緊湊型小型堆堆芯測量系統(tǒng)設(shè)計

黃 勇，郭 偉，何伯陽

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中廣核研究院有限公司，深圳 518031）

0 引言

堆芯測量系統(tǒng)是核電站重要的專用儀控系統(tǒng)，為核電站提供堆芯中子注量率、堆芯溫度和壓力容器水位參數(shù)測量。衡量反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下的安全裕度主要依據(jù)兩個參數(shù)：偏離泡核沸騰比（DNBR）裕度和失去冷卻劑事故（LOCA）裕度。這兩個參數(shù)奠定了量化運(yùn)行安全裕度的基礎(chǔ)，從根本上來說，DNBR 裕度和LOCA 裕度與反應(yīng)堆堆芯功率分布有著直接的關(guān)系，而堆芯溫度、壓力容器水位和堆芯中子注量率分布是獲取堆芯功率分布所需的重要數(shù)據(jù)。同時，堆芯溫度和壓力容器水位參數(shù)也是事故后，操作員判斷反應(yīng)堆壓力容器是否熔穿的重要依據(jù)。因此，堆芯參數(shù)測量對核電站的安全運(yùn)行有著重要的意義。

本文根據(jù)IAEA NS-G-1.12《Design of the Reactor Core for Nuclear Power Plants》、HAD102/07《核電廠堆芯的安全設(shè)計》和HAD103/03《核電廠堆芯和燃料管理》中提出的堆芯監(jiān)測要求，設(shè)計了一種滿足三代核電站要求的緊湊型小型堆堆芯測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)堆芯監(jiān)測需求，堆芯測量系統(tǒng)按照功能劃分為3個子系統(tǒng)：堆芯中子通量測量子系統(tǒng)、堆芯溫度測量子系統(tǒng)和壓力容器水位測量子系統(tǒng)[1]。

堆芯中子通量測量子系統(tǒng)負(fù)責(zé)連續(xù)測量堆芯中子通量，給出三維的堆芯全通量分布圖，計算線功率密度（LPD）和DNBR 等相關(guān)信息，從而實(shí)時監(jiān)測堆芯工況。

堆芯溫度測量子系統(tǒng)負(fù)責(zé)堆芯出口溫度（COT）測量和反應(yīng)堆壓力容器上封頭溫度（RPVDT）測量，給出堆芯出口飽和裕量（△TSAT）和壓力容器上封頭飽和裕度，從而實(shí)時監(jiān)測堆芯狀態(tài)信息。

壓力容器水位測量子系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量壓力容器冷、熱段進(jìn)出口處不同高度位置的水位，從而監(jiān)測壓力容器水位狀態(tài)。

堆芯出口溫度測量和壓力容器水位測量系統(tǒng)主要用于以下狀態(tài)信息：COT、△TSAT 和反應(yīng)堆壓力容器水位（RPVL）作為判斷事故后工況下一回路熱工水力狀態(tài)的重要判據(jù)。RPVL 反映了堆芯水裝量的變化，用于監(jiān)測堆芯是否裸露，并直接用于決定采取事故后控制策略和操作規(guī)程。同時，COT 還用于嚴(yán)重事故管理。

2 系統(tǒng)組成與總體結(jié)構(gòu)

堆芯測量系統(tǒng)主要由：一體化堆芯探測器組件、組件配件（連接器、電纜、轉(zhuǎn)接裝置等配件）、壓力容器水位信號處理機(jī)柜、中子通量信號處理機(jī)柜和堆芯在線監(jiān)測系統(tǒng)（KSS）等處理設(shè)備組成。

堆芯測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，一體化堆芯探測器組件中的溫度信號經(jīng)過轉(zhuǎn)接裝置轉(zhuǎn)接后直接送到安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行處理；水位信號經(jīng)水位處理機(jī)柜處理后通過硬接線送往安全級DCS；自給能中子探測器（SPND）信號經(jīng)中子通量信號處理機(jī)柜處理后通過網(wǎng)絡(luò)送KSS 系統(tǒng)；KSS 系統(tǒng)負(fù)責(zé)與非安全級DCS 的通訊，并進(jìn)行堆芯功率分布、LPD、DNBR 等參數(shù)計算和監(jiān)視，最終在主控室顯示堆芯狀態(tài)監(jiān)測信息。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 堆芯測點(diǎn)布置設(shè)計

圖1 堆芯測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of in-core instrumentation system

圖2 堆芯中子通量、溫度、壓力容器水位測點(diǎn)徑向布置圖Fig.2 The radial arrangement diagram of core neutron flux,temperature, RPV water level measurement point

根據(jù)堆芯測點(diǎn)布置原則：利用堆芯對稱性減少測點(diǎn)布置；利用堆芯對稱性適當(dāng)冗余布置；每組探測器應(yīng)分散在全堆；各組探測器之間應(yīng)相互交叉滲透；應(yīng)適當(dāng)考慮各組探測器之間的對稱性。堆芯中子通量、溫度、壓力容器水位測點(diǎn)徑向布置設(shè)計如圖2 所示。

