核電站啟堆期間中間量程通道調試分析

楊 杰

（三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

壓水堆核電站中，核儀表系統用于監測反應堆的實時功率，其調試工作主要在裝料后進行，需要根據實際工況對通道參數進行合理配置。核電站首次裝料后的核儀表系統調試工作較多，其中中間量程的調試從臨界前一直持續至滿功率。

本文主要介紹核電站中間量程在首次裝料后的各個試驗項目和方法，并對其調試特點和難點進行總結，同時對調試過程中的不足進行分析，用于指導后續機組的調試工作。

1 中間量程概述

核電站的核儀表系統通過測量反應堆泄漏中子通量從而監測反應堆實時功率，測量范圍大約為10-9%～2×102%功率[1]。為了能夠覆蓋全部測量范圍并且保證測量精度，將整個測量范圍分為源量程（Source Range，SR）、中間量程（Intermediate Range，IR）、功率量程（Power Range，PR），相鄰量程之間存在一定數量級的重疊區域，確保反應堆功率監測的連續性。

3個量程均采用獨立的探測器及通道，其中IR探測器采用裂變室。入射中子與裂變室中235U產生裂變反應，生成的裂變碎片使填充氣體產生電離，生成的帶電離子在高電壓場中被電極收集從而形成脈沖信號。IR探測器的輸出信號中，不僅有中子反應生成的脈沖信號，也有γ粒子通過光電效應等生成的脈沖信號，同時還有噪聲在電子線路中產生的干擾信號。由于中子脈沖信號的幅度高于γ脈沖信號和噪聲信號，因而可以使用甄別器篩選出需要的中子脈沖，即僅允許幅度高于甄別閾值的中子脈沖通過。

在較低中子場中，IR探測器輸出間斷的脈沖信號，可以通過脈沖甄別過濾掉γ和噪聲信號，即CPS（Count per Second，脈沖計數率）模式。在較高中子場中，IR探測器輸出的脈沖信號交疊為連續的交流信號，此時可以根據坎貝爾理論[2]得到信號的均方值，即MSV（Mean Square Voltage，均方電壓）模式。

圖1 IR信號處理流程Fig.1 IR Signal processing process

IR探測器的輸出信號分成CPS和MSV兩路并行處理。CPS信號處理，即甄別、整形后得到脈沖計數率（CRSE），再轉換為CPS功率（CRPI）。MSV信號處理，即濾波、衰減后得到RMS（Root Mean Square，均方根）電壓（MSVS），再轉換為MSV功率（MSVP）。兩種工作模式的功率轉換公式如公式（1）和公式（2）所示。式中，KCRI為CPS功率轉換系數，K1MS為MSV功率轉換系數。出廠預設值均為2，后續需根據工況調整。

CPS模式和MSV模式的信號處理方式不同，同時兩者之間存在一定的重疊區域。因此，需要進行加權運算，使兩種信號在一定區段內平穩切換，得到IR加權功率（SIRP）。IR加權功率（SIRP）經過修正后得到IR功率（NE002），修正系數KGIR出廠預設值為1，后續需根據工況調整。

IR信號處理的基本流程如圖1所示。

2 裝料后IR調試項目

首次啟堆期間，IR通道需要根據實際工況對通道參數進行調整，包括甄別電壓、增益系數、功率轉換系數、熱功率修正系數等。

2.1 甄別電壓調整

首次啟堆期間，IR通道的甄別電壓需要在模式3和模式2進行兩次調整，以確保在無中子場和有中子場中甄別器均能夠有效過濾掉γ信號和噪聲信號。

IR通道中設置有可調的衰減器，能夠使輸入信號的幅度同步縮小。如果衰減系數過大，中子信號、γ信號和噪聲信號的幅度差異過小，甄別器可能無法有效地識別出中子信號；如果衰減系數過小，中子信號的幅度可能超出甄別器的工作限值。因此，調整IR甄別電壓的同時，需要確定合適的衰減系數，以確保甄別電壓工作在甄別器硬件的有效范圍內。

模式3和模式2下繪制的IR甄別曲線形狀相似，即隨著甄別電壓的逐漸增大，通過甄別器的脈沖計數率逐漸減小。但兩次繪制的IR甄別曲線均未出現明顯的平穩區段，無法有效地區分中子和其它信號的分離點，即無法有效地確定合適的甄別電壓。

