基于模塊化設(shè)計(jì)的堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)

黃有駿 韋文彬 楊戴博 李 昆 王銀麗

（核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

華龍一號(hào)（HPR1000）是我國(guó)第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代核電堆型，其堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)由中子探測(cè)器組件、信號(hào)處理柜以及控制柜組成，主要功能是通過(guò)測(cè)量堆芯中子通量，并結(jié)合反應(yīng)堆其他工況信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料組件線(xiàn)功率密度（LPD）、偏離泡核沸騰比（DNBR）、堆芯三維功率分布、燃料組件燃耗等堆芯關(guān)鍵參數(shù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

由于三代核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要采用模塊化的方法，堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)作為儀控系統(tǒng)的重要組成部分在設(shè)計(jì)時(shí)必定要遵守該要求。本文設(shè)計(jì)多種基礎(chǔ)功能插件作為最小模塊，根據(jù)堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的功能需求，使用這些成熟和驗(yàn)證過(guò)的插件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速搭建，這樣不但加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，而且提高系統(tǒng)的可靠性和可維修性。

1 基礎(chǔ)功能插件

1.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)框架

系統(tǒng)采用機(jī)箱實(shí)現(xiàn)插件承載，機(jī)箱采用6U 高14槽標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱， 插件通過(guò)機(jī)箱上下兩個(gè)96 芯針座形式接插件實(shí)現(xiàn)快速安裝，可以保證插件的更換效率和維修便捷性。 機(jī)箱分為3 個(gè)不同的功能區(qū)域，左側(cè)區(qū)域是模擬處理部分，主要配置放大卡等專(zhuān)業(yè)插件；中間區(qū)域是數(shù)字處理部分，主要配置主控制器卡、通信卡等數(shù)字通用插件，通過(guò)AT96 工業(yè)總線(xiàn)和自定義I/O 總線(xiàn)進(jìn)行連接；右側(cè)區(qū)域是低壓電源，主要功能是為機(jī)箱提供冗余的直流電源。 系統(tǒng)基礎(chǔ)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)基礎(chǔ)框架

1.2 數(shù)字通用插件

數(shù)字通用插件主要功能特點(diǎn)如下：

（1）主控制器卡：①CPU：AMD LX800；②RAM 空間256 MByte，F(xiàn)lash 空間512 MByte；③5 V 供電；④故障自診斷功能。

（2）RS485 通信卡：①端口數(shù)量：4 個(gè)（4 線(xiàn)）；②浪涌、ESD 保護(hù)功能； ③傳輸速率：230.4 kbps； ④兼容RS422 功能；⑤故障自診斷功能。

（3）CAN 通信卡：①端口數(shù)量：4 個(gè)；②浪涌、ESD保護(hù)功能；③傳輸速率：250 kbps；④故障自診斷功能。

（4）以太網(wǎng)通訊卡：①端口數(shù)量：2 個(gè)（4 線(xiàn)）；②浪涌、ESD 保護(hù)功能；③傳輸速率：10/100 Mbps；④故障自診斷功能。

（5） 模擬量輸入卡： ①16 路隔離單端輸入，精度≤0.5%F.S，溫漂≤100ppm/℃；②電流輸入范圍：0～20 mA；③隔離保護(hù)功能；④浪涌、ESD 保護(hù)功能。

（6）開(kāi)關(guān)量輸出卡：①開(kāi)關(guān)量數(shù)量：32 路（干觸點(diǎn)信號(hào)）； ②開(kāi)關(guān)量輸出端口大于3000 VDC 隔離保護(hù)功能；③浪涌、ESD 保護(hù)功能。