堆芯中子通量測量子系統(tǒng)分為A、B 兩列。每列探測器包含8 個堆芯探測器組件（IDA，In-core detector assembly），徑向均勻布置在堆芯4 個象限內(nèi)；在堆芯活性段區(qū)域，每個組件沿軸向均勻布置5 個SPND。上述分布保證堆芯軸向和徑向功率分布測量的均衡性。

堆芯出口溫度測量子系統(tǒng)分為A、B 兩列：每列探測器包括9 支熱電偶（TC），分別為8 支COT 熱電偶和1 支RPVDT 熱電偶。每列所包含的熱電偶均勻分布在堆芯出口的4 個象限內(nèi)，以保證能獨(dú)立測量堆芯每個象限的出口溫度，滿足冗余性的要求。RPVDT 測量的2 支TC 分別徑向布置于D5 和D3 位置。

壓力容器水位測量子系統(tǒng)分為A、B 兩列：每列測點(diǎn)徑向均勻?qū)ΨQ布置在堆芯4 個象限內(nèi)，布置于堆芯B3、F3、B5、F5 四個位置，每個位置的組件沿軸向布置了3 個RPVL 測量傳感器，分別位于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)熱段頂部、中部和底部。

3.2 堆芯測量一體化探測器組件設(shè)計

文獻(xiàn)[2-5]介紹了EPR 和AP1000 堆型堆芯測量系統(tǒng)，均采用基于一體化組件的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計。系統(tǒng)在圖2 的16個燃料組件中安裝用于中子通量測量、溫度測量和水位測量的一體化探測器組件，根據(jù)測點(diǎn)布置，設(shè)計了3 種類型的一體化探測器組件，分別為IDA-1、IDA-2、IDA-3。

IDA-1 型組件可測量堆芯中子通量和堆芯出口溫度；IDA-2 型組件可測量堆芯中子通量、堆芯出口和壓力容器上封頭溫度；IDA-3 型組件可測量堆芯中子通量、堆芯出口溫度和壓力容器水位。堆芯測量一體化探測器組件中采用SPND 測量堆芯中子通量；堆芯溫度測量包括堆芯出口和壓力容器上封頭溫度測量，采用熱電偶（TC）測量，分別用于監(jiān)測燃料組件出口和上封頭處的冷卻劑溫度；壓力容器水位測量采用熱電偶式水位傳感器（TCLS），用于監(jiān)測壓力容器水位。

采用堆芯測量一體化探測器設(shè)計的優(yōu)勢在于：集成度高，實(shí)現(xiàn)堆芯中子通量、溫度和壓力容器水位測量的一體化；從壓力容器頂蓋開孔插入堆芯固定式測量，提高了壓力容器的完整性和整體安全性，減少了堆芯泄漏的風(fēng)險[6]；堆測儀表使用壽命長，維護(hù)更方便。

3.3 堆芯中子通量測量子系統(tǒng)設(shè)計

堆芯中子通量測量通過SPND 實(shí)現(xiàn)，SPND 在反應(yīng)堆堆芯呈軸向和徑向分布，連續(xù)測量堆芯各不同位置處的中子通量密度信號。測得的中子通量密度信號在KSS 中被處理成適合堆芯運(yùn)行最佳評估分析器使用的數(shù)據(jù)，生成連續(xù)的三維反應(yīng)堆堆芯功率分布圖，計算堆芯運(yùn)行參數(shù)和安全裕量，校核堆外測量系統(tǒng)功率量程的相關(guān)參數(shù)。另外，堆芯中子通量測量子系統(tǒng)設(shè)置了LPD 和DNBR 保護(hù)功能。堆芯中子通量測量子系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

DNBR 和LPD 為保護(hù)功能，在安全級儀控機(jī)柜中實(shí)現(xiàn)；在線三維堆芯功率分布圖的重構(gòu)和LOCA 裕量等堆芯運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測為非安全級功能，在非安全級儀控機(jī)柜實(shí)現(xiàn)。由于兩者共有SPND 信號，因而根據(jù)安全級就高原則，SPND的采集在安全級儀控機(jī)柜進(jìn)行。SPND 信號由探測器組件所屬列的安全級機(jī)柜進(jìn)行采集，經(jīng)由信號轉(zhuǎn)換和限值比較后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，送往在線三維功率分布重構(gòu)計算機(jī)。DNBR和LPD 的計算、停堆閾值比較的過程放在A/B 列機(jī)柜進(jìn)行，A/B 列比較的結(jié)果送另一列進(jìn)行二取一表決，產(chǎn)生對應(yīng)各列的停堆信號。

圖3 堆芯中子通量測量子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 The architecture of in-core neutron flux measurement subsystem

