高通量工程試驗堆臨界裝置儀控系統改造

王 雷，江易蔚，蔣 波，李 普，何佳謙

（中國核動力研究設計院，成都610005）

高通量工程試驗堆臨界裝置HFETRC（high flux engineering test reactor critical assembly）承擔高通量工程試驗堆HFETR 零功率物理試驗研究的任務，自2007年完成元件低濃化試驗后長期處于封存狀態。

目前，某在建的試驗堆堆芯、孔道布置方案與HFETR 均不相同，采用的燃料組件、控制棒組件等堆芯部件與HFETR 也有所不同。為檢驗該新建試驗堆堆芯核設計計算程序的計算精度和可靠性，需要在HFETRC 上開展新建試驗堆臨界物理試驗。

根據新建試驗堆臨界物理試驗要求，在恢復HFETRC 功能的前提下，需要對臨界裝置進行相應改造。

1 HFETRC 儀控系統現狀

HFETRC 儀控系統根據HFETR 臨界試驗條件進行建造，系統整體仿照高通量堆儀控系統進行設計，包括核測系統、保護系統、信號報警系統、棒控系統和輻射監測系統。

1）核測系統 利用核探測器對臨界裝置中子注量進行監測，并設置保護閾值，將保護信號提供給保護系統[1]；2）保護系統 將核測系統各個通道提供的保護信號通過保護邏輯進行整合，觸發保護動作并提供報警信號輸入；3）信號報警系統 將設備的工作狀態通過光字牌并結合聲光報警進行顯示[2]；4）棒控系統 執行操縱人員控制指令，通過改變控制棒插入堆芯的位置控制反應性，并在緊急情況下執行安全棒落棒等操作，確保反應堆運行安全[3]；5）輻射監測系統 相對獨立，用于檢測試驗環境輻射劑量，確保人員安全。

由于臨界裝置長期封存，在前期檢查過程中發現臨界裝置儀控系統插件損壞較為嚴重，且原有儀控系統并不滿足新建試驗堆臨界物理試驗操作要求，因此在恢復原有系統功能的前提下對臨界裝置進行了相關改造。改造內容包括在原有系統基礎上對控制邏輯的改造、根據試驗要求需要新增的改造及維修改造，涉及棒控系統、掉棒時間測量和外電源失電保護等模塊。

2 控制邏輯改造

控制邏輯改造主要針對棒控系統進行改造。HFETRC 棒控系統由低壓電源、X 環節、 安全聯鎖、控制條件、棒控邏輯、電機驅動等插件組成。棒控系統組成如1 所示。

圖1 棒控系統組成Fig.1 Composition of rod control system

X 環節接收所有棒到底信號，將觸點信號輸送到保護機柜，作為保護投入的必要條件；

安全聯鎖安全連鎖邏輯條件包括只有保護投入安全棒才能正常提棒，只有安全棒全部到頂手動棒才能提棒；

控制條件勵磁監督、位置指示器正常作為提棒動作的必要條件；

邏輯電路接收各種控制條件和操作命令，進行邏輯組合，給出驅動電路的控制信號；

驅動電路接收邏輯電路信號控制電機方向和轉速。

臨界裝置采用2 根安全棒進行臨界監督，但新建試驗堆設計有4 根安全棒，這將導致臨界裝置原有棒控系統控制邏輯無法滿足此次臨界試驗要求。棒控系統安全棒和手動棒的主要區別在于，安全棒在緊急情況下，驅動機構中的電磁離合器會失電引起安全棒自由落體插入堆芯，使反應堆停閉，同時安全棒到頂作為手動棒提升條件，能夠防止手動棒提升過程中導致瞬發臨界事件的產生。雖然臨界裝置僅有2 根控制棒作為安全棒，但仍有另外4 根控制棒驅動機構中帶有電磁離合器，因此要達到新建試驗堆臨界試驗具備4 根安全棒的要求，僅需要對原有2 根帶有電磁離合器的手動棒控制邏輯進行改造，將其控制邏輯改造為安全棒控制邏輯。

HFETRC 控制棒分為安全棒2 根、手動棒8 根、自動棒2 根（自動棒執行手動棒控制邏輯）；新建試驗堆臨界試驗所需控制棒為安全棒4 根、 手動棒6根、自動棒2 根。臨界裝置與臨界試驗控制棒的對比見表1。

