某研究性反應(yīng)堆堆外核測(cè)量系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

王亞婷，張明葵，宋云鵬，呂 征，郭志家

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

某研究性反應(yīng)堆是以中國(guó)原子能科學(xué)研究院101 研究堆為原型設(shè)計(jì)的重水反應(yīng)堆，額定核功率為15MW[1]。反應(yīng)堆在啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，必須對(duì)堆芯核功率進(jìn)行連續(xù)不斷地測(cè)量和監(jiān)視，以保證反應(yīng)堆的安全。監(jiān)測(cè)手段一般分為堆內(nèi)和堆外兩種。堆內(nèi)核測(cè)量系統(tǒng)由于受到堆內(nèi)高輻射和探測(cè)器壽命限制，一般僅用于定期獲得堆芯功率分布，無法做到連續(xù)監(jiān)測(cè)。因此，只能借助堆外核測(cè)量系統(tǒng)對(duì)堆芯功率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)[2-3]。堆外核測(cè)量系統(tǒng)通過電離室探測(cè)器，連續(xù)測(cè)量反應(yīng)堆堆芯外一定位置上，從30W ～30MW（200%額定功率狀態(tài)）的中子注量率信息，提供用于反應(yīng)堆的安全保護(hù)及自動(dòng)功率調(diào)節(jié)的輸入信號(hào)，向運(yùn)行人員提供反應(yīng)堆停堆、啟堆和運(yùn)行期間反應(yīng)堆的核功率，保證反應(yīng)堆的安全運(yùn)行[4]。

圖1 電離室布置及功能分配示意圖Fig.1 Schematic diagram of ionization chamber layout and function distribution

圖2 監(jiān)測(cè)通道結(jié)構(gòu)及信號(hào)流程圖Fig.2 Diagram of monitoring channel structure and signal flow

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改造后的該研究性反應(yīng)堆堆外核測(cè)量系統(tǒng)保持原設(shè)計(jì)探測(cè)器孔道的最大利用率，由14 個(gè)核探測(cè)器（中子電離室）及相應(yīng)的測(cè)量裝置組成，通過對(duì)反應(yīng)堆中子注量率的連續(xù)監(jiān)測(cè)，完成200%額定功率范圍內(nèi)（30W～30MW）中子注量率的測(cè)量，其功率水平所對(duì)應(yīng)的中子注量率約為1.67×104～ 1.67×1010n·cm-2·s-1，6 個(gè)數(shù)量級(jí)。測(cè)量所得中子注量率監(jiān)測(cè)信號(hào)將分別送往反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、棒控系統(tǒng)，完成對(duì)反應(yīng)堆功率周期的保護(hù)、反應(yīng)堆功率的調(diào)節(jié)以及功率顯示功能。

1.1 中子電離室

根據(jù)原孔道大小及測(cè)量功率要求，堆外核測(cè)量系統(tǒng)所用探測(cè)器改造后采用了型號(hào)為THDD-90 的非補(bǔ)償型中子電離室。電離室長(zhǎng)280mm，直徑50mm，電離室一體化電纜長(zhǎng)5.5m，可放置在原孔道200mm 厚、1400mm 高的鉛屏蔽孔道內(nèi)，熱中子靈敏度1.8×10-14A/（n·cm-2·s-1）±20%，電流測(cè)量范圍1×10-10A ～ 3×10-4A，可充分滿足6 個(gè)數(shù)量級(jí)中子注量率的測(cè)量范圍要求。改造更換后的電離室安裝在原孔道內(nèi)，電離室數(shù)目不變，探測(cè)位置不變，監(jiān)測(cè)通道不變，同時(shí)電離室的功能分配也不改變。

反應(yīng)堆中子注量率水平隨空間位置不同而改變，為了準(zhǔn)確反映堆的核功率狀況，14 個(gè)電離室（D1 ～ D14）分布于反應(yīng)堆堆芯周圍，圍繞堆芯均勻?qū)ΨQ分布，以便測(cè)量反應(yīng)堆的平均核功率。核探測(cè)器的敏感段中心線與堆芯活性區(qū)中心線保持水平。電離室布置如圖1 所示。

