高通量工程試驗(yàn)堆臨界裝置儀控系統(tǒng)改造

王 雷，江易蔚，蔣 波，李 普，何佳謙

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都610005）

高通量工程試驗(yàn)堆臨界裝置HFETRC（high flux engineering test reactor critical assembly）承擔(dān)高通量工程試驗(yàn)堆HFETR 零功率物理試驗(yàn)研究的任務(wù)，自2007年完成元件低濃化試驗(yàn)后長(zhǎng)期處于封存狀態(tài)。

目前，某在建的試驗(yàn)堆堆芯、孔道布置方案與HFETR 均不相同，采用的燃料組件、控制棒組件等堆芯部件與HFETR 也有所不同。為檢驗(yàn)該新建試驗(yàn)堆堆芯核設(shè)計(jì)計(jì)算程序的計(jì)算精度和可靠性，需要在HFETRC 上開(kāi)展新建試驗(yàn)堆臨界物理試驗(yàn)。

根據(jù)新建試驗(yàn)堆臨界物理試驗(yàn)要求，在恢復(fù)HFETRC 功能的前提下，需要對(duì)臨界裝置進(jìn)行相應(yīng)改造。

1 HFETRC 儀控系統(tǒng)現(xiàn)狀

HFETRC 儀控系統(tǒng)根據(jù)HFETR 臨界試驗(yàn)條件進(jìn)行建造，系統(tǒng)整體仿照高通量堆儀控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括核測(cè)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)、棒控系統(tǒng)和輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1）核測(cè)系統(tǒng) 利用核探測(cè)器對(duì)臨界裝置中子注量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并設(shè)置保護(hù)閾值，將保護(hù)信號(hào)提供給保護(hù)系統(tǒng)[1]；2）保護(hù)系統(tǒng) 將核測(cè)系統(tǒng)各個(gè)通道提供的保護(hù)信號(hào)通過(guò)保護(hù)邏輯進(jìn)行整合，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作并提供報(bào)警信號(hào)輸入；3）信號(hào)報(bào)警系統(tǒng) 將設(shè)備的工作狀態(tài)通過(guò)光字牌并結(jié)合聲光報(bào)警進(jìn)行顯示[2]；4）棒控系統(tǒng) 執(zhí)行操縱人員控制指令，通過(guò)改變控制棒插入堆芯的位置控制反應(yīng)性，并在緊急情況下執(zhí)行安全棒落棒等操作，確保反應(yīng)堆運(yùn)行安全[3]；5）輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 相對(duì)獨(dú)立，用于檢測(cè)試驗(yàn)環(huán)境輻射劑量，確保人員安全。

由于臨界裝置長(zhǎng)期封存，在前期檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)臨界裝置儀控系統(tǒng)插件損壞較為嚴(yán)重，且原有儀控系統(tǒng)并不滿足新建試驗(yàn)堆臨界物理試驗(yàn)操作要求，因此在恢復(fù)原有系統(tǒng)功能的前提下對(duì)臨界裝置進(jìn)行了相關(guān)改造。改造內(nèi)容包括在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)控制邏輯的改造、根據(jù)試驗(yàn)要求需要新增的改造及維修改造，涉及棒控系統(tǒng)、掉棒時(shí)間測(cè)量和外電源失電保護(hù)等模塊。

2 控制邏輯改造

控制邏輯改造主要針對(duì)棒控系統(tǒng)進(jìn)行改造。HFETRC 棒控系統(tǒng)由低壓電源、X 環(huán)節(jié)、 安全聯(lián)鎖、控制條件、棒控邏輯、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等插件組成。棒控系統(tǒng)組成如1 所示。

圖1 棒控系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of rod control system

X 環(huán)節(jié)接收所有棒到底信號(hào)，將觸點(diǎn)信號(hào)輸送到保護(hù)機(jī)柜，作為保護(hù)投入的必要條件；

安全聯(lián)鎖安全連鎖邏輯條件包括只有保護(hù)投入安全棒才能正常提棒，只有安全棒全部到頂手動(dòng)棒才能提棒；

控制條件勵(lì)磁監(jiān)督、位置指示器正常作為提棒動(dòng)作的必要條件；

邏輯電路接收各種控制條件和操作命令，進(jìn)行邏輯組合，給出驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)；

