AP1000與M310+落棒時(shí)間測(cè)量技術(shù)差異性分析

曹晟龍

（江蘇核電有限公司儀控管理處，江蘇連云港 222000）

0 引言

壓水反應(yīng)堆在正常情況下是通過(guò)把控制棒逐步插入燃料組件實(shí)現(xiàn)正常停堆，在緊急情況下要靠自身重力將控制棒快速插入燃料組件實(shí)現(xiàn)緊急停堆。緊急停堆情況下的落棒時(shí)間作為安全評(píng)審的重要依據(jù)和電廠安全運(yùn)行的重要參數(shù)之一，必須滿足堆芯安全分析規(guī)定的時(shí)間要求。因此，落棒時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于核電廠運(yùn)行安全至關(guān)重要?？刂瓢舭羰挥诙研靖邷亍⒏邏?、強(qiáng)輻照的環(huán)境中，其位置不可能直接測(cè)量，落棒時(shí)間和控制棒位只能通過(guò)棒位探測(cè)器進(jìn)行間接測(cè)量。由于設(shè)計(jì)思路和專利限制等因素，AP1000與M310+這2種國(guó)內(nèi)主要壓水堆型的棒位探測(cè)器和落棒時(shí)間測(cè)量方式均有所差異。

1 M310+堆型落棒測(cè)量技術(shù)

M310+堆型規(guī)定必須在每個(gè)循環(huán)開(kāi)始時(shí)進(jìn)行的物理試驗(yàn)中驗(yàn)證落棒時(shí)間T4，T5，T5+T6。M310+落棒時(shí)間安全驗(yàn)收準(zhǔn)則中的熱停堆、額定流量工況下的落棒時(shí)間規(guī)定：棒束從開(kāi)始降落至緩沖段入口（T5），未考慮地震載荷為2.15 s；棒束從開(kāi)始降落至緩沖段底部（T5+T6），未考慮地震載荷為3.0 s。同時(shí)運(yùn)行準(zhǔn)則中還規(guī)定了熱態(tài)時(shí)T4≤0.15 s，T4表示從保持鉤爪線圈電流降到33%額定值到棒束開(kāi)始降落之間的時(shí)間。

1.1 棒位探測(cè)器的測(cè)量原理

M310+的棒位探測(cè)器利用了電磁感應(yīng)原理的互感現(xiàn)象。互感現(xiàn)象是當(dāng)一線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，在臨近的另一線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。互感系數(shù)M表征2線圈之間產(chǎn)生互感能力的強(qiáng)弱?；ジ邢禂?shù)M的大小與2線圈的形狀、相對(duì)位置以及周圍磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ有關(guān)。當(dāng)形狀和位置確定不變時(shí)，就只與其內(nèi)部介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ成正比，可記為M=kμ。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)螺線管中通過(guò)的電流為i時(shí)，通過(guò)另一螺線管的磁通量為Φ=Mi=kμi；如果i隨時(shí)間發(fā)生變化，則Φ也發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，通過(guò)回路面積的磁通量Φ發(fā)生變化時(shí)，該回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε見(jiàn)式（1）。

如果，則有（2）式。

當(dāng)介質(zhì)磁導(dǎo)率不隨時(shí)間改變時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)與介質(zhì)磁導(dǎo)率及激磁電流I（有效值）成正比。若保持激勵(lì)電流（有效值）的恒定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就只與感應(yīng)線圈周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。當(dāng)感應(yīng)線圈中有鐵芯穿過(guò)時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生變化。

以福清核電廠為例，每臺(tái)棒位探測(cè)線圈包括1個(gè)原邊線圈，31個(gè)副邊（測(cè)量）線圈和2個(gè)輔助線圈；原邊線圈為一長(zhǎng)螺線管，沿驅(qū)動(dòng)軸整個(gè)上下行程繞制。為減少引出線數(shù)量，副邊線圈采用格萊碼自編碼方式被分為 5 組（A，B，C，D，E），每組按照串接反繞的方式連接在一起，與原邊線圈共軸；2個(gè)輔助線圈串接位于初級(jí)線圈兩端。