1.2 測(cè)量通道

測(cè)量通道由電離室及其監(jiān)測(cè)裝置組成。其中，監(jiān)測(cè)裝置采用數(shù)字化技術(shù)，包含高壓電源、低壓電源、調(diào)理單元及實(shí)現(xiàn)不同功能的處理單元等部件，用于完成反應(yīng)堆中子注量率的測(cè)量、功率與周期保護(hù)觸發(fā)信號(hào)的輸出和功率指示等。

電離室將探測(cè)到的中子注量率信息轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號(hào)，送往調(diào)理單元，通過調(diào)理單元的主放大器對(duì)信號(hào)放大處理，后轉(zhuǎn)換輸出至處理單元。調(diào)理單元電流測(cè)量范圍為1×10-10A ～ 3×10-4A，分六檔輸出，分別為3×10-9A、3×10-8A、3×10-7A、3×10-6A、3×10-5A、3×10-4A，并自動(dòng)換量程。調(diào)理單元設(shè)置3×10-8A、3×10-6A、3×10-4A電流檔供儀表自檢。處理單元內(nèi)置處理器，處理器對(duì)放大后的信號(hào)處理、計(jì)算、轉(zhuǎn)換后以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出至其他系統(tǒng)，完成各項(xiàng)功能。同時(shí)，處理單元的所有信號(hào)以通訊形式送往位于主控室的監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)，完成信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)。監(jiān)測(cè)通道結(jié)構(gòu)及信號(hào)流程如圖2 所示。

處理單元的信號(hào)同時(shí)以通訊方式送往維護(hù)和試驗(yàn)設(shè)備（MTE），維護(hù)和試驗(yàn)設(shè)備通過操作單元完成高壓設(shè)定、信號(hào)檢驗(yàn)及測(cè)試。處理單元對(duì)外部系統(tǒng)可以進(jìn)行開關(guān)量、模擬量和通訊模式輸出信號(hào)。高壓電源模塊為電離室提供高壓，低壓電源模塊為處理單元提供低壓。

1.2.1 周期保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

周期保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，通過3 個(gè)電離室及其監(jiān)測(cè)裝置輸出周期信號(hào)，對(duì)應(yīng)送往保護(hù)系統(tǒng)的A、B、C 三通道，進(jìn)行反應(yīng)堆短周期保護(hù)。周期保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置完成電離室信號(hào)的放大，完成核功率變化e 倍周期的計(jì)算，周期值將與設(shè)定的保護(hù)整定值比較，并通過繼電器輸出至保護(hù)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)通道，用于周期保護(hù)。每個(gè)通道的電離室信號(hào)經(jīng)過周期保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置隔離輸出四路信號(hào)，送往保護(hù)系統(tǒng)做周期保護(hù)：

1）1 路開關(guān)量，反應(yīng)堆周期保護(hù)停堆信號(hào)，用于安全符合邏輯。當(dāng)反應(yīng)堆周期低于10s 時(shí)，輸出該停堆信號(hào)。

2）1 路開關(guān)量，反應(yīng)堆周期報(bào)警信號(hào)。當(dāng)反應(yīng)堆周期低于20s 時(shí)，輸出該報(bào)警信號(hào)。

3）1 路開關(guān)量，周期保護(hù)測(cè)量裝置故障信號(hào)。當(dāng)發(fā)生監(jiān)測(cè)裝置故障時(shí)，輸出該信號(hào)。周期保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置故障信號(hào)包括：調(diào)理單元故障、處理單元故障、高壓電源故障、低壓電源故障等。

