HPR1000與AP1000堆芯測量系統差異性分析

蔣波 王雷 江易蔚

【摘 要】堆芯測量系統實現了反應堆內部中子通量、溫度等參數的實時在線監測，對核電站的安全、經濟運行起到了關鍵的作用。AP1000是從美國引進的第三代核電技術，HPR1000是我國自主開發的第三代核電技術，兩種堆型的堆芯測量系統在設計上具有相似性，但在系統功能、系統組成和系統結構上存在一定的差異。本文通過比較兩者堆芯測量系統的相同點和不同點，為后續堆芯測量系統的優化設計提供建議。

【關鍵詞】堆芯測量;HPR1000;AP1000

中圖分類號： TM623.2文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）25-0078-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.038

Analysis of In-core Neutron-temperature Measurement System between HPR1000 and AP1000

JIANG Bo WANG Lei JIANG Yi-wei

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610000，China）

【Abstract】The In-core Neutron-temperature measurement system realizes real-time online monitoring of parameters such as neutron flux and temperature inside the reactor，it plays a important role in nuclear power plant.AP1000 is a third-generation nuclear power technology introduced from the United States，HPR1000 is a third generation nuclear power technology independently developed by China.The design of the In-core Neutron-temperature measurement system between the two technologies is similar，but there are some differences in system function、system component and system structure.By analyzing the similarities and differences of the two In-core Neutron-temperature measurement system，and gave some suggestions for the optimization of the ?In-core Neutron-temperature measurement system.

【Key words】Core measurement;HPR1000;AP1000

0 引言

堆芯測量系統為核電站反應堆的專用儀控系統，用于提供反應堆堆芯中子通量分布、燃料組件出口以及反應堆壓力容器上封頭腔室內反應堆冷卻劑溫度和反應堆壓力容器水位的測量數據，實現對堆芯狀態的實時監測，并根據這些測量數據結合反應堆的其他狀態參數計算反應堆的功率分布、燃料組件的線功率密度（LPD）、偏離泡核沸騰比（DNBR）、堆芯水位和最低過冷裕度等，對反應堆的安全運行具有重要的作用。為確保反應堆壓力容器下封頭的完整性，降低堆芯熔化和泄露的概率，三代核電的堆芯測量系統的測量組件均從反應堆壓力容器的頂蓋引入，取消了反應堆壓力容器下封頭貫穿件以提高反應堆的整體安全性。

AP1000是美國西屋公司開發設計的第三代核電堆型，HPR1000是具有中國完全自主知識產權的三代核電技術，HPR1000與AP1000的堆芯測量系統在設計與實現上具有一定的相似性，但又存在不同，本文從系統功能、系統組成和系統結構特點分析兩種典型的三代核電堆芯測量系統的相同點和不同點。

1 系統功能差異性分析

AP1000堆芯測量系統的主要功能包括：為堆芯核運行最佳估計分析器（BEACON）在線三維中子注量率圖提供數據，這些數據用于堆型性能優化，也用于校準保護和安全監測系統（PMS）中使用的堆外中子探測器;為PMS和多樣化保護系統（DAS）提供熱電偶信號，用于堆芯過冷度監測系統監測事故后的堆芯出口溫度。

HPR1000堆型為我國自主化的三代百萬千瓦級壓水堆，HPR1000的堆芯測量系統功能包括：采集自給能中子探測器的電流信號，實時測量堆芯中子通量，在線計算DNBR和LPD，繪制通量圖和運行圖，并結合反應堆其他的工況數據，計算核儀表系統功率量程校準參數;提供反應堆燃料組件冷卻劑最高溫度核平均溫度，根據反應堆冷卻劑系統提供的主回路壓力和安全殼大氣監測系統提供的安全殼大氣絕對壓力計算反應堆冷卻劑飽和溫度，并由此計算反應堆冷卻劑的最低過冷裕度;提供反應堆壓力容器內水位信息，尤其在事故后工況下，為操縱員提供壓力容器內水裝量判斷所需要的信息。

從系統功能比較，兩種堆型均具有中子堆芯中子通量監測和溫度監測功能，但HPR1000堆芯測量系統包含了壓力容器水位測量功能，該功能用于監測堆芯水裝量的變化，監測反應堆的堆芯是否裸露，為操縱員評估、診斷事故后工況下的一回路熱工水力狀況提供重要的信息，可作為采用事故后控制策略和操作規程的重要判據。

2 系統組成差異性分析

AP1000堆芯測量系統在157組燃料組件中的42組中設置了測量管，具有42個測量通道，安裝有探測器的儀表套管通過反應堆壓力容器頂蓋后插入燃料組件中。堆芯測量系統包括兩部分：42個堆芯儀表套管組件，信號處理和和數據處理設備。每個堆芯儀表套管內都包括7個釩（V-51）熱中子自給能探測器和1個K型（鎳鉻-鎳鋁）熱電偶，自給能探測器位于堆芯活性區，熱電偶位于燃料組件出口。每個儀表套管組件內的探測器信號經過一體化堆頂組件后，7個自給能探測器信號和熱電偶信號分別與信號處理機柜和補償箱連接。42組自給能探測器信號分兩路傳輸到信號處理機柜中進行數字化處理，信號處理機柜中的電流/電壓信號轉換設備采用模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號。42個溫度測量信號中的38個信號分別送往保護和安全監測系統B列和C列的1E級數據處理子系統中，其余4個信號送入多樣化保護系統中。

