核電廠物理試驗儀器的發展和改進

王勇智

[摘? ? 要]核電廠的物理試驗儀器是大修期間監督堆芯參數和反應性的重要工具。本文簡要分析了國內核電廠物理試驗儀器發展和應用，詳細介紹了目前國內外最新試驗儀器的研發和改進，改進后的試驗儀器不僅具備傳統反應性儀和多筆記錄儀的功能，還增加了很多傳統反應性儀不具備的功能。具有多功能、體積小、功耗低、操作方便、界面友好的特點，明顯改進了核電站物理試驗的工作方法，極大提高了物理試驗的效率，縮短了大修試驗的時間，減輕了物理人員的工作量。

[關鍵詞]反應性儀;動態刻棒技術;物理試驗儀器

[中圖分類號]TL 326 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]Physical test instruments in nuclear power plants are important tools for monitoring core parameters and reactivity during overhaul. In this paper， the development and application of physical test instruments for nuclear power plants in China and abroad are briefly introduced. The research and development and improvement of the latest test instruments at home and abroad are introduced in detail. The improved test instruments not only have the functions of traditional reactivity instrument and multi pen recorder， but also add many functions that traditional reactivity instrument does not have. It has the characteristics of multi-function， small volume， low power consumption， convenient operation and friendly interface. It obviously improves the working method of physical test in nuclear power plant， greatly improves the efficiency of physical test， shortens the overhaul test time， and reduces the workload of physical personnel.

[Keywords]reactivity instrument; dynamic stick cutting technology

核電廠的物理試驗儀器是大修期間監督堆芯參數和反應性的重要工具，目前國內外廣泛使用的試驗儀器有監督堆芯狀態參數的多筆記錄儀和反應性儀。其中多筆記錄儀經歷了帶紙的記錄儀和無紙化數字記錄儀，反應性儀設備也經歷了好幾代，傳統的多筆記錄儀和反應性儀使用不便，需要將大量電站數據系統中的狀態參數信號連接到多筆記錄儀，存在體積較大、搬運不便、接口松動、連接線老化等問題，

隨著物理試驗方法的進步，美國西屋公司在20世紀90年代研發出全新的控制棒價值測量技術，這項技術不僅改變了物理試驗的工作方法，也極大地縮短了控制棒價值測量時間，大大增加了電廠的經濟效益。1996年獲得美國核管會（NRC）批準，2009年獲得法國核安全監管當局批準。此項技術已在美國、英國、日本、西班牙、法國等多個國家成功使用，大亞灣核電廠和嶺澳核電廠從2009年開始引進該項技術[1]。

受到西屋公司動態刻棒技術的啟發，國內很多單位都在研發兼具堆芯參數監督和反應性測量的新型物理試驗儀器，具有多功能、體積小、功耗低、操作方便、界面友好的特點。

1 傳統物理試驗儀器介紹

大修臨界和零功率物理試驗期間，一般需按照圖1方式將專用的多筆記錄儀和反應性儀按照接線操作手冊與上游信號相連接，試驗前需設置好反應性儀和記錄儀的相關測量參數，并且檢查儀器上的數值與電站數據采集系統上的指示值是否一致，如果不一致則需重新檢查接線、相關參數物理量程和電量程的設置是否準確，逐一排除原因。圖1中的加法器用于引出堆外探測器功率量程電流信號，多筆記錄儀2是冗余配置，是用來采集堆芯狀態參數，數據采集系統連接兩臺多筆記錄儀專用筆記本電腦，安裝了專用數據采集軟件。反應性儀有帶信號放大器功能的1臺反應性儀和專用筆記本1臺，因此總計6臺硬件設備，這些設置不僅硬件笨重、占用狹窄的主控室空間、搬運不便、接口容易松脫、連接線老化、信號穩定性不足、進口硬件采購困難等問題，因此存在很大的改進空間。

2 美國西屋動態刻棒技術和試驗儀器研發

自從核能被用于發電開始，美國的核能技術就一直全球領先，匯集了全世界最優秀的核能研發人才，積累了強大的研發實力。研發出大量的先進核能技術當然也包括核電站先進物理試驗方法，其中動態刻棒測量技術是美國西屋公司1990年前后研發出來的，包括試驗方法和最新的試驗儀器。

這項技術的原理并不復雜，與常規的棒價值測量方法一樣，其概念都是基于點堆方程的基礎上得出的，分析如下：

點堆模型中反應性和中子通量的關系由下列中子動力學方程確定[2]：

由（1）和（2）式變換整理后得出反應性：

式（3）中的n是表示反應堆功率的電流、電壓、脈沖（計數率）等信號。

但點堆模型只能描述反應堆的積分特性，不能描述反應堆內部與能量和空間有關的中子學問題。當有控制棒插入堆芯時，會引起堆內中子通量密度分布形狀變化，點堆模型不再適用，需要引入空間修正因子修正這一效應的影響。控制棒插入會帶來兩種空間效應：一是靜態空間效應，控制棒插入之后瞬發中子通量密度發生變化，在極短時間內瞬發中子通量密度分布形狀改變。二是動態空間效應，這是由緩發中子通量密度分布形狀發生改變引起的，由于緩發中子先驅核衰減時間較長，控制棒插入之后通常需要十幾分鐘緩發，中子分布形狀才能達到穩定狀態。

試驗過程中的空間效應需要用專用的三維堆芯軟件計算空間修正因子，包括靜態空間因子和動態空間因子對堆外探測器電流進行修正，在線或離線處理軟件進行棒價值計算。

在反應性測量中通量水平較低時，源項應當考慮。當通量的電流測量值超過10～8 A時，源項的作用可以忽略不計。

西屋動態刻棒試驗反應性儀是專門為自己的動態刻棒技術研發的，雖然使用方便，但是國內核電站不能照搬照抄，需要根據實際情況對試驗方法和儀器進行改進，才能更好的滿足國內核電廠的需求。

