控制棒棒位指示器故障分析

唐 銳

（海南核電有限公司，海南昌江 572732）

0 引言

2019 年8 月7 日，海南昌江核電廠1 號機組650 MW 滿功率運行期間，出現反應堆棒控系統B2-1 棒束棒位指示器故障，導致電廠主控室操縱員無法監視B2-1 棒束棒位。排查故障信號來源，確認故障點在反應堆廠房，需停機并將反應堆后撤至正常冷停堆實施檢修，但僅為處理此故障停機，將影響電廠經濟效益。根據電廠規范要求，棒位指示故障需執行緩解措施：每8 h 測量一次堆芯中子注量率，輔助監測故障棒束棒位。文章主要分析通過補充緩解措施，確保B2-1 棒束棒位指示故障不影響電廠安全生產，電廠可維持滿功率運行到壽期末，停機處理此故障。

1 故障情況和相關規范

1.1 故障情況

2019 年8 月7 日，主控室報警1RGL013KA 閃發時，B2-1棒束棒位指示為0 步，現場檢查機箱電源柜中B2-1 束棒存在電壓低、電流高報警。從故障現象判斷為機箱輸出至原邊線圈的電流不穩定所致。B2-1 棒束棒位信號回路見圖1，依次檢查機柜相關信號處理卡件MCP10（主電流控制器）、MCP22（葛萊碼處理器）、供電機箱及機柜側航空插頭、貫穿件均正常，測量機柜側航空插頭阻值結果見表1。

圖1 棒束棒位信號回路示意圖

表1 各線圈機柜側航空插頭阻值

根據表1 測量結果，故障點排除電氣廠房側，而是位于島內連接板或反應堆堆頂，功率運行期間該區域輻射劑量超100 msv 量級，檢修人員無法抵達該區域從事檢修。根據電廠《運行技術規范》RGL5 條款要求，1 束控制棒棒位指示故障需執行緩解措施：每8 h 測量一次堆芯中子注量率，輔助監測故障棒束棒位。正常情況下，堆芯中子注量率測量周期為1 個月，檢測設備的設計使用壽命為3000 次，可覆蓋電廠整個使用壽期，而8 h 測量一次的頻率將損耗設備使用壽命并耗費大量人力。

1.2 電廠《運行技術規范》中不可運行事件RGL5 條款

堆功率大于50%FP，一個棒位指示器故障，產生第二組不可運行事件，需采取緩解措施：每8 h 或者相應的控制棒移動超過8 步時，需要測量一次堆芯注量率，監測故障控制棒棒位。

1.3 電廠《運行技術規范》中不可運行事件RGL6 條款

如果一個分組棒有2 個棒位指示器不可運行，或一組棒上有3 個棒位指示器不可運行，產生第一組不可運行事件，需采取緩解措施：2 h 內機組后撤到熱停堆狀態。

1.4 電廠《運行技術規范》中不可運行事件RIC1 條款

堆功率大于50%FP，無法在“30 個等效滿功率天”完成一次通量圖測量，產生第二組不可運行事件，需采取緩解措施：24 h內降功率至低于50%FP 功率水平，并調整中子注量率高緊急停堆整定值為55%FP。

1.5 電廠《運行技術規范》中對于產生計劃性第一組不可運行事件的要求

只有在安全相關系統和設備定期試驗監督要求，或物理試驗監督要求中明確甄別的，為執行定期試驗產生的第一組事件才是允許的，而且該試驗遵守了國家核安全局批準的定期試驗實施條件。

2 B2-1 棒束棒位顯示故障對電廠生產運行的影響分析

2.1 故障對控制棒功能的影響

棒位測量系統用于實時監測和顯示控制棒位置，并在棒運行出現異常（失步、偏離要求位置、提棒不足、插棒太深）時給出報警。棒位測量系統與棒控系統各自獨立，無邏輯連鎖，棒位指示故障不影響控制棒動作，棒位指示故障不會導致B2-1 棒束意外動作或卡棒，只影響操縱員獲取該棒束的棒位信息。