4）1 路4mA ～20mA 電流信號(hào)，反應(yīng)堆周期測(cè)量值信號(hào)，用于顯示反應(yīng)堆周期。

1.2.2 功率保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

功率保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，通過6 個(gè)電離室及其監(jiān)測(cè)裝置輸出功率信號(hào)，對(duì)應(yīng)送往傳輸至保護(hù)系統(tǒng)的A、B、C 通道。每個(gè)通道用于功率保護(hù)的信號(hào)由兩個(gè)電離室提供。功率保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置完成兩個(gè)電離室信號(hào)求和、放大并完成信號(hào)處理，通過合理的量程轉(zhuǎn)換算法，以保證量程轉(zhuǎn)換期間，量程無擾切換，不造成信號(hào)延遲及跳變；同時(shí)監(jiān)測(cè)裝置將測(cè)量電流值與保護(hù)整定值比較，并通過繼電器輸出，至保護(hù)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)通道，用于功率保護(hù)。

每個(gè)通道的電離室信號(hào)，經(jīng)過功率保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置隔離輸出四路信號(hào)，送往保護(hù)系統(tǒng)做功率保護(hù)：

1）1 路開關(guān)量，反應(yīng)堆功率保護(hù)停堆信號(hào)，用于安全符合邏輯。當(dāng)反應(yīng)堆功率超過功率定值的115%時(shí)，輸出該停堆信號(hào)。

2）1 路開關(guān)量，反應(yīng)堆功率報(bào)警信號(hào)。當(dāng)反應(yīng)堆功率超過功率定值的110%時(shí)，輸出該報(bào)警信號(hào)。

3）1 路開關(guān)量，功率保護(hù)測(cè)量裝置故障信號(hào)。當(dāng)發(fā)生監(jiān)測(cè)裝置故障時(shí)，輸出該信號(hào)。功率保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置故障信號(hào)包括：調(diào)理單元故障、處理單元故障、高壓電源故障、低壓電源故障等。

4）1 路4mA ～20mA 電流對(duì)數(shù)信號(hào)，反應(yīng)堆功率測(cè)量值信號(hào)，用于顯示反應(yīng)堆功率。

1.2.3 功率調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)

功率調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)，通過4 個(gè)電離室及各自對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置，同時(shí)向棒控系統(tǒng)輸出信號(hào)，用于完成反應(yīng)堆額定功率范圍內(nèi)的功率自動(dòng)調(diào)節(jié)和顯示。兩根調(diào)節(jié)棒的電離室信號(hào)選擇由棒控系統(tǒng)完成。功率調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)裝置完成電離室信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理，將計(jì)算出的功率值以量程、量值形式送往棒控系統(tǒng)。每個(gè)通道的電離室信號(hào)，經(jīng)過功率保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置，隔離輸出四路信號(hào)送往棒控系統(tǒng)：

1）1 路開關(guān)量信號(hào)，監(jiān)測(cè)裝置故障信號(hào)。當(dāng)發(fā)生監(jiān)測(cè)裝置故障時(shí)，輸出該信號(hào)。功率調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)裝置故障信號(hào)包括：調(diào)理單元故障、處理單元故障、高壓電源故障、低壓電源故障等。

2）1 路4mA ～20mA 電流信號(hào)，反應(yīng)堆周期測(cè)量值信號(hào)，用于顯示反應(yīng)堆周期。

3）1 路4mA ～20mA 電流信號(hào)，反應(yīng)堆功率量程信號(hào)。

4）1 路4mA ～20mA 電流信號(hào)，反應(yīng)堆功率量值信號(hào)。

其中，通過量程信號(hào)和量值信號(hào)，可計(jì)算出反應(yīng)堆當(dāng)前功率。

1.2.4 功率顯示功能的實(shí)現(xiàn)

功率顯示功能的實(shí)現(xiàn)，通過1 個(gè)電離室及其監(jiān)測(cè)裝置輸出功率信號(hào)完成。信號(hào)經(jīng)過功率顯示監(jiān)測(cè)裝置轉(zhuǎn)換后，以通訊方式輸出功率測(cè)量值信號(hào)、周期測(cè)量值信號(hào)、監(jiān)測(cè)裝置故障信號(hào)，送往數(shù)字功率顯示屏，用于反應(yīng)堆核功率的顯示。同時(shí)，為了便于該信號(hào)的存儲(chǔ)和記錄等，該信號(hào)亦以通訊方式送往反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。