1.2 落棒時(shí)間測(cè)量原理

M310+應(yīng)用探測(cè)器原邊線圈的感應(yīng)電壓進(jìn)行落棒時(shí)間測(cè)量。根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象：在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?？刂瓢趄?qū)動(dòng)軸由磁性材料制成，落棒試驗(yàn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸導(dǎo)磁光桿與棒位探測(cè)器原邊線圈組合成1個(gè)動(dòng)鐵式磁電傳感器[1]。驅(qū)動(dòng)軸下落的過(guò)程中，在原邊線圈產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)測(cè)量和處理原邊線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和時(shí)間即可繪出落棒時(shí)間曲線。

1.3 落棒試驗(yàn)過(guò)程

福清核電廠棒控棒位系統(tǒng)中包括有落棒試驗(yàn)功能的Test Bench系統(tǒng)（測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)）。Test Bench需要采集原邊線圈感應(yīng)電壓信號(hào)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的保持線圈電流信號(hào)以及CRDM（Control Rod Drive Mechanism，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）聲音信號(hào)（聲音信號(hào)僅作參考）。原邊線圈電壓信號(hào)需通過(guò)專用的原邊線圈轉(zhuǎn)接板及落棒信號(hào)線從棒位設(shè)備房間引入，保持線圈電流信號(hào)從棒控電源柜前面板引入。

試驗(yàn)中，將選定的一個(gè)棒組提升至225步，將該棒組的一個(gè)子組的上述信號(hào)接入Test Bench，在Test Bench中選擇相應(yīng)試驗(yàn)項(xiàng)目，斷開(kāi)子組動(dòng)力電源，落棒完成后，Test Bench作出落棒曲線（圖1）并分析試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、顯示并打印。下一個(gè)子組、棒組重復(fù)上述試驗(yàn)步驟。

Test Bench一次只能連接和測(cè)量同一個(gè)子組4個(gè)棒束的落棒數(shù)據(jù)，在每個(gè)子組試驗(yàn)時(shí)都需要試驗(yàn)人員進(jìn)行接線連接和試驗(yàn)設(shè)定，因此該系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆運(yùn)行期間緊急停堆的落棒數(shù)據(jù)測(cè)量。

2 AP1000棒位探測(cè)技術(shù)

AP1000規(guī)定每次移動(dòng)反應(yīng)堆頂蓋之后，反應(yīng)堆臨界之前要驗(yàn)證黑棒的落棒時(shí)間≤2.47 s，落棒時(shí)間定義為，一束完全提出的控制棒從固定鉤爪線圈失去電源到進(jìn)入緩沖區(qū)前所用的時(shí)間[2]。

圖1 Test Bench落棒曲線

2.1 棒位探測(cè)器測(cè)量原理

AP1000的棒位探測(cè)器利用了電磁感應(yīng)中的自感現(xiàn)象。自感現(xiàn)象是由于線圈本身電流的變化而引起的。自感系數(shù)L表示線圈產(chǎn)生自感能力的強(qiáng)弱。，μ代表線圈中的介質(zhì)磁導(dǎo)率，S代表線圈面積，N代表線圈匝數(shù)，l代表線圈長(zhǎng)度。當(dāng)S，N，l不變時(shí)，有鐵芯線圈的自感系數(shù)比沒(méi)有鐵芯時(shí)大的多。

圖2 基本原理電路圖

在圖2電路中，線圈通以50 Hz交流電源，根據(jù)電磁理論，線圈感抗 XL=2πfL，回路電流，測(cè)量電阻R的分壓VR=IR。當(dāng)鐵芯沒(méi)有貫穿線圈時(shí)，VR=X；當(dāng)鐵芯貫穿線圈后L增大，XL增大，回路電流I減小，因此測(cè)量電阻R的分壓VR＜X。渦流損耗、磁滯損耗等效應(yīng)的影響較小可忽略。

