三門核電堆內儀表系統特點分析

摘要：文章從三門核電堆內儀表系統（In-core Instrumentation System，簡稱IIS）的功能及結構出發，對堆內儀表系統的特點進行介紹，并通過與秦山一期、田灣核電等核電廠的堆內儀表系統進行比較，分析了三門核電堆內儀表系統的優缺點。

關鍵詞：三門核電；堆內儀表系統；核反應堆；信號處理機柜；探測器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2015）22-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.040

1 概述

三門核電堆內儀表系統對反應堆功率及堆芯出口溫度進行測量，并將堆芯熱功率、停堆反應性限值裕量、堆芯出口溫度等信息在主控室進行連續顯示，對操縱員評估堆芯工況有重要意義。

2 系統功能

2.1 堆芯出口溫度監測

堆內儀表系統對所選堆芯位置的燃料組件的出口溫度進行監測，并可在事故后提供反應堆堆芯出口的主冷卻劑溫度信息，作為操縱員在事故情況下評估堆芯工況的重要依據。

2.2 堆芯功率監測

堆內儀表系統對堆芯功率進行監測，生成3D堆芯功率分布圖并在主控進行實時顯示。此外，還可以根據堆芯功率分布信息計算出實際的堆芯峰值因子，連續顯示這些限值裕量信息，使反應堆操縱員可評估實際堆芯工況，并在低裕量和超限時提醒操縱員。

3 系統結構

堆內儀表系統設備主要包括堆內儀表套管組件、儀表格架組件、信號處理機柜和應用服務器。

3.1 堆內儀表套管組件

核電廠的堆內核測系統可分為移動式和固定式兩種。移動式測量系統的探測器不能長期安裝在堆芯內，只能定期插入堆芯進行短時間測量，因此不能對堆芯進行實時監測。三門核電堆內儀表系統采用固定式測量，將堆內儀表套管組件（IITA）固定安裝在堆芯進行實時監測。堆內儀表系統共有42個IITA，每個IITA中有1個堆芯出口熱電偶（CET）和7個不同長度的自給能中子探測器（SPD），其中最長的SPD覆蓋了整個堆芯活性區域的高度，其他6個SPD以最長探測器的1/7長度順序遞減，見圖1。探測器的引出電纜布置在活性區域以上，保證了每個SPD的電纜長度一致，因此通過探測器間的差分比較消除電纜噪聲電流對SPD信號的干擾。

3.2 儀表格架組件

三門核電堆內儀表系統采用從壓力容器頂蓋插入的方案，利用一個可移動的儀表導向通道系統（即儀表格架組件IGA），將IITA從頂蓋外面引入壓力容器內，在停堆換料時可以將活化的IITA隨IGA和上部堆內構件留在水下。在IITA貫穿頂蓋處，采用8個快速連接裝置（Quickloc）實現一回路壓力邊界密封，并能在停堆換料時快速地拆除與連接。

儀表格架組件為IITA在壓力容器內部提供連續的導向通道，引導IITA穿過上部堆內構件的42個支撐柱，并最終引導至42個不同位置燃料組件的儀表導向管內。

IGA主要由儀表格架板、導向套筒、IGA IITA管束及支撐結構、Quickloc棒束、儀表導管和套管組件等組成。

儀表導管固定連接在儀表格架板底部，而套管則套裝在儀表導管的外部，兩者可以相對滑動。在正常運行位置時，儀表導管和套管重合套在一起，并插入在上支撐柱內，套管底部由上支撐柱下面的儀表轉接器托住。在停堆換料期間，當提升儀表格架組件時，儀表導管隨儀表格架板向上提升，套管起初由儀表轉接器托住，在支撐柱內保持不動。當IGA提升約燃料組件長度的一半高度時，儀表導管完全從上支撐柱中抽出，而套管還在上支撐柱中；在IGA提升剩余一半高度的燃料組件長度時，套管在儀表導管的帶動下也從上支撐柱中逐漸抽出，但套管底部始終在上支撐柱內。IGA的這個設計特點，為IITA提供了完整的導向通道，這樣即使IGA在完全提升位置，IITA在整個長度上都處于導向通道的保護中。

3.3 信號處理機柜及應用服務器

堆內儀表系統的信號處理機柜接收到SPD電流信號后，通過放大器卡件對信號中中子響應特性有關的信號響應延遲進行補償，并將探測器數據格式化后送給通訊卡件，再送至媒體轉換器組件，媒體轉換器組件將電信號轉換成光信號后送給應用服務器進行運算處理，生成3D堆芯功率分布圖。