表1 臨界裝置與臨界試驗控制棒的對比Tab.1 Comparison of control rods for critical device and critical test

根據HFETRC 控制棒原有布局，結合臨界試驗方案堆芯布置及現場驅動機構布置情況，選取原3SB、6SB 手動棒改造為3AB、6AB 安全棒。安全棒和手動棒的控制條件與安全聯鎖條件不同。將原3SB、6SB 手動棒改造為3AB、6AB 安全棒的前后控制條件及安全聯鎖條件的變化見表2。

臨界裝置控制棒棒控邏輯全部由邏輯電路來實現，為了實現控制棒邏輯變化，同時減小改造范圍，采取對電路局部調整的方式實現對控制棒控制方式的改造。

在棒控機柜3KG 安全聯鎖電路上，斷開1AB和2AB 到頂信號送至3SB 棒控邏輯電路輸入端的信號，并增加一路保護投入信號送至3SB 棒控邏輯輸入端 （6SB 的電路調整在棒控機柜4KG 上完成，操作同上）。調整后，可實現安全棒提升條件邏輯的變化，其電路修改如圖2 所示。

表2 棒控系統改造前后邏輯條件的對比Tab.2 Comparison of logic conditions before and after rod control system modification

圖2 安全聯鎖電路調整前后的對比Fig.2 Comparison of safety interlock circuit before and after adjustment

在3SB 棒控邏輯電路中，引出2 對控制棒到頂常開觸點信號，分別至機柜3KG 和機柜4KG 的安全聯鎖電路中。其中，一對觸點信號與機柜3KG 上1AB 到頂常開觸點信號串聯接入，另一對觸點信號與4KG 上1AB 到頂常開觸點信號串聯接入。

在6SB 棒控邏輯電路中，引出2 對控制棒到頂常開觸點信號，分別至機柜3KG 和機柜4KG 的安全聯鎖電路中。其中，一對觸點信號與機柜3KG 上2AB 到頂常開觸點信號串聯接入，另一對觸點信號與4KG 上2AB 到頂常開觸點信號串聯接入。調整后，可實現手動棒提升控制邏輯的變化，其電路修改如圖3 所示。

在操作臺3SB 操作開關上，斷開3SB 的手動下降輸出觸點，在操作臺上慢停堆開關上引出一對慢停堆常開觸點，接入棒控邏輯電路中原3SB 手動下降輸入端，用慢停堆信號替代了原手動下降功能（6SB 電路調整操作同上），調整后可實現慢停堆驅動條件的變化。

電路調整后，在棒控測試機柜對棒控邏輯電路進行調速，將調整后的3SB、6SB 提升和下降棒速調整至20 mm/s，使其滿足了安全棒提升和手動下降速度。自此，在不破壞原電路板結構的條件下，通過更改輸入輸出邏輯，實現3SB 和6SB 從手動棒到安全棒最小化和最優化的改造。

3 落棒時間測量改造

安全棒落棒時間是關系反應堆安全的重要參數。HFETRC 落棒時間測量系統運行時，所測時間為安全棒離頂信號（上行程開關動作）至安全棒到底信號（下行程開關動作）之間的時間。但是，由于臨界裝置為防止安全棒落棒時撞擊底部發生反彈，在驅動裝置底部設置有一定距離的緩沖段，從而將控制棒快速下降行程分為自由落體段與緩沖段。快速停堆時，安全棒在自由下落到緩沖段后，由伺服電機帶動下插到底，由下行程開關來觸發制動電路使電機停止。如果測量包括緩沖段在內的安全棒落棒時間，則落棒時間必然超出臨界試驗安全限值，且不具備參考意義。因此，在自由落體行程段末尾，新增加一個行程開關用于落棒計時，確保改造后的落棒時間測量僅測量安全棒自由落體段的時間。

圖3 手動棒棒控邏輯電路調整前后對比Fig.3 Before and after adjustment of manual control rod logic circuit

