緊湊型小型堆堆芯測量系統設計

黃 勇，郭 偉，何伯陽

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中廣核研究院有限公司，深圳 518031）

0 引言

堆芯測量系統是核電站重要的專用儀控系統，為核電站提供堆芯中子注量率、堆芯溫度和壓力容器水位參數測量。衡量反應堆正常運行工況下的安全裕度主要依據兩個參數：偏離泡核沸騰比（DNBR）裕度和失去冷卻劑事故（LOCA）裕度。這兩個參數奠定了量化運行安全裕度的基礎，從根本上來說，DNBR 裕度和LOCA 裕度與反應堆堆芯功率分布有著直接的關系，而堆芯溫度、壓力容器水位和堆芯中子注量率分布是獲取堆芯功率分布所需的重要數據。同時，堆芯溫度和壓力容器水位參數也是事故后，操作員判斷反應堆壓力容器是否熔穿的重要依據。因此，堆芯參數測量對核電站的安全運行有著重要的意義。

本文根據IAEA NS-G-1.12《Design of the Reactor Core for Nuclear Power Plants》、HAD102/07《核電廠堆芯的安全設計》和HAD103/03《核電廠堆芯和燃料管理》中提出的堆芯監測要求，設計了一種滿足三代核電站要求的緊湊型小型堆堆芯測量系統。

1 系統功能設計

根據堆芯監測需求，堆芯測量系統按照功能劃分為3個子系統：堆芯中子通量測量子系統、堆芯溫度測量子系統和壓力容器水位測量子系統[1]。

堆芯中子通量測量子系統負責連續測量堆芯中子通量，給出三維的堆芯全通量分布圖，計算線功率密度（LPD）和DNBR 等相關信息，從而實時監測堆芯工況。

堆芯溫度測量子系統負責堆芯出口溫度（COT）測量和反應堆壓力容器上封頭溫度（RPVDT）測量，給出堆芯出口飽和裕量（△TSAT）和壓力容器上封頭飽和裕度，從而實時監測堆芯狀態信息。

壓力容器水位測量子系統負責測量壓力容器冷、熱段進出口處不同高度位置的水位，從而監測壓力容器水位狀態。

堆芯出口溫度測量和壓力容器水位測量系統主要用于以下狀態信息：COT、△TSAT 和反應堆壓力容器水位（RPVL）作為判斷事故后工況下一回路熱工水力狀態的重要判據。RPVL 反映了堆芯水裝量的變化，用于監測堆芯是否裸露，并直接用于決定采取事故后控制策略和操作規程。同時，COT 還用于嚴重事故管理。

2 系統組成與總體結構

堆芯測量系統主要由：一體化堆芯探測器組件、組件配件（連接器、電纜、轉接裝置等配件）、壓力容器水位信號處理機柜、中子通量信號處理機柜和堆芯在線監測系統（KSS）等處理設備組成。

堆芯測量系統總體結構如圖1 所示，一體化堆芯探測器組件中的溫度信號經過轉接裝置轉接后直接送到安全級數字化控制系統（DCS）進行處理；水位信號經水位處理機柜處理后通過硬接線送往安全級DCS；自給能中子探測器（SPND）信號經中子通量信號處理機柜處理后通過網絡送KSS 系統；KSS 系統負責與非安全級DCS 的通訊，并進行堆芯功率分布、LPD、DNBR 等參數計算和監視，最終在主控室顯示堆芯狀態監測信息。

3 系統方案設計

3.1 堆芯測點布置設計

圖1 堆芯測量系統總體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of in-core instrumentation system

圖2 堆芯中子通量、溫度、壓力容器水位測點徑向布置圖Fig.2 The radial arrangement diagram of core neutron flux,temperature, RPV water level measurement point

根據堆芯測點布置原則：利用堆芯對稱性減少測點布置；利用堆芯對稱性適當冗余布置；每組探測器應分散在全堆；各組探測器之間應相互交叉滲透；應適當考慮各組探測器之間的對稱性。堆芯中子通量、溫度、壓力容器水位測點徑向布置設計如圖2 所示。