考慮到新反應堆本身的γ和噪聲分量遠小于中子分量。因此，模式2試驗后保持當前配置。經過后續升功率驗證，當前配置能夠保證IR通道正常工作。

2.2 MSV系數調整

首次啟堆期間，IR通道的MSV增益系數和MSV功率轉換系數需要在25%功率時進行調整，以使MSV通道能夠發揮其最佳性能。

MSV通道中的RMS電壓通過輸入卡件AI688送至處理器，而AI688可接收信號范圍為0V～10V。因此，需要調整MSV增益系數，使RMS電壓為10V時對應MSV功率200%，從而盡可能地提高MSV通道精度。根據公式（2），MSV功率（MSVP）與RMS電壓（MSVS）的平方成正比，故可以直接根據當前熱功率值得到RMS電壓期望值3.54V。

反應堆的熱功率[3]通過監測二回路的壓力、溫度、流量等參數并進行計算得到，能夠較為準確地表征當前反應堆的實際功率。而核儀表系數測量的核功率誤差較大，在較高功率時需以熱功率作為基準。因此，需要調整MSV功率轉換系數，使MSV功率值與熱功率值一致，即MSV功率能夠表征當前實際功率。根據公式（2），MSV功率（MSVP）與MSV功率轉換系數（K1MS）成正比，因而獲取當前熱功率值、當前MSV功率值、K1MS當前值后，可以計算得到K1MS目標值。

2.3 CPS功率轉換系數調整

首次啟堆期間，IR通道的CPS功率轉換系數（KCRI）同樣需要在25%功率時進行調整。但CPS模式僅在較低功率時使用，此時熱功率測量不準確，故無法直接將CPS功率與熱功率進行比較。但可以利用MSV功率作為中間量將兩者進行比較，根據較高時的熱功率值和MSV功率值得到模式切換期間期望MSV功率值，即期望CPS功率值。

需要注意的是，較高功率時的熱功率和MSV功率值必須采用MSV參數調整前的數值。但設計方提供的原調試程序中，采用的是RMS增益系數調整后、K1MS調整前的數值，導致計算出的KCRI值與正確值偏差較大。

2.4 IR熱功率修正系數調整

首次啟堆期間，IR熱功率修正系數（KGIR）需要在100%功率進行調整，以確保滿功率工況下IR功率值與熱功率值一致。

2.5 IR高電壓調整

首次啟堆期間，IR高電壓需要在100%功率進行調整，以確保探測器中反應生成的帶電粒子均能夠被電極收集。裂變室工作在中子探測器V-A特性曲線的飽和區，即一對帶電粒子在電場中產生電離并被收集到的離子對數在一定高電壓范圍（即坪區段）內保持不變。

功率較高時，探測器內的帶電離子較多，更有利于確定坪區段。因此，選擇在100%功率時繪制坪曲線并調整高電壓。

3 中間量程調試特點

3.1 調試重點

相對于較為成熟的堆型，新堆型的理論設計和工程實際之間存在著較多偏差，IR通道的調試有以下特點：

1）可調參數較多。調試階段IR通道包含較多可調參數，硬件處理環節有衰減系數、甄別電壓、MSV增益、高電壓，軟件處理環節有MSV功率轉換系數、CPS功率轉換系數、熱功率修正系數。

2）多個參數聯調。調試階段IR通道多個可調參數需要同時或先后進行調整，以期望通過聯調使通道發揮最佳的性能。例如，調整甄別電壓時需同時調整衰減系數，使甄別器發揮較佳的硬件性能。

3.2 調試難點

新堆型在首次啟堆期間依據實際工況對設計和程序進行驗證，IR通道的首次調試有以下難點：

1）工況考慮不足。例如，繪制的甄別曲線與預期差異較大。

2）參數偏差較大。例如，RMS增益系數調整前后的MSV功率分別為約44%和約25%，KCRI數值從2調整至約7.5。

3）程序存在錯誤。例如，原程序中KCRI調整時未考慮到RMS增益系數調整的影響。

4 結論

核電站中間量程通道在調試過程中存在明顯的特點。其調試過程，可以有效地作為后續機組的借鑒，確保調試過程能夠順利開展。其調試結果可以充分地反饋在堆型設計中，優化設計使調試過程更加精煉。