驅(qū)動(dòng)電路接收邏輯電路信號(hào)控制電機(jī)方向和轉(zhuǎn)速。

臨界裝置采用2 根安全棒進(jìn)行臨界監(jiān)督，但新建試驗(yàn)堆設(shè)計(jì)有4 根安全棒，這將導(dǎo)致臨界裝置原有棒控系統(tǒng)控制邏輯無(wú)法滿足此次臨界試驗(yàn)要求。棒控系統(tǒng)安全棒和手動(dòng)棒的主要區(qū)別在于，安全棒在緊急情況下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的電磁離合器會(huì)失電引起安全棒自由落體插入堆芯，使反應(yīng)堆停閉，同時(shí)安全棒到頂作為手動(dòng)棒提升條件，能夠防止手動(dòng)棒提升過(guò)程中導(dǎo)致瞬發(fā)臨界事件的產(chǎn)生。雖然臨界裝置僅有2 根控制棒作為安全棒，但仍有另外4 根控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中帶有電磁離合器，因此要達(dá)到新建試驗(yàn)堆臨界試驗(yàn)具備4 根安全棒的要求，僅需要對(duì)原有2 根帶有電磁離合器的手動(dòng)棒控制邏輯進(jìn)行改造，將其控制邏輯改造為安全棒控制邏輯。

HFETRC 控制棒分為安全棒2 根、手動(dòng)棒8 根、自動(dòng)棒2 根（自動(dòng)棒執(zhí)行手動(dòng)棒控制邏輯）；新建試驗(yàn)堆臨界試驗(yàn)所需控制棒為安全棒4 根、 手動(dòng)棒6根、自動(dòng)棒2 根。臨界裝置與臨界試驗(yàn)控制棒的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 臨界裝置與臨界試驗(yàn)控制棒的對(duì)比Tab.1 Comparison of control rods for critical device and critical test

根據(jù)HFETRC 控制棒原有布局，結(jié)合臨界試驗(yàn)方案堆芯布置及現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置情況，選取原3SB、6SB 手動(dòng)棒改造為3AB、6AB 安全棒。安全棒和手動(dòng)棒的控制條件與安全聯(lián)鎖條件不同。將原3SB、6SB 手動(dòng)棒改造為3AB、6AB 安全棒的前后控制條件及安全聯(lián)鎖條件的變化見(jiàn)表2。

臨界裝置控制棒棒控邏輯全部由邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)控制棒邏輯變化，同時(shí)減小改造范圍，采取對(duì)電路局部調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)控制棒控制方式的改造。

在棒控機(jī)柜3KG 安全聯(lián)鎖電路上，斷開(kāi)1AB和2AB 到頂信號(hào)送至3SB 棒控邏輯電路輸入端的信號(hào)，并增加一路保護(hù)投入信號(hào)送至3SB 棒控邏輯輸入端 （6SB 的電路調(diào)整在棒控機(jī)柜4KG 上完成，操作同上）。調(diào)整后，可實(shí)現(xiàn)安全棒提升條件邏輯的變化，其電路修改如圖2 所示。

表2 棒控系統(tǒng)改造前后邏輯條件的對(duì)比Tab.2 Comparison of logic conditions before and after rod control system modification

圖2 安全聯(lián)鎖電路調(diào)整前后的對(duì)比Fig.2 Comparison of safety interlock circuit before and after adjustment

在3SB 棒控邏輯電路中，引出2 對(duì)控制棒到頂常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)，分別至機(jī)柜3KG 和機(jī)柜4KG 的安全聯(lián)鎖電路中。其中，一對(duì)觸點(diǎn)信號(hào)與機(jī)柜3KG 上1AB 到頂常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)串聯(lián)接入，另一對(duì)觸點(diǎn)信號(hào)與4KG 上1AB 到頂常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)串聯(lián)接入。

在6SB 棒控邏輯電路中，引出2 對(duì)控制棒到頂常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)，分別至機(jī)柜3KG 和機(jī)柜4KG 的安全聯(lián)鎖電路中。其中，一對(duì)觸點(diǎn)信號(hào)與機(jī)柜3KG 上2AB 到頂常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)串聯(lián)接入，另一對(duì)觸點(diǎn)信號(hào)與4KG 上2AB 到頂常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)串聯(lián)接入。調(diào)整后，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)棒提升控制邏輯的變化，其電路修改如圖3 所示。