HPR1000堆芯測量系統在177組燃料組件中的44組中設置了測量通道，采用44個中子-溫度探測器組件、4個水位探測器組件和信號處理設備來實現測量和監測功能。每個中子-溫度探測器組件由7個銠自給能探測器和1個K型熱電偶，每個水位探測器組件布置了兩個水位測點，采用熱導式水位傳感器進行測量。308個SPND電流信號分四路送入4個處理柜中，44個溫度測量信號及4個水位測量信號分別送入2個堆芯冷卻監測機柜中。

AP1000與HPR1000堆芯測量系統的自給能中子探測器采用不同的材料，AP1000自給能探測器采用釩發射體，HPR1000自給能探測器采用銠發射體。釩發射體的熱中子反應截面小、燃耗率低，半衰期長，釩自給能探測器的使用壽命長，對反應堆的局部功率擾動小，但靈敏度低，信號延遲響應時間長;中子-溫度探測器組件安裝于燃料組件的儀表管內，由于儀表管內徑小，為提高中子靈敏度，需要采用較長的靈敏段，每個組件內7支釩自給能探測器的靈敏段長度不一致，一支釩探測器的靈敏段長度為堆芯高度，其余6支自給能探測器的長度以堆芯高度的1/7順序遞減。銠發射體的熱中子反應截面大、燃耗率高，半衰期短，釩自給能探測器的靈敏度高、但相對壽命短，對反應堆的局部功率有一定的擾動;銠自給能探測器的靈敏高，中子-溫度探測器組件中的7支探測器采用相同長度靈敏段，沿堆芯活性段高度等距布置。

3 系統結構差異性分析

AP1000堆芯測量系統的中子-溫度測量組件信號通過一體化堆頂組件后，在接線板上7個自給能探測器信號與熱電偶信號分開，采用兩組獨立的電纜和連接器，分別與信號處理機柜和補償箱連接。294個中子信號分兩路傳輸到核島內的兩個自給能探測器信號處理機柜中，在信號處理機柜中將模擬信號轉換為數字信號，這些數字信號采用多路復用傳輸方式，采用兩個獨立的通信鏈路通過電氣貫穿件傳送到安全殼外。數字信號通過高速以太網送到多重計算機服務器，然后傳送到堆芯核運行最佳估計分析器（BEACON）中，結合其他數據計算反應堆三維堆芯功率分布、DNBR、LPD，并為反應堆運行人員提供可視數據、報警信息。42個溫度測量信號中的38個1E級信號分別送往保護和安全監測監測系統B列和C列的1E級數據處理子系統中，用于堆芯冷卻監視計算。其余4個非1E級信號送入多樣化保護系統中，經過處理后在多樣化保護機柜和主控室的DAS專用盤上進行顯示。

HPR1000的堆芯測量系統中子-溫度測量組件信號進過一體化堆頂組件、連接板后，后分兩路通過電氣貫穿件，中子和溫度測量信號在電氣貫穿件外側分開。308支中子信號分四路送入4個中子通量測量信號處理柜中，每個處理柜堆對采集到的電流信號進行查差分、濾波、A/D轉換、信號延遲消除等處理，同時接收電廠工況信息及其他計算參數，進行LPD和DNBR快速計算后將數據發送至控制柜，控制柜實現堆芯三維功率分布顯示，LPD和DNBR精細計算、運行圖、報警、堆外核測量系統校準系數計算。經運算處理后，實時顯示堆芯三維功率分布，各SPND測點對應的中子通量和設備狀態等信息，并將部分結果輸出至DCS進行顯示和記錄，同時送至主控室專用顯示器顯示。堆芯冷卻機柜實現溫度轉換、測量校核、飽和溫度計算、過冷裕度計算、水位計算等數據處理，并將堆芯溫度、水位信息輸出至電廠計算機信息和控制系統、記錄儀、后備盤常規指示儀和服務單元監測堆芯溫度、壓力容器水位信息。

AP1000堆芯測量系統的中子信號處理機柜位于安全殼內，對模擬信號進行數字化處理后傳輸至安全殼外，可以使穿過電氣貫穿件的導線數量顯著減少，但機柜需要滿足安全殼內運行環境要求。HPR1000堆芯測量系統的信號處理柜位于安全殼外，穿過電氣貫穿件的導線數量多，但對機柜的環境適應性要求較低。

4 結語

本文對兩種典型的三代核電堆型HPR1000和AP1000的堆芯測量系統的功能、系統組成、結構特點進行比較，并對其中的差異性進行分析。兩種堆芯測量系統為適應各自的堆型特征而采取不同的功能、探測器類型、設備布置、信號傳輸模式，均能滿足三代核電堆芯測量要求，后續可根據其系統建設成本、設備使用壽命、維護頻率、運行成本綜合考慮，對其系統進行優化。

【參考文獻】

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