鉑探測(cè)器在重水堆核電站二號(hào)停堆系統(tǒng)中的應(yīng)用與維護(hù)

張振超，徐清華，劉 錚

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修五處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

鉑探測(cè)器是自給能探測(cè)器的一種。鉑探測(cè)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、測(cè)量范圍寬、不需外加電源、噪聲影響小、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于堆芯中子測(cè)量。鉑探測(cè)器作為核反應(yīng)堆芯部各個(gè)區(qū)域中子通量密度的檢測(cè)儀表，可以實(shí)現(xiàn)高功率范圍的精確地快速測(cè)量，為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供精準(zhǔn)可靠的區(qū)域功率保護(hù)信號(hào)，在重水堆核電站二號(hào)停堆系統(tǒng)中有重要應(yīng)用。

1 二號(hào)停堆系統(tǒng)簡(jiǎn)介

二號(hào)停堆系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱SDS#2）作為重水堆核電站特有的4個(gè)專設(shè)安全系統(tǒng)之一，通過向慢化劑中注入中子毒物溶液（硝酸釓溶液）來快速終止反應(yīng)堆的自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，減少核燃料中產(chǎn)生的能量，保護(hù)反應(yīng)堆的安全，是第二套可以快速停閉反應(yīng)堆的保護(hù)系統(tǒng)。

SDS#2在設(shè)計(jì)上采用三取二邏輯觸發(fā)回路，3個(gè)獨(dú)立的通道相互間隔離，任意一個(gè)通道上的參數(shù)脫扣都能導(dǎo)致相應(yīng)通道的脫扣，而不會(huì)影響其他兩個(gè)通道。只有兩個(gè)或以上的通道觸發(fā)后才導(dǎo)致SDS#2動(dòng)作。

區(qū)域超功率停堆（以下簡(jiǎn)稱ROPT）參數(shù)是SDS#2的一個(gè)重要停堆參數(shù)，堆芯區(qū)域功率信號(hào)由鉑探測(cè)器提供。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在緩慢喪失調(diào)節(jié)或任何其它原因引起燃料超功率，在燃料局部燒干前，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。每條通道（G、H、J）各有8個(gè)鉑探測(cè)器，每個(gè)鉑探測(cè)器提供一個(gè)單通道脫扣信號(hào)。其中的3個(gè)探測(cè)器信號(hào)送入PDC計(jì)算反應(yīng)堆當(dāng)前功率，作為各個(gè)停堆參數(shù)整定值運(yùn)算的函數(shù)。

2 SDS#2鉑探測(cè)器介紹

鉑探測(cè)器由發(fā)射體、絕緣體、收集體及電纜等組成，中心電極為發(fā)射體，由鉑制成。探測(cè)器的外殼即是收集體，收集體由核級(jí)因科鎳600制成。發(fā)射體和收集體之間是絕緣體，由MgO制成。鉑探測(cè)器的電纜與探測(cè)器處于相同的輻射場(chǎng)中，所以不能使用有機(jī)絕緣材料，必須采用金屬外殼—無機(jī)絕緣—金屬芯線同軸電纜，金屬材料用因科鎳，無機(jī)絕緣材料仍用MgO[2]。

工作原理：發(fā)射體原子核俘獲中子之后形成處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)合核，復(fù)合核在退激過程中輻射γ射線，γ射線與探測(cè)器材料通過康普頓散射、光電效應(yīng)以及產(chǎn)生電子對(duì)等相互作用，轉(zhuǎn)化為核能電子，這些電子的發(fā)射，就形成了探測(cè)器的正比于中子通量的電流[1]，通過測(cè)量這個(gè)電流就可以測(cè)出中子通量，也就可以測(cè)出反應(yīng)堆的功率，為SDS#2提供ROPT參數(shù)。

3 SDS#2鉑探測(cè)器的安裝

SDS#2鉑探測(cè)器的敏感段放置于排管容器內(nèi)的導(dǎo)向管中，24根鉑探測(cè)器分別安裝在7個(gè)水平方向的探測(cè)器組件中。每個(gè)探測(cè)器組件有11個(gè)毛細(xì)導(dǎo)管，最多能同時(shí)安裝11個(gè)鉑探測(cè)器。探測(cè)器組件把鉑探測(cè)器密封地安裝于毛細(xì)導(dǎo)管中特定的位置，并充上氦氣，以保護(hù)鉑探測(cè)器及其電纜。