在驅動機構旁增加的落棒計時行程開關如圖4所示。當控制棒下落到對應高度時，開關的通斷狀態改變，但不影響安全棒繼續下落。其安裝高度可調整，使對應落棒行程為800～950 mm。當新增落棒行程計時開關動作時，指示燈點亮，由此通過位置指示器觀察落棒行程，新增行程開關動作點可通過前面板指示燈觀測以及現場測量，落棒時間由時間測量裝置指示。

臨界裝置的時間測量插件，只能測量裝置上原有的限位開關狀態變化作為時間終點的掉棒時間，為適應新的掉棒時間測量方法，需要對時間測量插件進行改造。時間測量插件的改進原理如圖5 所示。

由圖可見，在時間測量插件后面板上增加1 個選擇開關，在插件前面板上增加1 個指示燈。在做落棒時間測量時，如選擇開關向上撥到 “全程”位置，則計時終點為原下限位開關動作，此時插件顯示全行程落棒時間；如選擇開關向下撥到“快速”位置，則計時終點為新增行程開關動作，此時插件顯示快速落棒時間。新增的指示燈只有在控制棒下落到新增行程開關對應位置后才點亮，以配合位置指示器監視新增行程開關所對應的控制棒位置。

圖4 新設限位開關示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of the new limit switch

圖5 時間測量插件改造Fig.5 Time measurement plug-in modification

圖5 中“新增電路”框內為此次改造的內容：

1）當S3 選擇開關置“1”位置時，該插件測量的全行程落棒時間，其測量原理與變更前相同；當下限位開關LX1 由常閉變為打開時，停止計時，計數器顯示落棒時間。

2）當S3 選擇開關置“2”位置時，該插件測量的為自由落體段落棒時間，LX2 為新增落棒計時行程開關。當LX2-1 由常閉狀態變為打開時，停止計時，LX2-2 由常開變為常閉，H1 指示燈亮，計數器顯示出快速落棒時間。

3）將被測試的安全棒提升到頂，慢速下插，當安全棒降到時間測量插件前面板指示燈亮時停止下插，在位置指示器上讀出棒下插行程，該行程即為安全棒落棒測量時間所對應的落棒行程（該行程≥800 mm）。

4 外電源失電保護信號改造

發生斷電事故時，反應堆通過UPS 供電，將會嚴重影響反應堆的運行安全，因而要求通過“外電源失電”保護信號實現立即停堆。經檢查發現，原失電監督繼電器供電接到了UPS 后，外電源失電，UPS對繼電器正常供電，無法起到對外電失電的監督作用。而且，外電源失電原為黃牌警告報警信號，現需要修改為紅牌停堆保護信號。

在外電源失電保護信號改造中，首先將失電監督繼電器線圈供電轉移到UPS 之前，采用外電源進行供電。當外電丟失后，機柜繼續通過UPS 供電，但外電源監督繼電器觸點信號發生變化，觸發保護系統停堆動作。HFETRC 供電系統原理如圖6 所示。

圖6 HFETRC 供電系統原理Fig.6 HFETRC power supply system schematic

HFETRC 報警系統安裝在1KG 機柜，查看5KG端子接線圖后可找到外電源失電監督繼電器，接線去向為1KG-X3-9 和1KG-X3-10，驗證了1KG-X3-9和1KG-X3-10 的2 根線為繼電器輸出到報警系統的觸點信號。改造后，需要將繼電器輸出的觸點信號連接至保護系統，由保護系統觸發停堆并觸發報警系統發出聲光信號。經檢查1KG 端子接線表，發現備用的保護系統信號接線端子X4-11 和X4-12，如圖7 所示，將失電監督繼電器輸出的觸點信號接到備用端子上，同時將該信號并聯至2KG 相同位置，完成失電監督改造。經功能驗證，改造后外電源失電保護動作正常。

圖7 HFETRC 報警信號和保護信號接線端子Fig.7 HFETRC alarm and protection signal terminals

5 結語

根據新建試驗堆臨界試驗，對HFETRC 提出的改造要求，對HFETRC 棒控系統、掉棒時間測量插件和外電源失電保護監督進行了改造。改造在原有電路設計的基礎上進行了小范圍的電路調整，并進行了充分的電路分析，能夠最大限度地保證改造的科學性和安全性。試驗驗證表明，改造內容安全可靠，保障了HFETRC 試驗的順利進行。