失效的情況。如果不論是讓探測器采取何種插入方式，某個通路卡塞現(xiàn)象都頻繁發(fā)生，則代表該通路已失效，此時該通路的測量無法進(jìn)行，只能舍棄。

不論是探測器還是通路的失效，從中子注量率圖數(shù)據(jù)的處理來說，都至少要保證50個通道數(shù)據(jù)中的30個有效。

4 結(jié)束語

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)是靠大量機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)而實現(xiàn)其功能的，其中任何一個部件的故障，不論是中子注量率探測器的卡塞還是組選擇器旋轉(zhuǎn)位置故障，都有可能造成測量通道的不可用，進(jìn)而影響中子注量率圖的繪制。因此，大修期間堆芯中子注量率測量系統(tǒng)設(shè)備的檢修工作極為重要，為了保證機(jī)組功率運(yùn)行期間堆芯功率分布測量工作的正常進(jìn)行，保證探測器順暢進(jìn)入堆芯測量中子注量率數(shù)據(jù)，有必要在每次大修期間拆卸和回裝系統(tǒng)設(shè)備后，以及從處理設(shè)備缺陷中總結(jié)良好的檢修經(jīng)驗。

[1]李文平，張帆，呂渝川，謝重.秦山核電二期工程堆芯測量系統(tǒng)設(shè)計[J].核動力工程，2003，24（2）：224-226.

[2]杜曉光.2010中國核電產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新與發(fā)展論壇論文集[C].北京：《中國核電》雜志社，2010：111-116.

[3]蔣祖躍.堆芯中子注量率測量系統(tǒng)通量探測器運(yùn)動控制的特點[J].核動力工程，1996（4）：318-321.