3 國內物理試驗儀器的研發和改進

自從2009年大亞灣和嶺澳核電站引進西屋公司的動態刻棒技術以后，國內許多研究所和高校都開始整合科研力量，自主研發這項技術，在很短的時間就攻克了動態刻棒技術并投入實際應用，打破西屋的技術壟斷，為電廠帶來可觀的經濟效益。

當然技術原理都是一樣的，都是專用軟件計算靜態和動態修正因子修正空間效應，目前國內各大發電集團和研究機構都組織了專門的研發力量。

動態刻棒技術需要專用的反應性儀來輔助，現在國內很多設計單位開發的新型反應性儀實現了強大的功能，基本上都兼備多筆記錄儀的功能，將多路P2信號接入反應性儀，實現堆芯重要狀態參數的在線監督。在增加功能和便利性的同時，實現試驗儀器的精簡。

這種新型的反應性儀由1臺信號調理器和1臺數據處理器（筆記本電腦）構成，信號調理器和數據處理器之間通過數據線連接，如圖2所示，其中信號調理器將堆外探測器的電流轉化為實時的數字信號。信號調理器由低壓電源模塊、小電流放大模塊、采集處理功能組成。圖2中具體的信號輸入輸出流向、電流以及電壓信號需要區別，有的信號輸入和輸出以電流形式，有的以電壓形式，有的信號既可以電流也可以電壓形式，比如反應堆中子通量既可以設置成電流輸入信號，也可以設置成電壓輸入信號。這種新型的反應性儀不僅集成了傳統多筆記錄儀的所有功能，實現P2數據采集和在線顯示，而且增加了很多實用功能，比如增加裝卸料臨界安全監督，啟堆達臨界外推，離線處理，反應性精度檢查。

3.1 新型反應性儀功能介紹

儀器通電時自動調出軟件的在線測量功能主菜單界面。另外，當操作人員退出應用程序的運行環境后，還可以鼠標點擊桌面上“在線測量”、“離線處理”、“臨界監督”和“動態刻棒”四個圖標來運行相應的應用軟件。圖3是新型反應性儀的功能界面示意圖。

3.1.1 信號采集功能

（1）采集通過反應性儀信號調理器串口通訊接口送來的來自探測器的2路小電流信號以及來自核測量系統輸出的2路0～10V電壓信號。

（2）采集來自反應性儀信號調理器串口通訊接口送來的8路P2參數。P2參數與反應性直接相關，可以是溫度、壓力、棒位等，與反應性及中子探測器信號同時顯示在測量屏幕上，并參與離線數據處理計算，P2有自動和手動兩種采集方式。

3.1.2 參數設置功能

反應性儀在開始測量之前，需要設置必要的工作參數。一旦工作參數設置完成并保存，若不進行新的修改，則軟件將保持設定的參數值進行以后的所有測量及計算。當第一次使用軟件時，軟件的工作參數為初始設定值，以后每次使用軟件，軟件就處于用戶前次使用時所處的工作參數狀態，除非用戶有新的參數修改要求，否則不必重新設置工作參數。

所有的參數設置被同時保存在硬盤文件中，用戶可直接用任意文本編輯器打開。

3.1.3 自檢功能

儀器根據設置的反應堆周期或倍增周期值，產生指數信號，可以對設備進行自動檢查，以判定其工作正常與否。

3.1.4 精度檢查功能

反應性儀包括以下離線數據處理功能，即數據文件復現、精度檢查、溫度系數處理和棒值處理，可以覆蓋反應堆臨界外推、周期計算、反應性儀校刻、末端反應性價值計算、慢化劑溫度系數計算和調硼法測量棒價值等各項試驗的數據處理。

3.1.5 報警功能

當堆功率和反應性超過參數設置的量程檔時，儀器在人機界面上亮起紅色指示燈，并伴隨蜂鳴器報警。

3.1.6 容錯功能

（1）正常情況下，軟件可無故障連續工作24h。

（2）具有一定的容錯和邏輯判斷能力，設定某些提示信息防止用戶錯誤操作，當用戶出現錯誤操作或違反指定規則時，能夠保證軟件自身功能運行正常。

（3）具有易恢復性，當故障發生時（例如通訊故障等）能較快重新建立其性能水平，并恢復直接受影響的數據。

3.2 新型反應性儀性能

3.2.1 易用性

（1）具有易理解性和易學性，用戶可在較短時間內理解軟件功能，并學習其應用。

（2）具有良好的人機交互性能。

（3）具有操作簡單特點，用戶可根據需要對軟件進行配置，可采用鼠標點擊和快捷鍵等方式對軟件進行控制。

3.2.2 可維護性

（1）具有易分析性，較容易診斷軟件缺陷和失效原因。

（2）較容易對軟件進行修改、排錯和適應環境變化的修改。

（3）具有易測試性，可對軟件進行測試確認。

3.2.3 數據安全性

當用戶開展物理試驗時，由軟件自動在硬盤上存儲試驗數據并生成文本文件。文本文件內容可在Windows操作系統中用任何文本編輯軟件查看和編輯，其中文件名稱由用戶手動輸入，文件內容則包括測量起止時間，文件頭相關信息，中子通量信號、測量的反應性、P2參數、經靜態修正因子修正后的實測電流信號、經動態修正因子修正后的反應性。

4 結語

隨著技術的研發和進步，將出現越來越多的先進物理試驗方法，伴隨而來的是更加先進、智能、便捷的試驗測量儀器，通過近10年的努力改進，國內核電廠的物理試驗方法和測量儀器有了巨大的發展和進步。

參考文獻

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