堆內儀表系統采用冗余配置，每個放大器卡件將處理后的SPD信號分別送到兩個獨立的通訊卡件，再經兩個獨立媒體轉換器組件轉換后送至兩個獨立的應用服務器進行運算處理，因此每個應用服務器得到的都是全部SPD信息，從而在任意一個通道故障的情況下都能保證堆內儀表系統功能的完整性不受影響。

信號處理機柜位于安全殼內，應用服務器位于計算機房間的數據顯示和處理系統（DDS）機柜內。信號處理機柜在不少于22.5個月的平均故障間隔時間內，能承受安全殼內臨近處的所有非事故的，預期可能存在的溫度、濕度、輻照劑量水平和電磁干擾的環境條件，設備的性能不會降低。

4 三門核電堆內儀表系統的特點

4.1 探測器特點分析

4.1.1 采用超長探測器，提高探測器熱中子靈敏度。由于中子靈敏物質的質量越大其熱中子靈敏度就越高，因此可以通過增加發射體體積（長度或直徑）來提高熱中子靈敏度。但由于發射體的直徑受β粒子在發射體中最大射程的限制，增加直徑所帶來的提升不大，所以增加發射體的長度是提高熱中子靈敏度的最有效方法。三門核電采用釩中子探測器，但由于釩的熱中子靈敏度較低，因此采用增加發射體長度的方式提高探測器的熱中子靈敏度。

VVER1000也采用固定式的堆內核測系統，其選用的銠探測器長度為250mm，而三門核電的釩探測器最短約為610mm，最長約為4300mm，分別是VVER1000銠探測器長度的2.4和17.2倍，因此大大提升了釩探測器的熱中子靈敏度。

4.1.2 探測器壽命長。由于釩探測器具有低燃耗的特性，因此三門核電的釩探測器設計壽命較長。VVER1000中銠探測器的設計壽命為4.6年，而三門核電的釩探測器的設計壽命為20年，是銠探測器壽命的4倍以上。

4.2 IGA特點分析

4.2.1 使探測器從壓力容器頂蓋插入，降低泄露風險。秦山一期壓力容器底封頭有中子測量貫穿件，如果底部貫穿件失效，造成LOCA事故，并有堆芯裸露的危險。

三門核電堆內儀表是從壓力容器頂蓋插入的，取消下封頭貫穿件，避免因下封頭貫穿件失效而引起的LOCA事故。

4.2.2 貫穿件數量少。秦山一期壓力容器頂蓋有2個熱電偶貫穿件，底封頭有30個中子測量貫穿件，共有32個，貫穿件數量較多。

三門核電堆內儀表系統通過IGA上8個Quickloc棒束將42個IITA固定在堆芯的指定位置，因此只需要8個貫穿件就能完成全部的堆芯出口熱電偶和中子測量通道。

4.2.3 為探測器提供保護通道。IITA安裝并固定在儀表格架組件上。在停堆換料期間，當換料水池充滿水后，通過提升儀表格架組件將42個IITA從燃料組件中抽出，這個設計特點為IITA提供從IGA至上支撐柱連續導向通道。當IITA完全從燃料組件儀表導向管抽出時，將IGA相對于上部堆內構件固定，然后隨上部堆內構件一起從壓力容器內移至存放臺架上。

4.2.4 降低輻射劑量。在整個換料操作過程中，IITA的高放射性部分始終維持在足夠深度的水面之下，為操作人員提供安全的輻射屏蔽。Quickloc快速連接裝置實現壓力邊界密封迅速拆除和回裝，減少職業輻照暴露時間及縮短停堆換料時間，提高核電廠經濟性。

5 結語

三門核電堆內儀表系統采用固定在線式，能實時連續地給出三維堆芯功率分布和堆芯參數，操縱員可以根據堆芯狀況變化趨勢提前采取措施，防止堆芯偏離正常運行限制。三門核電堆內儀表系統與國內運行核電站的堆內儀表系統有較大區別，尤其是儀表格架組件和Quickloc快速連接裝置在國內核電站尚屬首次應用，因此帶來的密封

泄漏風險、IITA更換操作等問題需要予以關注。

參考文獻

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統與設備[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 賀治國.我國壓水堆固定式堆芯核測技術的差異性分析[M].北京：中國核工業音像出版社，2013.

作者簡介：付龍俊（1988-），男，河南新鄉人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：堆內/堆外儀表系統（IIS/NIS）的調試及維護。

（責任編輯：秦遜玉）