某研究性反應堆堆外核測量系統改造設計

王亞婷，張明葵，宋云鵬，呂 征，郭志家

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

某研究性反應堆是以中國原子能科學研究院101 研究堆為原型設計的重水反應堆，額定核功率為15MW[1]。反應堆在啟動和運行過程中，必須對堆芯核功率進行連續不斷地測量和監視，以保證反應堆的安全。監測手段一般分為堆內和堆外兩種。堆內核測量系統由于受到堆內高輻射和探測器壽命限制，一般僅用于定期獲得堆芯功率分布，無法做到連續監測。因此，只能借助堆外核測量系統對堆芯功率進行連續監測[2-3]。堆外核測量系統通過電離室探測器，連續測量反應堆堆芯外一定位置上，從30W ～30MW（200%額定功率狀態）的中子注量率信息，提供用于反應堆的安全保護及自動功率調節的輸入信號，向運行人員提供反應堆停堆、啟堆和運行期間反應堆的核功率，保證反應堆的安全運行[4]。

圖1 電離室布置及功能分配示意圖Fig.1 Schematic diagram of ionization chamber layout and function distribution

圖2 監測通道結構及信號流程圖Fig.2 Diagram of monitoring channel structure and signal flow

1 系統設計

改造后的該研究性反應堆堆外核測量系統保持原設計探測器孔道的最大利用率，由14 個核探測器（中子電離室）及相應的測量裝置組成，通過對反應堆中子注量率的連續監測，完成200%額定功率范圍內（30W～30MW）中子注量率的測量，其功率水平所對應的中子注量率約為1.67×104～ 1.67×1010n·cm-2·s-1，6 個數量級。測量所得中子注量率監測信號將分別送往反應堆保護系統、棒控系統，完成對反應堆功率周期的保護、反應堆功率的調節以及功率顯示功能。

1.1 中子電離室

根據原孔道大小及測量功率要求，堆外核測量系統所用探測器改造后采用了型號為THDD-90 的非補償型中子電離室。電離室長280mm，直徑50mm，電離室一體化電纜長5.5m，可放置在原孔道200mm 厚、1400mm 高的鉛屏蔽孔道內，熱中子靈敏度1.8×10-14A/（n·cm-2·s-1）±20%，電流測量范圍1×10-10A ～ 3×10-4A，可充分滿足6 個數量級中子注量率的測量范圍要求。改造更換后的電離室安裝在原孔道內，電離室數目不變，探測位置不變，監測通道不變，同時電離室的功能分配也不改變。

反應堆中子注量率水平隨空間位置不同而改變，為了準確反映堆的核功率狀況，14 個電離室（D1 ～ D14）分布于反應堆堆芯周圍，圍繞堆芯均勻對稱分布，以便測量反應堆的平均核功率。核探測器的敏感段中心線與堆芯活性區中心線保持水平。電離室布置如圖1 所示。

1.2 測量通道

測量通道由電離室及其監測裝置組成。其中，監測裝置采用數字化技術，包含高壓電源、低壓電源、調理單元及實現不同功能的處理單元等部件，用于完成反應堆中子注量率的測量、功率與周期保護觸發信號的輸出和功率指示等。

電離室將探測到的中子注量率信息轉換為微弱的電流信號，送往調理單元，通過調理單元的主放大器對信號放大處理，后轉換輸出至處理單元。調理單元電流測量范圍為1×10-10A ～ 3×10-4A，分六檔輸出，分別為3×10-9A、3×10-8A、3×10-7A、3×10-6A、3×10-5A、3×10-4A，并自動換量程。調理單元設置3×10-8A、3×10-6A、3×10-4A電流檔供儀表自檢。處理單元內置處理器，處理器對放大后的信號處理、計算、轉換后以標準信號輸出至其他系統，完成各項功能。同時，處理單元的所有信號以通訊形式送往位于主控室的監督控制計算機，完成信號的顯示、存儲。監測通道結構及信號流程如圖2 所示。

處理單元的信號同時以通訊方式送往維護和試驗設備（MTE），維護和試驗設備通過操作單元完成高壓設定、信號檢驗及測試。處理單元對外部系統可以進行開關量、模擬量和通訊模式輸出信號。高壓電源模塊為電離室提供高壓，低壓電源模塊為處理單元提供低壓。

1.2.1 周期保護功能的實現

周期保護功能的實現，通過3 個電離室及其監測裝置輸出周期信號，對應送往保護系統的A、B、C 三通道，進行反應堆短周期保護。周期保護監測裝置完成電離室信號的放大，完成核功率變化e 倍周期的計算，周期值將與設定的保護整定值比較，并通過繼電器輸出至保護系統對應通道，用于周期保護。每個通道的電離室信號經過周期保護監測裝置隔離輸出四路信號，送往保護系統做周期保護：

