自給能探測器絕緣性能的測量在田灣核電站的應用

孫勇 劉哲 徐東 沈鼎

摘 要

田灣核電站所采用的VVER機組是俄羅斯準三代核電技術，其中子通量監測是由銠自給能探測器進行的，該探測器參與反應堆保護，因此其絕緣性能關系到核電站的安全穩定運行。因此儀控人員需對該探測器的絕緣性能及時進行測量，密切關注該探測器的正常與否。本文通過介紹其測量方法在田灣核電站的應用，給相關的工作人員提供參考，同時對其他同類型機組及探測器研發單位提供良好的借鑒意義。

關鍵詞

自給能探測器;中子溫度測量通道;VVER機組;田灣核電站

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.049

0 概述

對于任何一座核電機組而言，反應堆中子通量的監測是核電廠關注的重點，而在田灣核電站，反應堆內中子通量的監測是由自給能探測器負責的，該探測器的性能，將直接影響中子通量監測的準確與否，尤其對于正在運行的核電站而言，是事關電站穩定運行的關鍵。因此，本文就如何對自給能探測器的絕緣性能進行測量進行闡述，并介紹其測量方法在田灣核電站的應用。

1 自給能探測器介紹

自給能探測器原理如圖所示，主要是由發射體、絕緣體以及收集體組成，其中，發射體是由一種合適的中子靈敏材料所構成的部件（60Co、195Pt、180HfO2、103Rh、51V、107Ag、109Ag），其產生電流的主要原理是中子與此材料發生核反應產生γ光子并產生同位素，γ光子與材料發生康普頓效應或光電效應產生電子形成電流，同時如果生成的同位素不穩定，則該同位素也可能發生β衰變產生電子形成電流;絕緣體由耐高溫、耐輻照以及具有良好電絕緣性質的材料（如Al2O3、BeO或者MgO），它既要保證發射體與收集體之間有一定的絕緣性，又要保證從發射體發射出的大部分電子能夠到達收集體，收集體的作用是收集由發射體發射出來的電子，材料必須是耐腐蝕、耐輻照的，而且在高溫下形變要?。ú讳P鋼），以保證探測器具有穩定的機械結構。

田灣核電站采用的是銠自給能探測器，集成在田灣核電站堆內核測系統的中子溫度測量通道中，一根中子溫度測量通道含有7個自給能探測器，其原理主要是用銠俘獲中子所放出的高能電子流進行測量，從而算出反應堆的中子通量，其原理如圖2所示。

根據此原理，生產出的銠自給能探測器結構如圖所示，其電流有本底電流與信號電流組成，該電流正比于中子通量，通過測量其電流，再通過軟件計算，即可得出中子通量密度。

2 自給能探測器絕緣性能的測量

根據自給能探測器運行手冊中的描述，自給能探測器的電流測量原理可用以下電路圖表示：

I0——測量電

Is——信號線電流

Ib——本底線電流

Icl——通信線電流

R1——信號線絕緣電阻

R2——本底線絕緣電阻

R1-2——線芯間電阻

r1≈r2≈r——各線芯的連續性電阻

I1、I2、I1-2——漏電流

根據此電路圖，測量電流與絕緣性能之間的關系可以用以下公式來表示：

I0=Is（1+r/R1+2r/R1-2）-Ib（1+r/R2+2r/R1-2）

由于R1≈R2≈R1-2>>r，所以該公式就近似表示為：

I0=Is-Ib

即測量電流為信號線電流減去本底線電流。

然而在實際運用的過程中，絕緣電阻R1和R2如果發生偏小的情況，則測量的結果就無法用近似公式表示了，從最初的公式以及電路圖可以看出，如果信號線和本底線的絕緣電阻R1 和R2有一個過小，會引起漏電流的增大，進而使得信號線電流Is或本底線電流Ib不準確，影響到自給能探測器信號的測量，所以在現場的實際使用中，工作人員需時刻關注自給能探測器的絕緣性能，一般來說需要關注的主要參數有4個：信號線電流、本底線電流、信號線絕緣電阻、本底線絕緣電阻。其絕緣性能測量主要圍繞這四個參數進行。信號線電流以及本底線電流可以在正常運行階段測量得出，信號線及本底線的絕緣電阻可由高阻表以不超過110V的電壓測量得出。

然而在田灣核電站的實際運用中，其絕緣性能的測量卻并不是那么簡單，由于自給能探測器是集成在中子溫度測量通道中的，為保證設備的完整性，其測量只能通過中子溫度測量通道的插孔處進行測量，在運行期間，中子溫度測量通道的安裝位置在反應堆壓力頂蓋下，且電纜已連接，無法直接進行測量，則需通過軟件測量的方式進行，所以在不同的階段，采用的測量方式是不同的，根據田灣核電站的實際運行經驗，自給能探測器的絕緣性能測量主要在以下幾個階段進行：