堆芯中子通量測量子系統分為A、B 兩列。每列探測器包含8 個堆芯探測器組件（IDA，In-core detector assembly），徑向均勻布置在堆芯4 個象限內；在堆芯活性段區域，每個組件沿軸向均勻布置5 個SPND。上述分布保證堆芯軸向和徑向功率分布測量的均衡性。

堆芯出口溫度測量子系統分為A、B 兩列：每列探測器包括9 支熱電偶（TC），分別為8 支COT 熱電偶和1 支RPVDT 熱電偶。每列所包含的熱電偶均勻分布在堆芯出口的4 個象限內，以保證能獨立測量堆芯每個象限的出口溫度，滿足冗余性的要求。RPVDT 測量的2 支TC 分別徑向布置于D5 和D3 位置。

壓力容器水位測量子系統分為A、B 兩列：每列測點徑向均勻對稱布置在堆芯4 個象限內，布置于堆芯B3、F3、B5、F5 四個位置，每個位置的組件沿軸向布置了3 個RPVL 測量傳感器，分別位于反應堆冷卻劑系統熱段頂部、中部和底部。

3.2 堆芯測量一體化探測器組件設計

文獻[2-5]介紹了EPR 和AP1000 堆型堆芯測量系統，均采用基于一體化組件的結構型式設計。系統在圖2 的16個燃料組件中安裝用于中子通量測量、溫度測量和水位測量的一體化探測器組件，根據測點布置，設計了3 種類型的一體化探測器組件，分別為IDA-1、IDA-2、IDA-3。

IDA-1 型組件可測量堆芯中子通量和堆芯出口溫度；IDA-2 型組件可測量堆芯中子通量、堆芯出口和壓力容器上封頭溫度；IDA-3 型組件可測量堆芯中子通量、堆芯出口溫度和壓力容器水位。堆芯測量一體化探測器組件中采用SPND 測量堆芯中子通量；堆芯溫度測量包括堆芯出口和壓力容器上封頭溫度測量，采用熱電偶（TC）測量，分別用于監測燃料組件出口和上封頭處的冷卻劑溫度；壓力容器水位測量采用熱電偶式水位傳感器（TCLS），用于監測壓力容器水位。

采用堆芯測量一體化探測器設計的優勢在于：集成度高，實現堆芯中子通量、溫度和壓力容器水位測量的一體化；從壓力容器頂蓋開孔插入堆芯固定式測量，提高了壓力容器的完整性和整體安全性，減少了堆芯泄漏的風險[6]；堆測儀表使用壽命長，維護更方便。

3.3 堆芯中子通量測量子系統設計

堆芯中子通量測量通過SPND 實現，SPND 在反應堆堆芯呈軸向和徑向分布，連續測量堆芯各不同位置處的中子通量密度信號。測得的中子通量密度信號在KSS 中被處理成適合堆芯運行最佳評估分析器使用的數據，生成連續的三維反應堆堆芯功率分布圖，計算堆芯運行參數和安全裕量，校核堆外測量系統功率量程的相關參數。另外，堆芯中子通量測量子系統設置了LPD 和DNBR 保護功能。堆芯中子通量測量子系統架構如圖3 所示。

DNBR 和LPD 為保護功能，在安全級儀控機柜中實現；在線三維堆芯功率分布圖的重構和LOCA 裕量等堆芯運行參數監測為非安全級功能，在非安全級儀控機柜實現。由于兩者共有SPND 信號，因而根據安全級就高原則，SPND的采集在安全級儀控機柜進行。SPND 信號由探測器組件所屬列的安全級機柜進行采集，經由信號轉換和限值比較后，通過網絡傳輸，送往在線三維功率分布重構計算機。DNBR和LPD 的計算、停堆閾值比較的過程放在A/B 列機柜進行，A/B 列比較的結果送另一列進行二取一表決，產生對應各列的停堆信號。

圖3 堆芯中子通量測量子系統架構Fig.3 The architecture of in-core neutron flux measurement subsystem