4 SDS#2鉑探測(cè)器回路的工作原理

SDS#2中每個(gè)鉑探測(cè)器測(cè)量回路包括：可調(diào)節(jié)的放大器增益、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器、偏差信號(hào)回路、脫扣比較器、試驗(yàn)電路、隔離放大器。鉑探測(cè)器產(chǎn)生的電流信號(hào)，經(jīng)過專用的屏蔽雙絞電纜，送到設(shè)備間的ROPT放大器，在ROPT放大器中進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換放大，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，差動(dòng)補(bǔ)償，在ROPT放大器中分成兩路信號(hào)，一路與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果大于設(shè)定值，則送出脫扣信號(hào)到通道脫扣邏輯中，使通道脫扣，如果3個(gè)通道中有2個(gè)脫扣，則SDS#2動(dòng)作，反應(yīng)堆停堆；另一路經(jīng)過緩沖后送出到隔離卡件中，送到主控室用于指示實(shí)際功率。另外脫扣設(shè)定值經(jīng)過緩沖后，送到隔離卡件中，經(jīng)過隔離后送到主控室用于設(shè)定值指示。隔離卡件主要對(duì)指示表和ROPT放大器進(jìn)行信號(hào)的隔離，避免各指示表信號(hào)和放大器信號(hào)之間的相互影響，從而提高整個(gè)回路的可靠性。

在反應(yīng)堆底部的SDS#2鉑探測(cè)器相對(duì)較少，因而該系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)堆底部出現(xiàn)的超功率敏感度較差。為了補(bǔ)償這一弱點(diǎn)，使用了差動(dòng)補(bǔ)償回路。該回路給出頂部到底部通量?jī)A斜的信息。差動(dòng)補(bǔ)償回路從某種程度構(gòu)成一個(gè)虛擬探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)，將該差動(dòng)補(bǔ)償回路的輸出信號(hào)與從一個(gè)真實(shí)探測(cè)器來的信號(hào)做同樣處理，并在需要時(shí)用作通道停堆參數(shù)。

5 鉑探測(cè)器的性能檢查及故障診斷

對(duì)于鉑探測(cè)器的性能檢查及故障診斷有兩個(gè)重要的參數(shù)，即絕緣阻抗和電容。探測(cè)器組件中的氦氣環(huán)境也是影響鉑探測(cè)器穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

5.1 絕緣阻抗

鉑探測(cè)器的絕緣阻抗低（小于106Ω）將產(chǎn)生較大漏電流，會(huì)隱沒信號(hào)電流，使鉑探測(cè)器無法正常工作。一個(gè)沒有受過輻照的鉑探測(cè)器在室溫條件下，絕緣阻抗應(yīng)大于1013Ω，在400℃絕緣阻抗應(yīng)大于108Ω[3]。當(dāng)探測(cè)器在一個(gè)運(yùn)行的反應(yīng)堆中時(shí)，絕緣阻抗大約降為108Ω，但探測(cè)器仍能正常工作，在裝入反應(yīng)堆堆芯前后必須進(jìn)行絕緣阻抗的測(cè)試，以便對(duì)鉑探測(cè)器進(jìn)行故障診斷。

5.2 電容

電容是鉑探測(cè)器的另一個(gè)重要參數(shù)，電容值應(yīng)在出廠值的±0.10nF范圍內(nèi)[2]。測(cè)量電容的目的是檢查探測(cè)器各個(gè)部件之間連接的可靠性，例如探測(cè)器絕緣電阻很高，但分布電容很低，甚至為0，說明各部件之間連接存在接觸不良或斷開。測(cè)量電容便于探測(cè)器發(fā)生故障時(shí)分析檢查。

5.3 探測(cè)器組件氦氣環(huán)境

探測(cè)器組件中充有高純氦氣，用于保護(hù)鉑探測(cè)器。每個(gè)探測(cè)器組件內(nèi)的氦氣壓力在安裝或調(diào)試期間進(jìn)行測(cè)量并記錄，如果壓力過低則需檢查探測(cè)器組件有無損壞，連接處是否有泄漏，如果探測(cè)器組件有損壞則必須更換，如果連接處有泄漏則要緊固或更換密封圈，并充氣到100±3kPa（g）。在反應(yīng)堆運(yùn)行后，每5年必須檢查一次探測(cè)器組件中氦氣壓力，如果壓力低于35kPa（g），則需要用高純氦氣對(duì)探測(cè)器組件進(jìn)行充氣[3]。

5.4 在役鉑探測(cè)器絕緣阻抗

鉑探測(cè)器在堆芯會(huì)受到輻照，受輻照后的鉑探測(cè)器的絕緣阻抗不能直接用高阻計(jì)進(jìn)行測(cè)量，可以在鉑探測(cè)器的放大器的前面板按下探測(cè)器阻抗檢查按鈕，此時(shí)放大器內(nèi)部的一個(gè)1MΩ的電阻與鉑探測(cè)器串聯(lián)，用萬用表測(cè)量放大器的輸出電壓Vt；松開按鈕，測(cè)量放大器的輸出電壓Vo。可以用以下公式計(jì)算出鉑探測(cè)器絕緣阻抗：

如果測(cè)出的絕緣阻抗小于108Ω，則證明鉑探測(cè)器性能下降，需要更換鉑探測(cè)器。

6 鉑探測(cè)器的更換

圖1 鉑探測(cè)器組件吹掃和充氣管路圖Fig.1 Platinum detector components purge and inflatable piping diagram