AP1000每臺(tái)棒位探測(cè)器組件包括48個(gè)線圈，分別命名為A和B的2組，每組24個(gè)線圈交叉離散的固定在非磁性不銹鋼套筒上（圖3）。

圖3 AP1000數(shù)字棒位探測(cè)器

2.2 落棒時(shí)間測(cè)量原理

AP1000落棒試驗(yàn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸導(dǎo)磁光桿分別與棒位探測(cè)器A，B組線圈組合成2個(gè)動(dòng)鐵式磁電傳感器。驅(qū)動(dòng)軸下落的過(guò)程中，在A，B組線圈產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)測(cè)量和處理A，B組線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和時(shí)間即可繪出落棒時(shí)間曲線。

2.3 落棒試驗(yàn)過(guò)程

AP1000棒位系統(tǒng)中包含專門的落棒試驗(yàn)子系統(tǒng)（Rod Drop Test System，RDTS），包括位于A，B臺(tái)棒位數(shù)據(jù)采集柜內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集設(shè)備（Data Acquisition Equipment，DAQ）和一臺(tái)位于安全殼外的落棒試驗(yàn)柜。DAQ連接至A和B組線圈的6 V AC電源連接處。DAQ通過(guò)CAT-5局域網(wǎng)與安全殼外的落棒試驗(yàn)柜通信。

試驗(yàn)前，試驗(yàn)人員在系統(tǒng)中選定落棒試驗(yàn)的棒束并設(shè)定參數(shù)。試驗(yàn)開(kāi)始后，反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)向RDTS發(fā)出一個(gè)繼電器閉合觸點(diǎn)信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集；DAQ通過(guò)繼電器將探測(cè)器線圈115 V AC/6 V AC變壓器的主級(jí)線圈斷開(kāi)，將次級(jí)線圈短路（HI，LO）的方式，把變壓器切除出落棒測(cè)量回路[3]如圖4。通過(guò)檢測(cè)公共傳輸線電阻R4上的感應(yīng)電壓變化DAQ得到落棒時(shí)間曲線數(shù)據(jù)。落棒試驗(yàn)柜對(duì)落棒曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)和打印。

RDTS可同時(shí)進(jìn)行所有棒或1束棒、或1個(gè)子組棒、或1組棒的落棒試驗(yàn)。RDTS只在落棒試驗(yàn)或設(shè)備運(yùn)行驗(yàn)證期間運(yùn)行，也無(wú)法測(cè)量并記錄反應(yīng)堆運(yùn)行期間發(fā)生緊急停堆時(shí)的落棒數(shù)據(jù)。

3 改進(jìn)后的AP1000落棒時(shí)間測(cè)量技術(shù)

美國(guó)西屋電氣公司雖然在中國(guó)申請(qǐng)了AP1000落棒時(shí)間探測(cè)技術(shù)的專利保護(hù)，但該技術(shù)存在著缺點(diǎn)和不足[4]。

（1）公共導(dǎo)線上的電阻R4很小且很難保證多個(gè)棒束測(cè)量的一致性。

（2）很難實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆運(yùn)行期間緊急停堆的落棒測(cè)試。

針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)產(chǎn)化廠家對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。在棒位探測(cè)器A和B組棒位測(cè)量線圈的基礎(chǔ)上，增加專用的落棒測(cè)試線圈，每個(gè)落棒測(cè)試線圈首尾相接，形成2個(gè)測(cè)試感應(yīng)電壓的引出端（圖5）。電廠正常運(yùn)行期間落棒系統(tǒng)投入運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行期間緊急停堆時(shí)落棒數(shù)據(jù)的測(cè)量。

