基于模塊化設計的堆芯中子通量測量系統

黃有駿 韋文彬 楊戴博 李 昆 王銀麗

（核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

華龍一號（HPR1000）是我國第一個具有自主知識產權的三代核電堆型，其堆芯中子通量測量系統由中子探測器組件、信號處理柜以及控制柜組成，主要功能是通過測量堆芯中子通量，并結合反應堆其他工況信號實現對燃料組件線功率密度（LPD）、偏離泡核沸騰比（DNBR）、堆芯三維功率分布、燃料組件燃耗等堆芯關鍵參數的在線監測。

由于三代核電廠數字化儀控系統的設計需要采用模塊化的方法，堆芯中子通量測量系統作為儀控系統的重要組成部分在設計時必定要遵守該要求。本文設計多種基礎功能插件作為最小模塊，根據堆芯中子通量測量系統的功能需求，使用這些成熟和驗證過的插件對系統進行快速搭建，這樣不但加快系統設計的效率，而且提高系統的可靠性和可維修性。

1 基礎功能插件

1.1 系統基礎框架

系統采用機箱實現插件承載，機箱采用6U 高14槽標準機箱， 插件通過機箱上下兩個96 芯針座形式接插件實現快速安裝，可以保證插件的更換效率和維修便捷性。 機箱分為3 個不同的功能區域，左側區域是模擬處理部分，主要配置放大卡等專業插件；中間區域是數字處理部分，主要配置主控制器卡、通信卡等數字通用插件，通過AT96 工業總線和自定義I/O 總線進行連接；右側區域是低壓電源，主要功能是為機箱提供冗余的直流電源。 系統基礎框架如圖1 所示。

圖1 系統基礎框架

1.2 數字通用插件

數字通用插件主要功能特點如下：

（1）主控制器卡：①CPU：AMD LX800；②RAM 空間256 MByte，Flash 空間512 MByte；③5 V 供電；④故障自診斷功能。

（2）RS485 通信卡：①端口數量：4 個（4 線）；②浪涌、ESD 保護功能； ③傳輸速率：230.4 kbps； ④兼容RS422 功能；⑤故障自診斷功能。

（3）CAN 通信卡：①端口數量：4 個；②浪涌、ESD保護功能；③傳輸速率：250 kbps；④故障自診斷功能。

（4）以太網通訊卡：①端口數量：2 個（4 線）；②浪涌、ESD 保護功能；③傳輸速率：10/100 Mbps；④故障自診斷功能。

（5） 模擬量輸入卡： ①16 路隔離單端輸入，精度≤0.5%F.S，溫漂≤100ppm/℃；②電流輸入范圍：0～20 mA；③隔離保護功能；④浪涌、ESD 保護功能。

（6）開關量輸出卡：①開關量數量：32 路（干觸點信號）； ②開關量輸出端口大于3000 VDC 隔離保護功能；③浪涌、ESD 保護功能。

1.3 專業插件

專業插件主要功能特點如下：

（1）放大卡：①測量范圍：2.0×10-11～4.5×10-6A；②測量精度如表1 所示。

表1 放大卡電流測量精度

（2） 低壓電源： ①輸入電壓： 幅值324～396 VDC/198～242 VAC（50 Hz±3 Hz）；②輸出電壓：+5 VDC（容量10A），±15 VDC（容量各1A）；③監測電壓：+5 V 監測電壓為（5±0.25）V，±15 V 監測電壓（7.5±0.37）V；④紋波：+5 V 紋波≤15 mV（Vp-p）；±15 V 紋波≤10 mV（Vp-p）。

2 系統搭建流程

2.1 機箱設計

基于模塊化設計的堆芯中子通量測量系統的機箱設計流程如圖2 所示。 確定系統的功能需求，進行設備的功能分配。 根據配置好的設備要求，分別進行放大器設計或選用（如果需要）、基礎功能插件的選型以及信號總線的連接，完成系統機箱集成。

圖2 系統機箱設計流程

2.2 系統搭建

根據堆芯中子通量測量系統的功能需求，集成了三種機箱：

（1）測量機箱：由7 個放大卡、2 個信號采集卡、1 個處理卡、1 個CAN 通信卡、1 個RS485 通信卡和1個低壓電源組成，主要功能是對中子探測器組件電流進行調理、采集和數字化處理；

（2）運算機箱：由1 個主控制器卡、4 個CAN 通訊卡、4 個RS485 通信卡、2 個以太網通信卡、1 個信號采集卡、1 個模擬量輸入卡和1 個開關量輸出卡組成，主要功能是匯總所有測量機箱測量結果、采集電廠工況信號，并據此進行LPD/DNBR 快速計算；

（3）電源機箱：由2 個低壓電源組成，主要功能是為運算機箱提供冗余的直流電源。

上述三種機箱組合成為堆芯中子通量測量系統信號處理柜。

3 工程應用實例

3.1 設備設計

堆芯中子通量測量系統信號處理柜的結構示意圖如圖3 所示，主要功能是完成中子探測器組件輸出信號的放大、采集、延遲消除以及LPD/DNBR 快速計算、通信等。

圖3 信號處理柜結構示意圖

3.2 試驗驗證

3.2.1 工廠測試

對國內外堆芯中子通量測量系統的相關試驗標準進行了梳理分析，并根據所有的采標標準進行了標準對比工作，最終確定試驗項目和試驗條件。 針對信號處理柜樣機的最終試驗結果如表2 所示，實測技術指標對比設備規格書要求指標如表3 所示。

3.2.2 鑒定試驗

信號處理柜樣機按照EJ/T 1197—2007 《核電廠安全級電氣設備質量鑒定試驗方法與環境條件》中K3 級設備要求進行鑒定，試驗結果。

4 結語

使用本文設計的基礎功能插件搭建的堆芯中子通量測量系統信號處理柜樣機完成了工廠測試，并順利通過K3 級設備的鑒定試驗， 表明模塊化的設計方法能夠很好地滿足系統設計要求。利用基礎功能插件進行模塊化設計可以實現核電設備及系統的快速研發，并有助于形成標準化的系列產品。

表2 信號處理柜樣機工廠測試結果

表3 信號處理柜樣機實測技術指標對比

表4 信號處理柜樣機鑒定試驗結果