核電廠物理試驗儀器的發(fā)展和改進

王勇智

[摘? ? 要]核電廠的物理試驗儀器是大修期間監(jiān)督堆芯參數(shù)和反應性的重要工具。本文簡要分析了國內(nèi)核電廠物理試驗儀器發(fā)展和應用，詳細介紹了目前國內(nèi)外最新試驗儀器的研發(fā)和改進，改進后的試驗儀器不僅具備傳統(tǒng)反應性儀和多筆記錄儀的功能，還增加了很多傳統(tǒng)反應性儀不具備的功能。具有多功能、體積小、功耗低、操作方便、界面友好的特點，明顯改進了核電站物理試驗的工作方法，極大提高了物理試驗的效率，縮短了大修試驗的時間，減輕了物理人員的工作量。

[關(guān)鍵詞]反應性儀;動態(tài)刻棒技術(shù);物理試驗儀器

[中圖分類號]TL 326 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]Physical test instruments in nuclear power plants are important tools for monitoring core parameters and reactivity during overhaul. In this paper， the development and application of physical test instruments for nuclear power plants in China and abroad are briefly introduced. The research and development and improvement of the latest test instruments at home and abroad are introduced in detail. The improved test instruments not only have the functions of traditional reactivity instrument and multi pen recorder， but also add many functions that traditional reactivity instrument does not have. It has the characteristics of multi-function， small volume， low power consumption， convenient operation and friendly interface. It obviously improves the working method of physical test in nuclear power plant， greatly improves the efficiency of physical test， shortens the overhaul test time， and reduces the workload of physical personnel.

[Keywords]reactivity instrument; dynamic stick cutting technology

核電廠的物理試驗儀器是大修期間監(jiān)督堆芯參數(shù)和反應性的重要工具，目前國內(nèi)外廣泛使用的試驗儀器有監(jiān)督堆芯狀態(tài)參數(shù)的多筆記錄儀和反應性儀。其中多筆記錄儀經(jīng)歷了帶紙的記錄儀和無紙化數(shù)字記錄儀，反應性儀設(shè)備也經(jīng)歷了好幾代，傳統(tǒng)的多筆記錄儀和反應性儀使用不便，需要將大量電站數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的狀態(tài)參數(shù)信號連接到多筆記錄儀，存在體積較大、搬運不便、接口松動、連接線老化等問題，

隨著物理試驗方法的進步，美國西屋公司在20世紀90年代研發(fā)出全新的控制棒價值測量技術(shù)，這項技術(shù)不僅改變了物理試驗的工作方法，也極大地縮短了控制棒價值測量時間，大大增加了電廠的經(jīng)濟效益。1996年獲得美國核管會（NRC）批準，2009年獲得法國核安全監(jiān)管當局批準。此項技術(shù)已在美國、英國、日本、西班牙、法國等多個國家成功使用，大亞灣核電廠和嶺澳核電廠從2009年開始引進該項技術(shù)[1]。

受到西屋公司動態(tài)刻棒技術(shù)的啟發(fā)，國內(nèi)很多單位都在研發(fā)兼具堆芯參數(shù)監(jiān)督和反應性測量的新型物理試驗儀器，具有多功能、體積小、功耗低、操作方便、界面友好的特點。

1 傳統(tǒng)物理試驗儀器介紹

大修臨界和零功率物理試驗期間，一般需按照圖1方式將專用的多筆記錄儀和反應性儀按照接線操作手冊與上游信號相連接，試驗前需設(shè)置好反應性儀和記錄儀的相關(guān)測量參數(shù)，并且檢查儀器上的數(shù)值與電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的指示值是否一致，如果不一致則需重新檢查接線、相關(guān)參數(shù)物理量程和電量程的設(shè)置是否準確，逐一排除原因。圖1中的加法器用于引出堆外探測器功率量程電流信號，多筆記錄儀2是冗余配置，是用來采集堆芯狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接兩臺多筆記錄儀專用筆記本電腦，安裝了專用數(shù)據(jù)采集軟件。反應性儀有帶信號放大器功能的1臺反應性儀和專用筆記本1臺，因此總計6臺硬件設(shè)備，這些設(shè)置不僅硬件笨重、占用狹窄的主控室空間、搬運不便、接口容易松脫、連接線老化、信號穩(wěn)定性不足、進口硬件采購困難等問題，因此存在很大的改進空間。

2 美國西屋動態(tài)刻棒技術(shù)和試驗儀器研發(fā)