2.2 故障對機組運行和安全的影響

昌江核電1 號機組控制棒共33 束，分為停堆棒組S（8束）、調節棒組A（8 束）、B（8 束）、C（5 束）、D（4 束），其中D 棒組為主調節棒組。功率運行期間D 棒組部分插入堆芯，其他棒組位于堆頂。B2-1 棒束長期位于堆頂位置，功率運行與功率升降不涉及到該棒束的動作，僅執行定期試驗PT1RGL002《正常運行期間非活動棒束功能檢查》時，會移動該棒束8 步，對機組正常運行不產生影響。運行期間只有當保持線圈電源喪失時，該棒束才會發生落棒現象，電源喪失是可監控的，系統將觸發棒控系統運行故障報警。機組正常停運后撤，操縱員以“手動”方式下插D、C、B、A 棒組到5 步位置，故障不影響B2-1 動作，可正常下插至5 步，停堆功能正常。B2-1 棒束下插到5步前，可通過實時監測B2-1 棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形，驗證B2-1 棒束動作的步數。緊急停堆時，該棒束將失去工作電源落入堆底，設計院的計算分析表明，即使該棒束發生卡棒并疊加最大價值一束棒發生卡棒，也不影響控制棒在緊急停堆狀態下需提供的負反應性，該故障僅影響操縱員判斷該棒束是否已落入堆底。

2.3 故障對電廠定期試驗的影響

《控制棒位置測量信號回路檢查》試驗周期為1 個月，試驗目的是驗證棒位測量通道的正確性。試驗方法是從棒控機柜的連接接頭注入信號，驗證主控室的顯示與注入信號一致。對單束棒檢查期間，被檢查棒束無法顯示實際棒位，此時應進入《運行技術規范》中RGL5 條款。當B2-1 棒位指示器故障，在執行B2-2、B2-3、B2-4 棒束信號回路檢查時，將導致B2 分組2 個棒位指示器不可用，進入《運行技術規范》中RGL6 條款，該條款為第一組事件。顯然未能在《安全相關系統和設備定期試驗監督要求》中提前被甄別，由此違反了1.4 節中的要求，目前B2-1 棒位顯示故障情況下執行該定期試驗已得到國家核安全局特許批準。

《正常運行期間非活動棒束功能檢查》試驗周期為1 個月，試驗目的為驗證長期處于堆頂的各控制棒束未卡澀。試驗方法為依次插入、提升處于堆頂的各棒束，當棒位指示按預期變化時，證明各棒束動作正常無卡澀。B2-1 棒束試驗期間，可通過該棒束電源機柜上各個線圈的動作電流波形正常的方式驗證B2-1 棒束動作正常無卡澀，試驗結束后通過堆芯中子注量率測量輔助推斷B2-1 棒束回到堆頂位置，該故障不影響該試驗正常執行。

2.4 頻繁監測堆芯中子注量對監測系統的影響

堆芯中子注量率監測系統動作頻繁導致探測器指套管磨損加劇。正常情況，堆芯中子注量率監測頻度是1 次/月，根據RGL5 條款要求變為1 次/8 h。指套管作為一回路壓力邊界發生破損后，增加一回路放射性物質泄漏的風險。監測系統頻繁動作還將加速探測器老化，增加驅動機構故障風險，導致監測系統不可用。《運行技術規范》要求“如果核功率大于50%FP，堆芯中子注量率測量系統必須可運行”。

2.5 針對當前RGL5 條款的分析

根據《運行技術規范解釋》的說明，功率運行與熱備用期間一束棒棒位指示器不可用的操作措施要求每8 h 測量堆芯中子注量率，其目的是監督堆芯象限功率傾斜，間接驗證各棒束同步，防止堆內出現功率分布不平衡，導致局部過熱燒毀燃料元件。但每次執行堆芯中子注量率測量后還需離線進行數據處理才得到象限功率傾斜數據以監督棒位，無法在線及時發現棒位異常。使用RPN 堆外探測器與RIC 熱電偶可實時監測QPTR，當控制棒異常提、插時，可及時發現并作出響應。