3.1 入廠檢查及定期檢查中對自給能探測器絕緣性能的測量

按照要求，新采購的中子溫度測量通道需在接收后一個月以內進行檢查，庫存的備件需要在每年檢查一次，在此期間需進行自給能探測器的絕緣性能檢查，其外觀如圖所示：

圖中所示是配合長周期換料所更換的新型中子溫度測量通道，可以看出，其接頭部分（左為電纜接頭，右為中子溫度測量通道接頭）較小，直徑僅為23.8mm，其中的14個插孔為信號線和本底線插孔，如果用高阻表直接進行測量，難度較大，因此在田灣核電站的實際運用中，是采用專用插線板與中子溫度測量通道連接，再用高阻表進行測量，根據技術規格書要求，需在溫度15～35℃，相對濕度不大于80%，超過30℃時，濕度不得超過70%的場所中開展，且中子溫度測量通道已在檢查場所放置逾24小時以上，在此情況下進行測量，信號線和本底線的絕緣電阻應不小于1GΩ，如果出現不符合測量標準的情況，則需進行調換或者報廢，不能在現場進行使用。

此方法也適用于機組大修或小修期間對應時間窗口中測量疑似故障的自給能探測器，以確定其故障與否，便于后續對其更換維修等操作。

3.2 正常運行期間的絕緣性能測量

在正常運行期間，探測器已置于反應堆中進行測量，通過高阻表進行測量的方式無法實現，因此在田灣核電站的實際運用中，是采用軟件測量的方式進行測量的，且集成有自給能探測器的中子溫度測量通道被分為4組保護通道，每一組皆參與到反應堆保護系統的4取2保護邏輯中，由于進行測量時是需要對自給能探測器施加不超過110V的電壓進行測量的，所以此項測量必須在退出單保護通道的情況下進行，每次只能進行一組保護通道的測量工作，否則會影響機組的安全穩定運行。

田灣核電站堆內核測系統對自給能探測器進行測量的軟件界面如下圖所示：

該界面被分為四行，每一行代表一組保護通道，進行測量時，每次只能進行一組保護通道，通過“Prot mode”來進行該通道保護狀態的退出保護和投入保護狀態的控制，在該通道退出保護后，方可進行絕緣性能測量，其測量過程分為四個步驟：信號線絕緣電阻測量、本底線絕緣電阻測量、本底線電流測量、置于信號測量模式。其中由于處在正常運行階段，信號線和本底線的絕緣電阻應不小于1MΩ，本底線的電流應為負值，當置于信號測量模式時，各探測器電流應已處于正常測量狀態，電流值應與測量前的數值無明顯差異。根據技術規格書要求，雖然每個月需進行一次絕緣性能測量，但每個通道的測量過程不得超過3min，否則會對探測器性能造成不利影響。

值得注意的是，進行測量時由于是對其施加電壓，因此自給能探測器的中子通量監測功能是無效的，在軟件中被設置為了不參與反應堆計算，田灣核電站所有燃料組件的線功率密度均是由周圍4根中子溫度測量通道（不同保護通道）來進行加權平均計算的，所以如果有一根退出計算，其計算結果有可能受影響，此為在運行期間執行絕緣性能測量可能發生的情況，所以相關工作人員在進行工作時需密切關注機組狀態，保障機組安全穩定運行。

3.3 故障情況下自給能探測器絕緣性能的測量

在正常運行期間，自給能探測器信號波動的情況時有發生，通常此類故障的排查按下圖進行：

造成此類故障通常有三個原因：信號處理模件故障、機柜插頭松動、自給能探測器本體絕緣性能下降。當排除前兩種原因后，為了確定是否是自給能探測器本體絕緣性能下降，需進行絕緣性能測量。

其測量的方式也是采用高阻表施加不超過110V的電壓的方式進行測量，但測量的位置并非中子溫度測量通道的接頭處，而是在下層保護機柜的機柜插頭處進行測量，且根據技術規格書要求，在運行期間的自給能探測器絕緣電阻的標準不同于非運行期間，應不小于1MΩ即可。

那么，經過絕緣性能測量，如果自給能探測器確實存在故障，在正常運行期間是無法進行維修及更換的，目前田灣核電站采用的是在軟件中進行計算屏蔽的方法，使故障自給能探測器不參與保護計算，在機組大修或小修時等待時間窗口進行維修更換處理。

4 總結

田灣核電站作為國內首家采用VVER機組運行的核電站，其堆內中子通量監測技術對于以后同類型以及其他類型機組有著良好的借鑒作用，同時對國內自給能探測器的研發有著極好的參考價值，本文通過介紹田灣核電站自給能探測器絕緣性能測量的實際運用，希望給予國內各核電站及探測器研發提供良好的幫助。