由于鉑探測(cè)器安裝在探測(cè)器組件的毛細(xì)導(dǎo)管中，而且毛細(xì)導(dǎo)管中充有100kPa的保護(hù)氣體，因而需要用設(shè)計(jì)的探測(cè)器組件吹掃充氣裝置，把組件中探測(cè)器保護(hù)氣體置換后卸壓，新探測(cè)器安裝后，需要對(duì)探測(cè)器組件進(jìn)行氣體置換和充壓。

6.1 探測(cè)器組件氦氣置換及泄壓操作

打開探測(cè)器組件頂蓋前，需要用高純氦氣對(duì)探測(cè)器組件進(jìn)行吹掃，吹掃的氣體排到通風(fēng)系統(tǒng)中。按照?qǐng)D1“探測(cè)器組件吹掃和充氣管路圖”連接氦氣的氣路管線，連接完成后關(guān)閉V1和V2，并確認(rèn)兩個(gè)PRV1和PRV2的輸出已調(diào)到最小值，打開氦氣瓶的出口閥，調(diào)整PRV1的輸出到1MPa左右，調(diào)整PRV2的輸出為100kPa，打開V1，并擰松母快接頭，對(duì)管路進(jìn)行吹掃，使氦氣充滿管路，擰緊母快接頭，關(guān)閉V1，并把母快接頭連接到鉑探測(cè)器的充氦氣的公快接頭上。打開V2，打開真空泵，確認(rèn)真空表PI-4的壓力開始下降。打開探測(cè)器組件上的公快接頭前的通氣閥，打開1～2圈，繼續(xù)抽真空，直到真空表PI-4的指示真空度大于10kPa。關(guān)閉V2，慢慢打開V1，對(duì)探測(cè)器組件進(jìn)行充氣。檢查PI-3維持在100kPa，充氣大約3min。關(guān)閉V1，慢慢打開V2，對(duì)探測(cè)器組件抽真空。如此抽氣充氣重復(fù)5次并最后泄壓。

6.2 鉑探測(cè)器安裝操作

探測(cè)器組件的掃氣完成后，用內(nèi)六角扳手卸下探測(cè)器組件的端蓋上的螺栓和墊片。拆下探測(cè)器組件的端蓋及端蓋密封O型圈，拆下探測(cè)器組件的端蓋后可見探測(cè)器的LEMO連接接頭，從底座的LEMO插孔上拔掉舊探測(cè)器的LEMO接頭，在舊的探測(cè)器的LEMO接頭的正負(fù)極上連上225Ω電阻。這樣損壞的鉑探測(cè)器留在探測(cè)器組件中，不會(huì)影響其他鉑探測(cè)器。如果要把舊的鉑探測(cè)器抽出，則需要STERN LAB MARK II專用工具；如果鉑探測(cè)器組件中有足夠的備用毛細(xì)導(dǎo)管，在整個(gè)壽期內(nèi)都能滿足要求，則不需要把舊鉑探測(cè)器拔出。

用鉑探測(cè)器安裝工具將新的鉑探測(cè)器緩慢插入毛細(xì)導(dǎo)管，再將探測(cè)器的LEMO接頭接到皮安電流計(jì)上，測(cè)量新的探測(cè)器的輸出電流。如果新探測(cè)器的輸出電流穩(wěn)定并與實(shí)際的功率水平相匹配，則說明鉑探測(cè)器正常，可以把新探測(cè)器的LEMO接頭插到LEMO插孔上，回裝探測(cè)器組件端蓋。

6.3 探測(cè)器組件氦氣置換及充壓操作

確認(rèn)組件端蓋正確安裝后，按照?qǐng)D1的吹掃管路圖，用高純氦氣吹掃探測(cè)器組件5次，最后把探測(cè)器組件內(nèi)部壓力充到100KPa。這樣新的鉑探測(cè)器就算完全安裝好了。

新的鉑探測(cè)器安裝完成后，需要在設(shè)備間再次測(cè)量連上電纜的鉑探測(cè)器的阻抗和電容，測(cè)量輸出的電流，并確認(rèn)電流是否穩(wěn)定。確認(rèn)鉑探測(cè)器可用之后，就可以把探測(cè)器投入到二號(hào)停堆系統(tǒng)中了。

7 結(jié)束語(yǔ)

鉑探測(cè)器作為核測(cè)儀表的一種，為反應(yīng)堆提供可靠的區(qū)域功率保護(hù)信號(hào)，其在重水堆核電站SDS#2系統(tǒng)中的重要性是顯而易見的。因此，鉑探測(cè)器的維護(hù)，故障診斷以及更換是非常重要的。

在重水堆核電站中應(yīng)用的鉑探測(cè)器預(yù)計(jì)能正常工作而不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)性失效，最短壽命可達(dá)20年。因此，在壓力管更換之間的整個(gè)服務(wù)期內(nèi)，它們能完全履行其“安全系統(tǒng)”的使命，因而建議反應(yīng)堆更換壓力管時(shí)，同時(shí)更換鉑探測(cè)器。