自從核能被用于發(fā)電開始，美國的核能技術(shù)就一直全球領(lǐng)先，匯集了全世界最優(yōu)秀的核能研發(fā)人才，積累了強大的研發(fā)實力。研發(fā)出大量的先進核能技術(shù)當然也包括核電站先進物理試驗方法，其中動態(tài)刻棒測量技術(shù)是美國西屋公司1990年前后研發(fā)出來的，包括試驗方法和最新的試驗儀器。

這項技術(shù)的原理并不復雜，與常規(guī)的棒價值測量方法一樣，其概念都是基于點堆方程的基礎(chǔ)上得出的，分析如下：

點堆模型中反應性和中子通量的關(guān)系由下列中子動力學方程確定[2]：

由（1）和（2）式變換整理后得出反應性：

式（3）中的n是表示反應堆功率的電流、電壓、脈沖（計數(shù)率）等信號。

但點堆模型只能描述反應堆的積分特性，不能描述反應堆內(nèi)部與能量和空間有關(guān)的中子學問題。當有控制棒插入堆芯時，會引起堆內(nèi)中子通量密度分布形狀變化，點堆模型不再適用，需要引入空間修正因子修正這一效應的影響?？刂瓢舨迦霑韮煞N空間效應：一是靜態(tài)空間效應，控制棒插入之后瞬發(fā)中子通量密度發(fā)生變化，在極短時間內(nèi)瞬發(fā)中子通量密度分布形狀改變。二是動態(tài)空間效應，這是由緩發(fā)中子通量密度分布形狀發(fā)生改變引起的，由于緩發(fā)中子先驅(qū)核衰減時間較長，控制棒插入之后通常需要十幾分鐘緩發(fā)，中子分布形狀才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗過程中的空間效應需要用專用的三維堆芯軟件計算空間修正因子，包括靜態(tài)空間因子和動態(tài)空間因子對堆外探測器電流進行修正，在線或離線處理軟件進行棒價值計算。

在反應性測量中通量水平較低時，源項應當考慮。當通量的電流測量值超過10～8 A時，源項的作用可以忽略不計。

西屋動態(tài)刻棒試驗反應性儀是專門為自己的動態(tài)刻棒技術(shù)研發(fā)的，雖然使用方便，但是國內(nèi)核電站不能照搬照抄，需要根據(jù)實際情況對試驗方法和儀器進行改進，才能更好的滿足國內(nèi)核電廠的需求。

3 國內(nèi)物理試驗儀器的研發(fā)和改進

自從2009年大亞灣和嶺澳核電站引進西屋公司的動態(tài)刻棒技術(shù)以后，國內(nèi)許多研究所和高校都開始整合科研力量，自主研發(fā)這項技術(shù)，在很短的時間就攻克了動態(tài)刻棒技術(shù)并投入實際應用，打破西屋的技術(shù)壟斷，為電廠帶來可觀的經(jīng)濟效益。

當然技術(shù)原理都是一樣的，都是專用軟件計算靜態(tài)和動態(tài)修正因子修正空間效應，目前國內(nèi)各大發(fā)電集團和研究機構(gòu)都組織了專門的研發(fā)力量。

動態(tài)刻棒技術(shù)需要專用的反應性儀來輔助，現(xiàn)在國內(nèi)很多設(shè)計單位開發(fā)的新型反應性儀實現(xiàn)了強大的功能，基本上都兼?zhèn)涠喙P記錄儀的功能，將多路P2信號接入反應性儀，實現(xiàn)堆芯重要狀態(tài)參數(shù)的在線監(jiān)督。在增加功能和便利性的同時，實現(xiàn)試驗儀器的精簡。

這種新型的反應性儀由1臺信號調(diào)理器和1臺數(shù)據(jù)處理器（筆記本電腦）構(gòu)成，信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)處理器之間通過數(shù)據(jù)線連接，如圖2所示，其中信號調(diào)理器將堆外探測器的電流轉(zhuǎn)化為實時的數(shù)字信號。信號調(diào)理器由低壓電源模塊、小電流放大模塊、采集處理功能組成。圖2中具體的信號輸入輸出流向、電流以及電壓信號需要區(qū)別，有的信號輸入和輸出以電流形式，有的以電壓形式，有的信號既可以電流也可以電壓形式，比如反應堆中子通量既可以設(shè)置成電流輸入信號，也可以設(shè)置成電壓輸入信號。這種新型的反應性儀不僅集成了傳統(tǒng)多筆記錄儀的所有功能，實現(xiàn)P2數(shù)據(jù)采集和在線顯示，而且增加了很多實用功能，比如增加裝卸料臨界安全監(jiān)督，啟堆達臨界外推，離線處理，反應性精度檢查。