該改進(jìn)在落棒測(cè)量時(shí)只需斷開(kāi)棒位測(cè)量線圈變壓器，無(wú)需切除變壓器，并可測(cè)量反應(yīng)堆緊急停堆時(shí)的落棒數(shù)據(jù)，提高了測(cè)試的可靠性。

圖4 AP1000落棒感應(yīng)電壓測(cè)量電路

圖5 國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)后的落棒感應(yīng)電壓測(cè)量電路

4 三種落棒時(shí)間測(cè)量技術(shù)的差異性分析

（1）M310+和AP1000落棒時(shí)間測(cè)量技術(shù)參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 落棒時(shí)間測(cè)量技術(shù)參數(shù)的對(duì)比

分析結(jié)果表明：M310+要求驗(yàn)證T4時(shí)間，T4時(shí)間起始點(diǎn)為保持鉤爪線圈電流降到33%額定值，因此試驗(yàn)中需要采集鉤爪線圈電流。而AP1000的落棒時(shí)間起始點(diǎn)為固定鉤爪線圈失去電源，無(wú)需采集鉤爪線圈電流，從而簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這時(shí)由驗(yàn)收準(zhǔn)則的差異造成的。

（2）Test Bench一次只能測(cè)量同一個(gè)子組4個(gè)棒束的落棒數(shù)據(jù)，每個(gè)子組試驗(yàn)時(shí)都需要試驗(yàn)人員進(jìn)行1次接線連接和試驗(yàn)設(shè)定，測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，人員工作量大，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)；RDTS可同時(shí)進(jìn)行所有棒、或1束棒、或1個(gè)子組棒、或1組棒的落棒試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)無(wú)需改造設(shè)備硬件，在落棒試驗(yàn)或慢速棒重測(cè)試驗(yàn)中，AP1000的選擇更加靈活，可大大簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程，大量減少大修期間的試驗(yàn)時(shí)間，可對(duì)縮短大修周期有一定貢獻(xiàn)。

（3）國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)的AP1000棒位探測(cè)器增加了專用落棒測(cè)量線圈，試驗(yàn)中只需斷開(kāi)無(wú)需切除棒位測(cè)量線圈變壓器，進(jìn)一步提高了測(cè)試的可靠性；改進(jìn)后的落棒試驗(yàn)系統(tǒng)可在反應(yīng)堆運(yùn)行中測(cè)量緊急停堆時(shí)的落棒數(shù)據(jù)，可方便及時(shí)收集落棒數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高反應(yīng)堆的安全性。

5 結(jié)論

2種棒位探測(cè)器分別采用了電磁感應(yīng)原理中的互感現(xiàn)象和自感現(xiàn)象設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)差異很大，也造成了2種堆頂落棒時(shí)間測(cè)量的差異。AP1000在簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程，縮短大修周期方面表現(xiàn)突出。國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)后的新型AP1000棒位探測(cè)器及其落棒試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了落棒時(shí)間測(cè)量的可靠性和及時(shí)性。建議采用Test Bench系統(tǒng)的核電機(jī)組進(jìn)行設(shè)備改造，使其具備同時(shí)測(cè)量所有棒、1束棒、1組棒落棒時(shí)間和測(cè)量反應(yīng)堆緊急停堆時(shí)落棒數(shù)據(jù)的能力，以簡(jiǎn)化落棒試驗(yàn)過(guò)程，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

[1]鐘艷敏.王源.付仿松，秦山核電二期工程反應(yīng)堆控制棒落棒性能測(cè)試[J].核動(dòng)力工程，2003，24（2）：221-223.

[2]Westinghouse.AP1000 Design Control Document[Z].Revision 16，May 2007.

[3]Analysis And Measurement Services Corporation，Advanced digital control rod position indication system with rod drop monitoring for nuclear power plants：USA，US8351561 B2，2013-1-8.

[4]國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司，核電站棒位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：中國(guó)，CN202205469 U，2012-4-25.