3.4 堆芯溫度測量子系統(tǒng)設(shè)計

堆芯溫度測量子系統(tǒng)具有以下功能：能夠連續(xù)顯示和記錄反應(yīng)堆堆芯溫度；LOCA 事故時和事故后能保持對堆芯出口溫度的監(jiān)測；嚴(yán)重事故期間及事故后保持對堆芯出口溫度的監(jiān)測；對堆芯出口飽和裕度△TSAT和壓力容器上封頭溫度飽和裕度△TSAT-HEAD進(jìn)行監(jiān)測。該子系統(tǒng)功能與CPR1000 堆型的功能設(shè)計基本相同，參考二代加核電站堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)（CCMS）的設(shè)計，堆芯溫度測量子系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。

根據(jù)堆芯測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，堆芯溫度TC 信號分A/B 列分別送安全級DCS 中的事故后監(jiān)測系統(tǒng)（PAMS）A/B 列機(jī)柜進(jìn)行處理。溫度信號處理過程如圖4 所示，A/B 列冗余設(shè)計，每列使用各自隔離的傳感器和輸入通道，計算產(chǎn)生COT、RPVDT、△TSAT、A_△TSAT（數(shù)據(jù)△TSAT的有效性）、△TSAT-HEAD和∑（△TSAT的不確定度）。在每列中，△TSAT、∑和A_△TSAT都被發(fā)送另一列的互校處理模塊進(jìn)行互校處理：B 列的△TSAT和∑送往A 列進(jìn)行互校處理，A 列的△TSAT和∑送往B 列進(jìn)行互校處理。最終，通過互校輸出模塊輸出互校后的唯一△TSAT和∑至主控室顯示，供操作員在電廠事故后狀態(tài)時使用。當(dāng)互校處理沒有進(jìn)行，即互校處理模塊無效時，每列的初始數(shù)據(jù)直接用于顯示或產(chǎn)生相應(yīng)報警。另外，A 列的COT 經(jīng)隔離分配后送嚴(yán)重事故儀控系統(tǒng)（SIC）處理，為操縱員在嚴(yán)重事故期間及事故后提供堆芯狀態(tài)信息，用于嚴(yán)重事故管理。

3.5 壓力容器水位測量子系統(tǒng)設(shè)計

圖4 堆芯溫度通量測量子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 The architecture of in-core temperature measurement subsystem

參考文獻(xiàn)[2-5]介紹了ERP 及AP1000 三代堆型壓力容器水位測量系統(tǒng)設(shè)計。壓力容器水位測量利用水的傳熱特性與蒸汽有很大差別的原理，對壓力容器水位進(jìn)行測量。其測量部分由加熱端熱電偶、不加熱端熱電偶及加熱元件三部分組成：加熱端熱電偶為水位測點(diǎn)，不加熱熱電偶為參考點(diǎn)。水位探測器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示，其中被加熱的熱電偶作為主動端，測點(diǎn)對應(yīng)的不加熱熱電偶作為參考端以反映環(huán)境溫度，通過比較兩個熱電偶的溫差以判斷測點(diǎn)是否被水淹沒，給出離散的水位信號，該信號通過硬接線輸出至安全級DCS 系統(tǒng)。

壓力容器水位測量子系統(tǒng)架構(gòu)如圖6 所示，其中SU設(shè)備作為輔助設(shè)備，執(zhí)行水位機(jī)柜的運(yùn)行維護(hù)、參數(shù)設(shè)置、定期試驗(yàn)等功能。壓力容器水位信號處理機(jī)柜A/B 分別采集、處理探測器組件中的水位測點(diǎn)信號，處理后的信號通過硬接線送安全級DCS 進(jìn)行表決，軸向同一高度的4 個水位測點(diǎn)進(jìn)行四取二表決（表決邏輯如圖7 所示），以確定該點(diǎn)是否被水淹沒。在嚴(yán)重事故工況下，A 列的水位測量信號通過硬接線送往SIC 進(jìn)行監(jiān)測，軸向同一高度的2 個水位測點(diǎn)信號按二取一表決，確定水位位置。

4 結(jié)論

圖5 水位探測器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structural diagram of water level detector

圖6 壓力容器水位測量子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 The architecture of RPV water level measurement subsystem

圖7 壓力容器水位信號四取二邏輯Fig.7 The logic 2/4 of RPVL

本文從核電站法規(guī)對堆芯監(jiān)測的要求及堆芯測量的功能需求入手，設(shè)計了一種緊湊型小型堆堆芯測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一體化探測器從壓力容器頂蓋開孔插入堆芯、固定式測量的設(shè)計，解決了傳統(tǒng)堆型使用的堆芯測量系統(tǒng)需要在壓力容器本體上開孔的問題；采用基于一體化組件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了堆芯中子通量、堆芯溫度和壓力容器水位的一體化測量；采用基于SPND 的堆芯中子通量測量子系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆停堆裕量監(jiān)測、DNBR 保護(hù)、LPD 保護(hù)和堆芯預(yù)測功能。上述系統(tǒng)在兼顧緊湊性、集成度和可靠性的同時，避免了壓力容器開孔問題。該系統(tǒng)的設(shè)計滿足緊湊型小型堆的設(shè)計需求，同時也符合國內(nèi)和國際法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。