1.3 專(zhuān)業(yè)插件

專(zhuān)業(yè)插件主要功能特點(diǎn)如下：

（1）放大卡：①測(cè)量范圍：2.0×10-11～4.5×10-6A；②測(cè)量精度如表1 所示。

表1 放大卡電流測(cè)量精度

（2） 低壓電源： ①輸入電壓： 幅值324～396 VDC/198～242 VAC（50 Hz±3 Hz）；②輸出電壓：+5 VDC（容量10A），±15 VDC（容量各1A）；③監(jiān)測(cè)電壓：+5 V 監(jiān)測(cè)電壓為（5±0.25）V，±15 V 監(jiān)測(cè)電壓（7.5±0.37）V；④紋波：+5 V 紋波≤15 mV（Vp-p）；±15 V 紋波≤10 mV（Vp-p）。

2 系統(tǒng)搭建流程

2.1 機(jī)箱設(shè)計(jì)

基于模塊化設(shè)計(jì)的堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)箱設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。 確定系統(tǒng)的功能需求，進(jìn)行設(shè)備的功能分配。 根據(jù)配置好的設(shè)備要求，分別進(jìn)行放大器設(shè)計(jì)或選用（如果需要）、基礎(chǔ)功能插件的選型以及信號(hào)總線(xiàn)的連接，完成系統(tǒng)機(jī)箱集成。

圖2 系統(tǒng)機(jī)箱設(shè)計(jì)流程

2.2 系統(tǒng)搭建

根據(jù)堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的功能需求，集成了三種機(jī)箱：

（1）測(cè)量機(jī)箱：由7 個(gè)放大卡、2 個(gè)信號(hào)采集卡、1 個(gè)處理卡、1 個(gè)CAN 通信卡、1 個(gè)RS485 通信卡和1個(gè)低壓電源組成，主要功能是對(duì)中子探測(cè)器組件電流進(jìn)行調(diào)理、采集和數(shù)字化處理；

（2）運(yùn)算機(jī)箱：由1 個(gè)主控制器卡、4 個(gè)CAN 通訊卡、4 個(gè)RS485 通信卡、2 個(gè)以太網(wǎng)通信卡、1 個(gè)信號(hào)采集卡、1 個(gè)模擬量輸入卡和1 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出卡組成，主要功能是匯總所有測(cè)量機(jī)箱測(cè)量結(jié)果、采集電廠工況信號(hào)，并據(jù)此進(jìn)行LPD/DNBR 快速計(jì)算；

（3）電源機(jī)箱：由2 個(gè)低壓電源組成，主要功能是為運(yùn)算機(jī)箱提供冗余的直流電源。

上述三種機(jī)箱組合成為堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理柜。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 設(shè)備設(shè)計(jì)

堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理柜的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，主要功能是完成中子探測(cè)器組件輸出信號(hào)的放大、采集、延遲消除以及LPD/DNBR 快速計(jì)算、通信等。

圖3 信號(hào)處理柜結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 工廠測(cè)試

對(duì)國(guó)內(nèi)外堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了梳理分析，并根據(jù)所有的采標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比工作，最終確定試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)條件。 針對(duì)信號(hào)處理柜樣機(jī)的最終試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比設(shè)備規(guī)格書(shū)要求指標(biāo)如表3 所示。

3.2.2 鑒定試驗(yàn)

信號(hào)處理柜樣機(jī)按照EJ/T 1197—2007 《核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定試驗(yàn)方法與環(huán)境條件》中K3 級(jí)設(shè)備要求進(jìn)行鑒定，試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

使用本文設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)功能插件搭建的堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理柜樣機(jī)完成了工廠測(cè)試，并順利通過(guò)K3 級(jí)設(shè)備的鑒定試驗(yàn)， 表明模塊化的設(shè)計(jì)方法能夠很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。利用基礎(chǔ)功能插件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)核電設(shè)備及系統(tǒng)的快速研發(fā)，并有助于形成標(biāo)準(zhǔn)化的系列產(chǎn)品。

表2 信號(hào)處理柜樣機(jī)工廠測(cè)試結(jié)果

表3 信號(hào)處理柜樣機(jī)實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

表4 信號(hào)處理柜樣機(jī)鑒定試驗(yàn)結(jié)果