2.6 電廠堆芯熱電偶溫度對控制棒移動的實際響應

2019 年8 月2 日，執行定期試驗PT1RGL002《正常運行期間非活動棒束功能檢查》，在失步校正1 模式下，下插B2 子組棒束7 步，B2-1 棒束所在通道G5 附近的堆芯熱電偶（1RIC015KM）示值從333.1 ℃下降到331.9 ℃。B2 子組提升到225 步后，1RIC015KM 回升到333.1 ℃，期間B2-1 棒束所在通道G5 附近的RIC 熱電偶溫度示值下降了1.2 ℃。上述現象表明：堆芯熱電偶溫度對附近位置的控制棒移動有明顯響應，在B2-1 棒束棒位指示失效情況下，堆芯溫度參數可輔助操縱員判斷該故障棒束是否出現異常插入現象。

2.7 控制棒動作時機柜線圈電流波形監測

控制棒正常插入一步的時序動作：保持線圈大電流→提升線圈大電流→傳遞線圈大電流→提升線圈小電流→保持線圈零電流→提升線圈零電流→保持線圈大電流→傳遞線圈零電流→保持線圈零電流。在完整插入步序中，輸出波形實際反饋保持及傳遞線圈勾爪的吸合點，如控制棒無法按插入命令正常動作，其電流波形將與圖2 所示標準電流輸出波形不一致，并且機柜將會出現棒控報警。由此可見，雖然B2-1 棒束棒位無法顯示，運行人員仍能通過線圈電流波形輔助監測控制棒動作。

3 設計院的技術評價

圖2 控制棒線圈電流波形

2019 年8 月9 日，海南核電委托中國核動力研究設計院對B2-1 棒束指示器故障進行技術評價，經分析論證給出評價結果：B2-1 棒束意外移動時，QPTR 變化明顯，堆芯焓升因子滿足限值要求，具體見表2。表2 分析顯示，B2-1 棒束若失步12步，操縱員雖無法看到棒位，但象限功率傾斜將變化0.29%，即QPTR 顯示約1.0079，該值雖絕對變化量小，但相對滿功率下QPTR 指示穩定在1.005 的現象來說，可通過QPTR 趨勢變化發現異常后再做堆芯中子注量率測量。此外，以B2-1 棒束失步12 步進行數據分析是保守的，此時象限功率傾斜小于規范要求的限值1.02，堆芯焓升因子也小于滿功率下的限值1.538，不會造成堆芯功率超限或功率分布不均導致局部過熱的安全隱患。

表2 B2-1 棒束失步的影響

4 優化RGL5 條款的緩解措施

4.1 通過RIC 堆芯熱電偶與RPN 堆外探測器監督

操縱員監視堆芯熱電偶與RPN 堆外探測器的象限功率傾斜變化趨勢，當象限功率傾斜超出設置的臨時報警值1.0079 時，立即執行堆芯注量率測量，核查B2-1 棒束的位置是否異常。

4.2 輔助通過棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形監督

監督B2-1 棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形（棒束移動時，波形將產生變化），如發現非預期波形立即執行堆芯中子注量率測量。執行PT1RGL002 定期試驗或當機組需要后撤至操縱員手動下插B2-1 棒束時，重點監測B2-1 棒束提升線圈、傳遞線圈、保持線圈的電流波形圖，判斷其是否可靠動作。

4.3 使用RIC 堆芯注量率測量監督

每7 天執行一次堆芯中子注量率測量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。每月一次的《正常運行期間非活動棒束功能檢查》定期試驗后，執行一次堆芯中子注量率測量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。每月一次的《控制棒位置測量信號回路檢查》定期試驗前，執行一次堆芯中子注量率測量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。

4.4 通過RCS 運行故障報警（1RGL005KA）監測

當主控室觸發RCS 運行故障報警（1RGL005KA），立即檢查確認報警原因，并執行堆內注量率測量。

5 結論

通過上述分析，昌江電廠在滿功率平臺出現單束控制棒棒位顯示故障不會威脅反應堆安全穩定運行。操縱員可通過其他輔助監測手段判斷B2-1 棒束棒位，無需每隔8 h 監測堆芯中子注量率。昌江核電針對該故障向國家核安全局提出RGL5 條款緩解措施優化意見特許申請也得到批準。