在操作臺(tái)3SB 操作開(kāi)關(guān)上，斷開(kāi)3SB 的手動(dòng)下降輸出觸點(diǎn)，在操作臺(tái)上慢停堆開(kāi)關(guān)上引出一對(duì)慢停堆常開(kāi)觸點(diǎn)，接入棒控邏輯電路中原3SB 手動(dòng)下降輸入端，用慢停堆信號(hào)替代了原手動(dòng)下降功能（6SB 電路調(diào)整操作同上），調(diào)整后可實(shí)現(xiàn)慢停堆驅(qū)動(dòng)條件的變化。

電路調(diào)整后，在棒控測(cè)試機(jī)柜對(duì)棒控邏輯電路進(jìn)行調(diào)速，將調(diào)整后的3SB、6SB 提升和下降棒速調(diào)整至20 mm/s，使其滿足了安全棒提升和手動(dòng)下降速度。自此，在不破壞原電路板結(jié)構(gòu)的條件下，通過(guò)更改輸入輸出邏輯，實(shí)現(xiàn)3SB 和6SB 從手動(dòng)棒到安全棒最小化和最優(yōu)化的改造。

3 落棒時(shí)間測(cè)量改造

安全棒落棒時(shí)間是關(guān)系反應(yīng)堆安全的重要參數(shù)。HFETRC 落棒時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，所測(cè)時(shí)間為安全棒離頂信號(hào)（上行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作）至安全棒到底信號(hào)（下行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作）之間的時(shí)間。但是，由于臨界裝置為防止安全棒落棒時(shí)撞擊底部發(fā)生反彈，在驅(qū)動(dòng)裝置底部設(shè)置有一定距離的緩沖段，從而將控制棒快速下降行程分為自由落體段與緩沖段?？焖偻６褧r(shí)，安全棒在自由下落到緩沖段后，由伺服電機(jī)帶動(dòng)下插到底，由下行程開(kāi)關(guān)來(lái)觸發(fā)制動(dòng)電路使電機(jī)停止。如果測(cè)量包括緩沖段在內(nèi)的安全棒落棒時(shí)間，則落棒時(shí)間必然超出臨界試驗(yàn)安全限值，且不具備參考意義。因此，在自由落體行程段末尾，新增加一個(gè)行程開(kāi)關(guān)用于落棒計(jì)時(shí)，確保改造后的落棒時(shí)間測(cè)量?jī)H測(cè)量安全棒自由落體段的時(shí)間。

圖3 手動(dòng)棒棒控邏輯電路調(diào)整前后對(duì)比Fig.3 Before and after adjustment of manual control rod logic circuit

在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)旁增加的落棒計(jì)時(shí)行程開(kāi)關(guān)如圖4所示。當(dāng)控制棒下落到對(duì)應(yīng)高度時(shí)，開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)改變，但不影響安全棒繼續(xù)下落。其安裝高度可調(diào)整，使對(duì)應(yīng)落棒行程為800～950 mm。當(dāng)新增落棒行程計(jì)時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，指示燈點(diǎn)亮，由此通過(guò)位置指示器觀察落棒行程，新增行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作點(diǎn)可通過(guò)前面板指示燈觀測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，落棒時(shí)間由時(shí)間測(cè)量裝置指示。

臨界裝置的時(shí)間測(cè)量插件，只能測(cè)量裝置上原有的限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化作為時(shí)間終點(diǎn)的掉棒時(shí)間，為適應(yīng)新的掉棒時(shí)間測(cè)量方法，需要對(duì)時(shí)間測(cè)量插件進(jìn)行改造。時(shí)間測(cè)量插件的改進(jìn)原理如圖5 所示。

由圖可見(jiàn)，在時(shí)間測(cè)量插件后面板上增加1 個(gè)選擇開(kāi)關(guān)，在插件前面板上增加1 個(gè)指示燈。在做落棒時(shí)間測(cè)量時(shí)，如選擇開(kāi)關(guān)向上撥到 “全程”位置，則計(jì)時(shí)終點(diǎn)為原下限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，此時(shí)插件顯示全行程落棒時(shí)間；如選擇開(kāi)關(guān)向下?lián)艿健翱焖佟蔽恢?，則計(jì)時(shí)終點(diǎn)為新增行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，此時(shí)插件顯示快速落棒時(shí)間。新增的指示燈只有在控制棒下落到新增行程開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)位置后才點(diǎn)亮，以配合位置指示器監(jiān)視新增行程開(kāi)關(guān)所對(duì)應(yīng)的控制棒位置。

圖4 新設(shè)限位開(kāi)關(guān)示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of the new limit switch