1）1 路開關量，反應堆周期保護停堆信號，用于安全符合邏輯。當反應堆周期低于10s 時，輸出該停堆信號。

2）1 路開關量，反應堆周期報警信號。當反應堆周期低于20s 時，輸出該報警信號。

3）1 路開關量，周期保護測量裝置故障信號。當發生監測裝置故障時，輸出該信號。周期保護監測裝置故障信號包括：調理單元故障、處理單元故障、高壓電源故障、低壓電源故障等。

4）1 路4mA ～20mA 電流信號，反應堆周期測量值信號，用于顯示反應堆周期。

1.2.2 功率保護功能的實現

功率保護功能的實現，通過6 個電離室及其監測裝置輸出功率信號，對應送往傳輸至保護系統的A、B、C 通道。每個通道用于功率保護的信號由兩個電離室提供。功率保護監測裝置完成兩個電離室信號求和、放大并完成信號處理，通過合理的量程轉換算法，以保證量程轉換期間，量程無擾切換，不造成信號延遲及跳變；同時監測裝置將測量電流值與保護整定值比較，并通過繼電器輸出，至保護系統對應通道，用于功率保護。

每個通道的電離室信號，經過功率保護監測裝置隔離輸出四路信號，送往保護系統做功率保護：

1）1 路開關量，反應堆功率保護停堆信號，用于安全符合邏輯。當反應堆功率超過功率定值的115%時，輸出該停堆信號。

2）1 路開關量，反應堆功率報警信號。當反應堆功率超過功率定值的110%時，輸出該報警信號。

3）1 路開關量，功率保護測量裝置故障信號。當發生監測裝置故障時，輸出該信號。功率保護監測裝置故障信號包括：調理單元故障、處理單元故障、高壓電源故障、低壓電源故障等。

4）1 路4mA ～20mA 電流對數信號，反應堆功率測量值信號，用于顯示反應堆功率。

1.2.3 功率調節功能的實現

功率調節功能的實現，通過4 個電離室及各自對應的監測裝置，同時向棒控系統輸出信號，用于完成反應堆額定功率范圍內的功率自動調節和顯示。兩根調節棒的電離室信號選擇由棒控系統完成。功率調節監測裝置完成電離室信號的轉換處理，將計算出的功率值以量程、量值形式送往棒控系統。每個通道的電離室信號，經過功率保護監測裝置，隔離輸出四路信號送往棒控系統：

1）1 路開關量信號，監測裝置故障信號。當發生監測裝置故障時，輸出該信號。功率調節監測裝置故障信號包括：調理單元故障、處理單元故障、高壓電源故障、低壓電源故障等。

2）1 路4mA ～20mA 電流信號，反應堆周期測量值信號，用于顯示反應堆周期。

3）1 路4mA ～20mA 電流信號，反應堆功率量程信號。

4）1 路4mA ～20mA 電流信號，反應堆功率量值信號。

其中，通過量程信號和量值信號，可計算出反應堆當前功率。

1.2.4 功率顯示功能的實現

功率顯示功能的實現，通過1 個電離室及其監測裝置輸出功率信號完成。信號經過功率顯示監測裝置轉換后，以通訊方式輸出功率測量值信號、周期測量值信號、監測裝置故障信號，送往數字功率顯示屏，用于反應堆核功率的顯示。同時，為了便于該信號的存儲和記錄等，該信號亦以通訊方式送往反應堆棒控系統進行存儲。

表1 反應堆的運行方式及允許設定的功率定值范圍Table 1 Mode of operation of the reactor and range of fixed value power

2 監督控制計算機

系統改造后，設計增加了監督控制計算機。計算機為工控機，配備鍵盤、顯示器、獨立顯卡、一定數量的插槽、電氣接口模件，放置在主控室控制臺，主要完成功率定值設定、各通道信息顯示功能。監督控制計算機接收來自核測量系統的所有信號，當接收來自棒控系統的調節棒手動位信號時，接收到該信號才能更改并設定功率定值。同時，監督控制計算機為保護系統、棒控系統輸出功率定值信號，輸出功率定值的同時，將運行的重水泵信息送往保護系統。監督控制計算機設置友好的界面，操縱員可通過菜單選擇需要的顯示與操作。

2.1 參數顯示

顯示核測量系統參數，用于相關數據的監督。監督控制計算機通過通訊方式與核測量系統的監測設備進行數據通訊，系統的所有數據均送入監督控制計算機顯示并記錄。監督控制計算機以數值、圖形的形式顯示每個通道的計算值。當檢測（自檢）到有故障發生或信號超過定值時，給出報警信息。參數顯示界面將在系統組態過程中完成。