3.1 新型反應性儀功能介紹

儀器通電時自動調(diào)出軟件的在線測量功能主菜單界面。另外，當操作人員退出應用程序的運行環(huán)境后，還可以鼠標點擊桌面上“在線測量”、“離線處理”、“臨界監(jiān)督”和“動態(tài)刻棒”四個圖標來運行相應的應用軟件。圖3是新型反應性儀的功能界面示意圖。

3.1.1 信號采集功能

（1）采集通過反應性儀信號調(diào)理器串口通訊接口送來的來自探測器的2路小電流信號以及來自核測量系統(tǒng)輸出的2路0～10V電壓信號。

（2）采集來自反應性儀信號調(diào)理器串口通訊接口送來的8路P2參數(shù)。P2參數(shù)與反應性直接相關(guān)，可以是溫度、壓力、棒位等，與反應性及中子探測器信號同時顯示在測量屏幕上，并參與離線數(shù)據(jù)處理計算，P2有自動和手動兩種采集方式。

3.1.2 參數(shù)設(shè)置功能

反應性儀在開始測量之前，需要設(shè)置必要的工作參數(shù)。一旦工作參數(shù)設(shè)置完成并保存，若不進行新的修改，則軟件將保持設(shè)定的參數(shù)值進行以后的所有測量及計算。當?shù)谝淮问褂密浖r，軟件的工作參數(shù)為初始設(shè)定值，以后每次使用軟件，軟件就處于用戶前次使用時所處的工作參數(shù)狀態(tài)，除非用戶有新的參數(shù)修改要求，否則不必重新設(shè)置工作參數(shù)。

所有的參數(shù)設(shè)置被同時保存在硬盤文件中，用戶可直接用任意文本編輯器打開。

3.1.3 自檢功能

儀器根據(jù)設(shè)置的反應堆周期或倍增周期值，產(chǎn)生指數(shù)信號，可以對設(shè)備進行自動檢查，以判定其工作正常與否。

3.1.4 精度檢查功能

反應性儀包括以下離線數(shù)據(jù)處理功能，即數(shù)據(jù)文件復現(xiàn)、精度檢查、溫度系數(shù)處理和棒值處理，可以覆蓋反應堆臨界外推、周期計算、反應性儀?？獭⒛┒朔磻詢r值計算、慢化劑溫度系數(shù)計算和調(diào)硼法測量棒價值等各項試驗的數(shù)據(jù)處理。

3.1.5 報警功能

當堆功率和反應性超過參數(shù)設(shè)置的量程檔時，儀器在人機界面上亮起紅色指示燈，并伴隨蜂鳴器報警。

3.1.6 容錯功能

（1）正常情況下，軟件可無故障連續(xù)工作24h。

（2）具有一定的容錯和邏輯判斷能力，設(shè)定某些提示信息防止用戶錯誤操作，當用戶出現(xiàn)錯誤操作或違反指定規(guī)則時，能夠保證軟件自身功能運行正常。

（3）具有易恢復性，當故障發(fā)生時（例如通訊故障等）能較快重新建立其性能水平，并恢復直接受影響的數(shù)據(jù)。

3.2 新型反應性儀性能

3.2.1 易用性

（1）具有易理解性和易學性，用戶可在較短時間內(nèi)理解軟件功能，并學習其應用。

（2）具有良好的人機交互性能。

（3）具有操作簡單特點，用戶可根據(jù)需要對軟件進行配置，可采用鼠標點擊和快捷鍵等方式對軟件進行控制。

3.2.2 可維護性

（1）具有易分析性，較容易診斷軟件缺陷和失效原因。

（2）較容易對軟件進行修改、排錯和適應環(huán)境變化的修改。

（3）具有易測試性，可對軟件進行測試確認。

3.2.3 數(shù)據(jù)安全性

當用戶開展物理試驗時，由軟件自動在硬盤上存儲試驗數(shù)據(jù)并生成文本文件。文本文件內(nèi)容可在Windows操作系統(tǒng)中用任何文本編輯軟件查看和編輯，其中文件名稱由用戶手動輸入，文件內(nèi)容則包括測量起止時間，文件頭相關(guān)信息，中子通量信號、測量的反應性、P2參數(shù)、經(jīng)靜態(tài)修正因子修正后的實測電流信號、經(jīng)動態(tài)修正因子修正后的反應性。

4 結(jié)語

隨著技術(shù)的研發(fā)和進步，將出現(xiàn)越來越多的先進物理試驗方法，伴隨而來的是更加先進、智能、便捷的試驗測量儀器，通過近10年的努力改進，國內(nèi)核電廠的物理試驗方法和測量儀器有了巨大的發(fā)展和進步。

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