表1 反應(yīng)堆的運(yùn)行方式及允許設(shè)定的功率定值范圍Table 1 Mode of operation of the reactor and range of fixed value power

2 監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)改造后，設(shè)計(jì)增加了監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)為工控機(jī)，配備鍵盤、顯示器、獨(dú)立顯卡、一定數(shù)量的插槽、電氣接口模件，放置在主控室控制臺(tái)，主要完成功率定值設(shè)定、各通道信息顯示功能。監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)接收來自核測(cè)量系統(tǒng)的所有信號(hào)，當(dāng)接收來自棒控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)棒手動(dòng)位信號(hào)時(shí)，接收到該信號(hào)才能更改并設(shè)定功率定值。同時(shí)，監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)為保護(hù)系統(tǒng)、棒控系統(tǒng)輸出功率定值信號(hào)，輸出功率定值的同時(shí)，將運(yùn)行的重水泵信息送往保護(hù)系統(tǒng)。監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)設(shè)置友好的界面，操縱員可通過菜單選擇需要的顯示與操作。

2.1 參數(shù)顯示

顯示核測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)，用于相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)督。監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)通過通訊方式與核測(cè)量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)均送入監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)顯示并記錄。監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)以數(shù)值、圖形的形式顯示每個(gè)通道的計(jì)算值。當(dāng)檢測(cè)（自檢）到有故障發(fā)生或信號(hào)超過定值時(shí)，給出報(bào)警信息。參數(shù)顯示界面將在系統(tǒng)組態(tài)過程中完成。

2.2 功率定值設(shè)定

監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)通過在界面上操作完成功率定值設(shè)定并顯示定值，定值設(shè)定完成后，通過通訊方式將定值送往保護(hù)系統(tǒng)及棒控系統(tǒng)。

反應(yīng)堆功率定值的設(shè)定與重水泵運(yùn)行方式存在聯(lián)鎖關(guān)系。反應(yīng)堆運(yùn)行方式有A、B、C、D 四種，分別對(duì)應(yīng)4 個(gè)重水泵運(yùn)行方式，在不同運(yùn)行模式下允許設(shè)定的功率定值不同，見表1。

圖3 定值設(shè)定界面示意圖Fig.3 Interface diagram of fixed value setting

核測(cè)量系統(tǒng)在監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)界面上完成反應(yīng)堆運(yùn)行模式的選擇及對(duì)應(yīng)的運(yùn)行重水泵的選擇，根據(jù)不同運(yùn)行模式設(shè)定相應(yīng)的反應(yīng)堆功率定值。界面設(shè)置示意圖如圖3所示。

監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)關(guān)于定值的界面上，通過三欄分別顯示了四種運(yùn)行方式（A、B、C、D）及對(duì)應(yīng)的重水泵運(yùn)行方式及允許設(shè)定的功率范圍，以按鈕（燈）的形式顯示了4臺(tái)泵A、B、C、D，以可輸入的文本框形式顯示了功率定值的設(shè)定。

1）操作員根據(jù)重水泵的實(shí)際運(yùn)行情況，選擇反應(yīng)堆的運(yùn)行方式，按下對(duì)應(yīng)的按鈕（燈）。按下按鈕（燈亮）后，該模式對(duì)應(yīng)的一行突出顯示（以顏色或立體效果）。四種運(yùn)行方式只能選擇一種，即一個(gè)按鈕按下后其他按鈕無效。此時(shí)，若操作有誤或需更改運(yùn)行模式，通過再次按下按鈕來取消本次操作。操縱員應(yīng)核實(shí)確認(rèn)選擇的按鈕與重水泵實(shí)際運(yùn)行情況相符。