3.4 堆芯溫度測量子系統設計

堆芯溫度測量子系統具有以下功能：能夠連續顯示和記錄反應堆堆芯溫度；LOCA 事故時和事故后能保持對堆芯出口溫度的監測；嚴重事故期間及事故后保持對堆芯出口溫度的監測；對堆芯出口飽和裕度△TSAT和壓力容器上封頭溫度飽和裕度△TSAT-HEAD進行監測。該子系統功能與CPR1000 堆型的功能設計基本相同，參考二代加核電站堆芯冷卻監測系統（CCMS）的設計，堆芯溫度測量子系統架構如圖4 所示。

根據堆芯測量系統總體結構圖，堆芯溫度TC 信號分A/B 列分別送安全級DCS 中的事故后監測系統（PAMS）A/B 列機柜進行處理。溫度信號處理過程如圖4 所示，A/B 列冗余設計，每列使用各自隔離的傳感器和輸入通道，計算產生COT、RPVDT、△TSAT、A_△TSAT（數據△TSAT的有效性）、△TSAT-HEAD和∑（△TSAT的不確定度）。在每列中，△TSAT、∑和A_△TSAT都被發送另一列的互校處理模塊進行互校處理：B 列的△TSAT和∑送往A 列進行互校處理，A 列的△TSAT和∑送往B 列進行互校處理。最終，通過互校輸出模塊輸出互校后的唯一△TSAT和∑至主控室顯示，供操作員在電廠事故后狀態時使用。當互校處理沒有進行，即互校處理模塊無效時，每列的初始數據直接用于顯示或產生相應報警。另外，A 列的COT 經隔離分配后送嚴重事故儀控系統（SIC）處理，為操縱員在嚴重事故期間及事故后提供堆芯狀態信息，用于嚴重事故管理。

3.5 壓力容器水位測量子系統設計

圖4 堆芯溫度通量測量子系統架構Fig.4 The architecture of in-core temperature measurement subsystem

參考文獻[2-5]介紹了ERP 及AP1000 三代堆型壓力容器水位測量系統設計。壓力容器水位測量利用水的傳熱特性與蒸汽有很大差別的原理，對壓力容器水位進行測量。其測量部分由加熱端熱電偶、不加熱端熱電偶及加熱元件三部分組成：加熱端熱電偶為水位測點，不加熱熱電偶為參考點。水位探測器的結構示意圖如圖5 所示，其中被加熱的熱電偶作為主動端，測點對應的不加熱熱電偶作為參考端以反映環境溫度，通過比較兩個熱電偶的溫差以判斷測點是否被水淹沒，給出離散的水位信號，該信號通過硬接線輸出至安全級DCS 系統。

壓力容器水位測量子系統架構如圖6 所示，其中SU設備作為輔助設備，執行水位機柜的運行維護、參數設置、定期試驗等功能。壓力容器水位信號處理機柜A/B 分別采集、處理探測器組件中的水位測點信號，處理后的信號通過硬接線送安全級DCS 進行表決，軸向同一高度的4 個水位測點進行四取二表決（表決邏輯如圖7 所示），以確定該點是否被水淹沒。在嚴重事故工況下，A 列的水位測量信號通過硬接線送往SIC 進行監測，軸向同一高度的2 個水位測點信號按二取一表決，確定水位位置。

4 結論

圖5 水位探測器的結構示意圖Fig.5 The structural diagram of water level detector

圖6 壓力容器水位測量子系統架構Fig.6 The architecture of RPV water level measurement subsystem

圖7 壓力容器水位信號四取二邏輯Fig.7 The logic 2/4 of RPVL

本文從核電站法規對堆芯監測的要求及堆芯測量的功能需求入手，設計了一種緊湊型小型堆堆芯測量系統。該系統采用一體化探測器從壓力容器頂蓋開孔插入堆芯、固定式測量的設計，解決了傳統堆型使用的堆芯測量系統需要在壓力容器本體上開孔的問題；采用基于一體化組件結構的設計，實現了堆芯中子通量、堆芯溫度和壓力容器水位的一體化測量；采用基于SPND 的堆芯中子通量測量子系統的設計，實現了反應堆停堆裕量監測、DNBR 保護、LPD 保護和堆芯預測功能。上述系統在兼顧緊湊性、集成度和可靠性的同時，避免了壓力容器開孔問題。該系統的設計滿足緊湊型小型堆的設計需求，同時也符合國內和國際法規標準要求。