AP1000堆外核測功率量程信號處理詳述

聶森 劉辰星

摘要：堆外核測系統通過測量堆芯泄漏中子通量，提供反應堆功率的指示并參與反應堆保護功能，功率量程作為堆外核測系統的組成部分，參與停堆保護、軸向功率控制等功能，本文從探測器信號產生、機柜硬件處理及軟件處理三個方面詳細介紹了信號處理流程。

0 引言

AP1000堆外核測系統（NIS）作為反應堆保護和監視系統（PMS）的子系統，通過堆外核測探測器測量堆芯泄漏中子通量，反映反應堆內核功率水平，為PMS系統提供核啟動停堆及超功率停堆信號，并提供相關聯鎖信號。NIS系統包括四個冗余且相互獨立的通道，為確保對量程范圍高達9個數量級的泄漏中子通量進行高精度測量，每個通道包括三種量程相互重疊的堆外核測探測器，分別稱作源量程（Source Range，SR）、中間量程（Intermediate Range，IR）和功率量程（Power Range，PR）。

每個通道的功率量程包括上下部兩段探測器，探測器產生的信號經過堆外核測信號處理機柜處理后，送往PMS系統并使用NIS處理器中的軟件進行處理，最終為PMS系統及電廠控制系統（PLS）提供反應堆功率及軸向功率偏差（AFD）信號，參與停堆保護、軸向功率控制并提供相關聯鎖信號。功率量程信號處理主要包括探測器信號產生、NIS信號處理機柜硬件處理及PMS系統軟件處理。

1 探測器信號產生

功率量程探測器類型為非補償電離室，安裝完成后上部探測器中心位置與堆芯上半部中心線平齊，下部探測器中心位置與堆芯下半部中心線平齊。探測器主要構件是兩個同心圓筒型電極，分別為信號電極和高壓電極，信號電極上涂有高富集度（>90%）的，用于與中子發生反應;高壓電極上加高壓，在兩個電極之間形成電場;探測器內部充有1個大氣壓的氮-氦混合惰性氣體，作為電離的工作氣體。

當中子進入電離室靈敏體積時，中子與發生反應，產生帶有一定動能的α粒子和核，它們射入電離室的工作氣體，使惰性氣體分子電離或激發，生成大量的電子和正離子，這些電子和正離子在外加電場的作用下分別向兩極漂移，形成正比于入射中子注量率的電流信號。

功率量程探測器對中子的的靈敏度為6E-13 A/nv，可用于探測的中子通量范圍為5E2nv到2E10nv，對γ射線的靈敏度小于1E-10 A/R/hr。在功率運行期間，由于中子產生的電流遠大于γ射線產生的電流，且大多數γ射線與功率水平成正比，因此不需進行補償。

功率量程探測器工作在電離區，一旦高壓產生的電場強度足夠大使得離子對無法復合，探測器輸出電流就不再受高壓變化的影響，在正常運行時，探測器輸出電流僅受中子通量變化影響，且與中子通量的變化成正比。每段功率量程探測器可測量的功率范圍為1～80%，兩段加起來測量的范圍為1～160%。

2 NIS信號處理機柜硬件處理

在NIS信號處理機柜內使用功率量程信號處理卡件（PRPM）對功率量程探測器產生的電流信號進行處理。由于探測器產生的電流信號比較微弱，100%功率時大約為600μA，為保證信號傳輸質量并滿足PMS機柜內的模擬量輸入卡件（AI688）的接口要求，需將電流信號轉換為電壓信號。考慮到堆芯壽期內探測器輸出電流可能會改變，在進行電流電壓轉換時使用可調節增益，在滿足AI688卡件輸入信號0～10V量程范圍要求的同時盡可能提高精度。以上部探測器為例，電流電壓轉換電路使用PRPM上的兩個五檔旋鈕（S1、S2）進行增益調節，共可獲得25種增益，每種增益對應一個反饋電阻（Rf），電流電壓轉換公式如下：

為確保在160%功率時PRPM輸出信號不超過AI688卡件的量程上限10V，在100%功率時PRPM輸出信號不能超過10/1.6=6.25V。增益旋鈕選擇的原則為100%功率時的輸出電壓信號應盡可能接近6.25V但又不超過6.25V。PRPM輸出的電壓信號送往PMS機柜進行軟件處理。

3 PMS系統軟件處理

PMS系統內有一個處理器專門處理堆外核測相關信號，在接收到AI688輸入的信號后，首先將AI688輸入的百分比信號轉換為電壓信號（100%對應10V），然后使用電壓除以當前所選增益對應的反饋電阻Rf。

軟件確定當前增益對應Rf值的方法為手動輸入當前旋鈕（S1、S2）的檔位，通過查表獲得對應的Rf值。得到探測器輸出的電流值后，使用公式（1）將電流值轉換為功率值

KISC是基于探測器靈敏度和滿功率中子通量得出的預測值，通常為0.1355%/μA，通過KISC轉換得到功率值使用公式（2）進行修正。

由于功率量程探測器安裝在壓力容器外，輸出信號受到下降段的水密度影響，為補償這種影響，需使用公式（3）對修正后的探測器功率信號進行補償。

其中補償因子使用公式（4）計算

公式（4）中的系數A用于調節，使滿功率時該補償因子的值為1;系數B由曲線的斜率決定，為下降段的水密度，是穩壓器壓力和冷腿溫度的函數。

經過補償后的上部功率量程信號與下部功率量程信號相加，得到未修正的反應堆功率，為確保最終輸出的反應堆功率與熱功率匹配，需使用公式（5）進行修正，得到修正后的反應堆功率。

為確保功率運行期間修正后的反應堆功率與熱功率保持一致，需每隔24小時對修正后的反應堆功率進行檢查，若與熱功率偏差超過5%，則通過調整可調增益，使修正后的反應堆功率顯示與熱功率一致。修正后的反應堆功率信號提供功率量程高中子通量停堆、功率量程高正變化率停堆保護及P-10連鎖信號。

經過補償后的上部功率量程信號減去下部功率量程信號，得到未修正的軸向功率偏差，然后通過公式（6）進行修正，得到修正后的軸向功率偏差。

修正后的軸向功率偏差信號將參與反應堆超溫（OTDT）、超功率（OPDT）停堆信號的計算，并送往PLS，用于控制AO棒移動，調節軸向功率偏差。

4 結論

（1）功率量程探測器工作在直流電流模式，因此不需要前置放大器對信號進行放大，對比源量程及中間量程信號處理流程，功率量程信號處理過程較簡單，但功率量程產生的信號用于反應堆保護系統核啟動停堆、超功率停堆等保護功能，并提供P-10信號連鎖。同時送往PLS系統參與軸向功率偏差調節，對核電廠的運行具有重要意義，了解功率量程信號處理流程，有助于在故障出現時根據故障現象快速定位故障位置，有助于保障電廠安全穩定運行。

（2）使用可調增益對電流進行放大并轉換為電壓信號，有助于提高信號傳輸質量，并在滿足卡件量程范圍的同時盡可能提高精度，軟件處理環節中設置多個可調增益及可調偏置，可滿足機組啟動不同階段的調節需求。探測器使用非補償電離室，無調節補償電壓需求，降低維修負荷。

參考文獻：

[1]AP1000堆外核測系統信號處理分析.何玉鵬，李恕群，王超.DCS控制系統，2015.

[2]安繼剛. 電離輻射探測器 [M]. 北京： 原子能出版社， 1995.