2）運(yùn)行方式選擇結(jié)束后，操作第二欄即進(jìn)行4 臺(tái)重水泵的選擇。第一欄的運(yùn)行方式與重水泵存在聯(lián)鎖。若為A方式，則能且只能選擇3 臺(tái)泵；若為B 方式及C 方式，則能且只能選擇兩臺(tái)泵，且A、B 泵不能同時(shí)選，C、D 泵不能同時(shí)選；若為D 方式，則不選擇泵或者選擇其中任意一臺(tái)泵，進(jìn)入第三欄功率定值設(shè)定。若泵的選擇不正確，出現(xiàn)多選或少選或選錯(cuò)，則不能進(jìn)入第三欄的定值設(shè)定。

3）重水泵選擇正確后，進(jìn)入第三欄的功率定值設(shè)定，對(duì)應(yīng)的功率定值設(shè)定文本框進(jìn)入可輸入模式。操縱員需依次分A、B、C 通道分別輸入功率定值，若輸入的功率定值超出該方式下允許設(shè)定的功率定值范圍，則功率定值設(shè)定不成功，計(jì)算機(jī)給出提示，操縱員需重新檢查并更改，直至沒有錯(cuò)誤為止；若輸入的功率定值未超出允許的功率定值范圍，則功率定值設(shè)定成功，操縱員繼續(xù)給其它通道設(shè)定功率定值。3 個(gè)通道功率定值均成功寫入后，監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)對(duì)3 通道的功率定值進(jìn)行確認(rèn)（按下確認(rèn)按鈕），確認(rèn)3 個(gè)功率定值是否一致。若一致，則完成定值設(shè)定；若不一致，則給出提示并返回修改定值。

若在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中需要更改功率定值，三通道分別逐一進(jìn)行更改。更改若為增加功率，則直接更改定值；若為降低功率定值，則需操縱員判斷反應(yīng)堆功率是否先降低，再修改功率定值，以免引起停堆。送往棒控系統(tǒng)的功率定值信號(hào)，需在手動(dòng)功率調(diào)節(jié)模式下才能進(jìn)行修改。

3 設(shè)備的改造布置

核測(cè)量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置分布于4 個(gè)機(jī)柜放置，包括3個(gè)安全級(jí)機(jī)柜和1 個(gè)非安全級(jí)機(jī)柜。為滿足單一故障準(zhǔn)則，監(jiān)測(cè)裝置機(jī)柜采用功能隔離、電氣隔離和實(shí)體分隔實(shí)現(xiàn)獨(dú)立性。安全級(jí)設(shè)備與非安全級(jí)設(shè)備分布放置在不同房間。

為了給操縱員及廠房工作人員在堆運(yùn)行期間提供反應(yīng)堆核功率指示，核測(cè)量系統(tǒng)改造后在主控室設(shè)置一塊LED數(shù)字功率顯示屏，以實(shí)時(shí)顯示反應(yīng)堆全量程范圍內(nèi)的核功率水平，數(shù)字功率顯示屏在主控臺(tái)對(duì)面墻壁上懸掛安裝；監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)設(shè)置在主控室控制臺(tái)面上嵌入式安裝，主機(jī)布置于控制臺(tái)內(nèi)。

4 可靠性要求

堆外核測(cè)量系統(tǒng)作為安全級(jí)系統(tǒng)，可靠性設(shè)計(jì)要求每個(gè)變量的系統(tǒng)安全故障率（誤停堆率）不大于0.1 次/年，每個(gè)變量在要求保護(hù)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)因隨機(jī)故障而不動(dòng)作的概率（拒動(dòng)率）不大于10-6。

5 結(jié)束語

某研究性反應(yīng)堆作為重水研究堆，堆外核測(cè)量系統(tǒng)為反應(yīng)堆提供各量程超功率保護(hù)和中子變化率保護(hù)，是反應(yīng)堆關(guān)鍵系統(tǒng)之一，屬于安全級(jí)設(shè)備，是直接關(guān)系到反應(yīng)堆安全的重要系統(tǒng)，其基本原理與中國(guó)101 重水研究堆相似，該改造主要完成了核測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可靠性要求和設(shè)備改造布置等內(nèi)容，目前已完成各功率下的中子注量率監(jiān)測(cè)和信號(hào)輸入等現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作，功能和性能均滿足總體設(shè)計(jì)要求。