2.2 功率定值設定

監督控制計算機通過在界面上操作完成功率定值設定并顯示定值，定值設定完成后，通過通訊方式將定值送往保護系統及棒控系統。

反應堆功率定值的設定與重水泵運行方式存在聯鎖關系。反應堆運行方式有A、B、C、D 四種，分別對應4 個重水泵運行方式，在不同運行模式下允許設定的功率定值不同，見表1。

圖3 定值設定界面示意圖Fig.3 Interface diagram of fixed value setting

核測量系統在監督控制計算機界面上完成反應堆運行模式的選擇及對應的運行重水泵的選擇，根據不同運行模式設定相應的反應堆功率定值。界面設置示意圖如圖3所示。

監督控制計算機關于定值的界面上，通過三欄分別顯示了四種運行方式（A、B、C、D）及對應的重水泵運行方式及允許設定的功率范圍，以按鈕（燈）的形式顯示了4臺泵A、B、C、D，以可輸入的文本框形式顯示了功率定值的設定。

1）操作員根據重水泵的實際運行情況，選擇反應堆的運行方式，按下對應的按鈕（燈）。按下按鈕（燈亮）后，該模式對應的一行突出顯示（以顏色或立體效果）。四種運行方式只能選擇一種，即一個按鈕按下后其他按鈕無效。此時，若操作有誤或需更改運行模式，通過再次按下按鈕來取消本次操作。操縱員應核實確認選擇的按鈕與重水泵實際運行情況相符。

2）運行方式選擇結束后，操作第二欄即進行4 臺重水泵的選擇。第一欄的運行方式與重水泵存在聯鎖。若為A方式，則能且只能選擇3 臺泵；若為B 方式及C 方式，則能且只能選擇兩臺泵，且A、B 泵不能同時選，C、D 泵不能同時選；若為D 方式，則不選擇泵或者選擇其中任意一臺泵，進入第三欄功率定值設定。若泵的選擇不正確，出現多選或少選或選錯，則不能進入第三欄的定值設定。

3）重水泵選擇正確后，進入第三欄的功率定值設定，對應的功率定值設定文本框進入可輸入模式。操縱員需依次分A、B、C 通道分別輸入功率定值，若輸入的功率定值超出該方式下允許設定的功率定值范圍，則功率定值設定不成功，計算機給出提示，操縱員需重新檢查并更改，直至沒有錯誤為止；若輸入的功率定值未超出允許的功率定值范圍，則功率定值設定成功，操縱員繼續給其它通道設定功率定值。3 個通道功率定值均成功寫入后，監督控制計算機對3 通道的功率定值進行確認（按下確認按鈕），確認3 個功率定值是否一致。若一致，則完成定值設定；若不一致，則給出提示并返回修改定值。

若在反應堆運行過程中需要更改功率定值，三通道分別逐一進行更改。更改若為增加功率，則直接更改定值；若為降低功率定值，則需操縱員判斷反應堆功率是否先降低，再修改功率定值，以免引起停堆。送往棒控系統的功率定值信號，需在手動功率調節模式下才能進行修改。

3 設備的改造布置

核測量系統的監測裝置分布于4 個機柜放置，包括3個安全級機柜和1 個非安全級機柜。為滿足單一故障準則，監測裝置機柜采用功能隔離、電氣隔離和實體分隔實現獨立性。安全級設備與非安全級設備分布放置在不同房間。

為了給操縱員及廠房工作人員在堆運行期間提供反應堆核功率指示，核測量系統改造后在主控室設置一塊LED數字功率顯示屏，以實時顯示反應堆全量程范圍內的核功率水平，數字功率顯示屏在主控臺對面墻壁上懸掛安裝；監督控制計算機設置在主控室控制臺面上嵌入式安裝，主機布置于控制臺內。

4 可靠性要求

堆外核測量系統作為安全級系統，可靠性設計要求每個變量的系統安全故障率（誤停堆率）不大于0.1 次/年，每個變量在要求保護動作時，系統因隨機故障而不動作的概率（拒動率）不大于10-6。

5 結束語

某研究性反應堆作為重水研究堆，堆外核測量系統為反應堆提供各量程超功率保護和中子變化率保護，是反應堆關鍵系統之一，屬于安全級設備，是直接關系到反應堆安全的重要系統，其基本原理與中國101 重水研究堆相似，該改造主要完成了核測量系統設計、可靠性要求和設備改造布置等內容，目前已完成各功率下的中子注量率監測和信號輸入等現場調試工作，功能和性能均滿足總體設計要求。