圖5 時(shí)間測(cè)量插件改造Fig.5 Time measurement plug-in modification

圖5 中“新增電路”框內(nèi)為此次改造的內(nèi)容：

1）當(dāng)S3 選擇開(kāi)關(guān)置“1”位置時(shí)，該插件測(cè)量的全行程落棒時(shí)間，其測(cè)量原理與變更前相同；當(dāng)下限位開(kāi)關(guān)LX1 由常閉變?yōu)榇蜷_(kāi)時(shí)，停止計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器顯示落棒時(shí)間。

2）當(dāng)S3 選擇開(kāi)關(guān)置“2”位置時(shí)，該插件測(cè)量的為自由落體段落棒時(shí)間，LX2 為新增落棒計(jì)時(shí)行程開(kāi)關(guān)。當(dāng)LX2-1 由常閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_(kāi)時(shí)，停止計(jì)時(shí)，LX2-2 由常開(kāi)變?yōu)槌ｉ]，H1 指示燈亮，計(jì)數(shù)器顯示出快速落棒時(shí)間。

3）將被測(cè)試的安全棒提升到頂，慢速下插，當(dāng)安全棒降到時(shí)間測(cè)量插件前面板指示燈亮?xí)r停止下插，在位置指示器上讀出棒下插行程，該行程即為安全棒落棒測(cè)量時(shí)間所對(duì)應(yīng)的落棒行程（該行程≥800 mm）。

4 外電源失電保護(hù)信號(hào)改造

發(fā)生斷電事故時(shí)，反應(yīng)堆通過(guò)UPS 供電，將會(huì)嚴(yán)重影響反應(yīng)堆的運(yùn)行安全，因而要求通過(guò)“外電源失電”保護(hù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)立即停堆。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，原失電監(jiān)督繼電器供電接到了UPS 后，外電源失電，UPS對(duì)繼電器正常供電，無(wú)法起到對(duì)外電失電的監(jiān)督作用。而且，外電源失電原為黃牌警告報(bào)警信號(hào)，現(xiàn)需要修改為紅牌停堆保護(hù)信號(hào)。

在外電源失電保護(hù)信號(hào)改造中，首先將失電監(jiān)督繼電器線圈供電轉(zhuǎn)移到UPS 之前，采用外電源進(jìn)行供電。當(dāng)外電丟失后，機(jī)柜繼續(xù)通過(guò)UPS 供電，但外電源監(jiān)督繼電器觸點(diǎn)信號(hào)發(fā)生變化，觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)停堆動(dòng)作。HFETRC 供電系統(tǒng)原理如圖6 所示。

圖6 HFETRC 供電系統(tǒng)原理Fig.6 HFETRC power supply system schematic

HFETRC 報(bào)警系統(tǒng)安裝在1KG 機(jī)柜，查看5KG端子接線圖后可找到外電源失電監(jiān)督繼電器，接線去向?yàn)?KG-X3-9 和1KG-X3-10，驗(yàn)證了1KG-X3-9和1KG-X3-10 的2 根線為繼電器輸出到報(bào)警系統(tǒng)的觸點(diǎn)信號(hào)。改造后，需要將繼電器輸出的觸點(diǎn)信號(hào)連接至保護(hù)系統(tǒng)，由保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)停堆并觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲光信號(hào)。經(jīng)檢查1KG 端子接線表，發(fā)現(xiàn)備用的保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)接線端子X(jué)4-11 和X4-12，如圖7 所示，將失電監(jiān)督繼電器輸出的觸點(diǎn)信號(hào)接到備用端子上，同時(shí)將該信號(hào)并聯(lián)至2KG 相同位置，完成失電監(jiān)督改造。經(jīng)功能驗(yàn)證，改造后外電源失電保護(hù)動(dòng)作正常。

圖7 HFETRC 報(bào)警信號(hào)和保護(hù)信號(hào)接線端子Fig.7 HFETRC alarm and protection signal terminals

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)新建試驗(yàn)堆臨界試驗(yàn)，對(duì)HFETRC 提出的改造要求，對(duì)HFETRC 棒控系統(tǒng)、掉棒時(shí)間測(cè)量插件和外電源失電保護(hù)監(jiān)督進(jìn)行了改造。改造在原有電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了小范圍的電路調(diào)整，并進(jìn)行了充分的電路分析，能夠最大限度地保證改造的科學(xué)性和安全性。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，改造內(nèi)容安全可靠，保障了HFETRC 試驗(yàn)的順利進(jìn)行。