某研究堆中子計數裝置工作異常的分析與處理

杜雙+余峰+肖克雅

摘 要 本文介紹了某研究堆寬量程中子計數裝置在臨界實驗中工作異常的現象，并對此進行了原因分析。文章介紹了寬量程中子計數裝置的工作原理，并從一次儀表、二次儀表、信號電纜和干擾源4個方面進行了詳細的分析與驗證。

關鍵詞 某研究堆；寬量程中子計數裝置；探測器；信號電纜；電磁干擾

中圖分類號 TL411 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0263-02

2014年3月，在某研究堆上對核電操縱人員進行臨界操作培訓時，發現兩臺寬量程中子計數裝置（簡稱計數裝置）測量工作異常，現象主要體現在臨界外推過程中，中子計數漲幅不符合外推曲線規律。根據多次臨界操作培訓的經驗和現象分析，初步判斷兩臺寬量程中子計數裝置工作異常，急需進行檢修排查。經排查故障原因確定為探測器性能變差、外部低壓電源性能變差產生的干擾兩個主要因素，通過對相應設備的更換解決中子計數裝置不能正常工作的問題。

1 故障現象

正常的臨界操作培訓過程中，中子計數裝置的狀態體現如下：

1）因未帶功率運行，中子脈沖本底較低造成的中子計數漲幅很小。但分階段提棒引入反應性較大時，完全可以根據兩臺計數裝置數據進行臨界外推。

2）次臨界度較淺時，分階段將3SB/6SB由0提至臨界棒位時，中子計數漲幅滿足外推曲線規律。（2013年12月18日臨界操作培訓臨界外推數據見附表1）

此次培訓過程中，計數裝置的狀態異常。在臨界操作培訓過程中，外推無法利用兩臺計數裝置數據進行，主要是靠已知臨界棒位，在已知次臨界深度的情況下，進行1/2或1/3計算逐步達臨界。（詳見附表1 2014年3月18日臨界操作培訓）

2 工作原理

中子計數裝置主要包括5個NIM插件：前級單元、處理單元、輸出單元、高壓單元和低壓單元。

3 故障排查

針對目前某研究堆臨界外推的現象，專業組人員對控制保護系統進行了全面的檢查，將此次故障排查的重點集中在儀器本身，包括兩臺中子計數儀器、兩套裂變電離室及傳輸信號電纜上。為了排除故障，本次檢修工作主要從二次儀表和一次儀表兩個方面進行。

3.1 二次儀表排查

為了檢查和確認二次儀表出現故障的可能性，專業人員首先對儀器進行了自檢（計數通道檢查，周期檢驗），儀器各項功能正常。其次針對中子計數漲幅不明顯的現象主要檢查了前級單元和處理單元。在此次故障現象之前，閾值通常為5V左右，且完全滿足臨界外推的要求。此次故障現象出現后，專業人員結合運行人員次中子脈沖本底較低的分析，將閾值調至4.2V和4.0V，中子計數率變高，運行人員重復分階段提棒，故障現象無變化。此次故障現象發生后，兩臺儀器的處理單元顯示數據的波動性基本相似，排除處理單元故障。使用檢測儀表檢測高壓單元電壓和低壓單元電壓，數值均正常，且電壓均穩定。

3.2 一次儀表排查

經過前期對一次儀表、二次儀表的故障排查，發現二次儀表本身工作正常，無故障，而一次儀表（即裂變電離室）故障可能性高，其可能原因是電離室已超過使用壽期，導致性能下降引起的。經過專題會議進行討論，確定了兩個方案。第一方案主要內容為：在堆芯放入一枚中子源，人為提高堆芯中子脈沖本底，且暫不更換裂變電離室。第二方案為更換裂變電離室，完全匹配的電離室采購周期較長，考慮采用其他型號電離室暫時代替，但其中子信號計數率可以滿足某研究堆計數要求。

實驗結果如下：除了計數明顯變大，其漲幅與核電培訓異常現象一致，一方面由于反應堆長期不運行，堆內中子計數本底本身較低，加入的中子源強度為107量級，量級較低不足以對實驗數據帶來較大變化，另一方面，裂變電離室性能本身已經下降，其靈敏度不夠，導致漲幅不明顯。（詳見附表1 2014.3.21實驗數據）

更換兩套裂變電離室后，驗證結果如下：中子計數率漲幅基本滿足臨界實驗的要求，但是，還存在穩定性差、波動幅度大等問題。更換電離室解決了原電離室性能下降的問題，但儀器本身還存在其它干擾的問題。導致外推結果不理想。附表四和附表五為裂變電離室檢修完畢后臨界外推的數據。

4 解決故障

經過對設備本身、儀器連接線的故障排查均未發現異常，更換探測器后中子計數裝置的計數漲幅基本滿足臨界實驗的要求，但是，還存在穩定性差、波動幅度大等問題。更換電離室解決了原電離室性能下降的問題，但儀器所受干擾仍然存在。

根據分析，此次現象確實表明低壓電源對該裝置的計數影響明顯，經檢查，保護柜A柜和B柜共有4塊低壓電源，棒控柜A柜和B柜共有4塊低壓電源，其型號均為4NIC-Q系列朝陽電源，且其外形為黑匣子，無法檢修。其工作原理為通過處理，將外電220V交流電源轉變為±15V和+24V三種直流電源。低壓電源在工作過程中產生脈沖信號或開關量處理信號，并會產生大量熱量影響該裝置。

處理方案：正常情況下，低壓電源性能正常時，對裝置計數無影響，出現此次現象后，專業人員將保護柜四塊低壓電源進行了排查，發現有兩塊低壓電源性能降低，更換電源后，計數裝置的計數率在不提棒狀態下計數為個位計數，現象正常。在一周的現象觀察后，此次中子計數裝置異常排查工作告一段落。在后期的臨界實驗中，兩臺計數裝置表現良好，臨界實驗順利進行，至此，外部干擾對周期的影響得到了解決。

5 結論

此次中子計數裝置異常狀態的檢修分別解決了電離室超過使用壽期性能下降的問題、主控室其它儀器儀表對裝置的干擾問題，徹底解決了臨界實驗和開堆過程中兩臺裝置計數不能正常工作的問題，為反應堆的安全運行提供了必要的保障。

參考文獻

[1]劉增良，劉國亭.電氣工程CAD[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[2]中國建筑東北設計研究院.《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16—2008）.北京：中華人民共和國建設部，2008.