堆芯核測探測器故障處理及現象分析

趙 亮，王 佳，陳錦裕

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

反應堆堆芯核測系統是核電站核測量系統的一個重要組成部分，其主要作用是測量反應堆堆芯功率分布，?？潭淹夂藴y系統并提供堆芯燃耗的歷史數據。作為堆芯核測系統的重要部件，目前國內外常用的中子探測器主要有可移動微型裂變室探測器、固定式自給能釩（銠）中子探測器和氣動球活化測量探測器。

福清核電（即福建福清核電有限公司）1號、2號機組采用法國AREVA公司的微型裂變室探測器進行堆芯中子注量率的測量，是目前國內多數M310核電機組采用的測量方式。堆芯核測探測器的運行性能直接影響到機組的穩定經濟運行。為了有效維護堆芯核測探測器的運行，本文通過分析福清核電功率運行以來出現過的多起探測器相關故障，總結提高系統設備可靠性的維修方法。

1 微型裂變室工作原理

堆芯核測探測器是堆芯測量的敏感元件，又稱微型裂變室，外徑4.7 mm，長66 mm。中子是不帶電荷的粒子，不可能直接探測它們。微型裂變室通過中央涂有二氧化鈾的電極，兩層同心包殼之間充以氬氣。裂變室端部連接到螺旋驅動電纜上，在相關外設的配合下驅動電纜促使裂變室進入反應堆中心區域，由熱中子射入到微型裂變室靈敏體內，打在涂有二氧化鈾的電極上，使235U核發生裂變。裂變產生的重的帶正電的裂變碎片使氬氣電離，產生電子—正離子對。電子和正離子在外加電磁場作用下向兩極漂移，而形成脈沖，電子—正離子向兩極漂移形成的電脈沖疊加起來，則形成電流。微型裂變室的輸出平均電流I0=SNφ。其中，SN為微型裂變室靈敏性系數；φ 為變堆芯中子通量水平。

探測器通過指套管內部插入堆芯，指套管沿著L形導向管一直插至推芯頂部，與手動閥、密封段組成一回路邊界。機械執行機構由電動閥、各類選擇器和驅動裝置等組成，實現將探測器插入指定通道的目的?？刂撇糠钟煽刂乒瘛⒎峙涔?、繼電回路及顯示單元組成。每個探測器有一個獨立電源，提供可調的直流電壓，正常運行時工作電壓設定為125 V。

2 50%FP平臺堆芯核測探測器坪特性曲線不合格

2.1 故障現象及可能的原因

在執行福清核電2號機組中子注量率刻度調試規程時發現，3個探測器在10%FP和30%FP功率平臺坪特性曲線有超驗收規范的趨勢，而50%FP坪曲線斜率達0.33%/V，超過驗收規范0.2%/V（圖1）。FP即滿功率，是Full Power的縮寫。

此故障的可能原因主要有3個：①探測器性能下降；②探測器或測量回路絕緣問題；③機柜數據處理過程非線性放大造成誤差。

圖1 異常的坪特性曲線

2.2 故障處理

對機柜卡件精度、回路絕緣等進行檢查未見異常，更換探測器后坪特性曲線恢復正常。

由于堆芯核測探測器制作工藝的特殊性，同時堆芯中子通量測量對反應堆控制和安全至關重要，國外有電廠采用定期更換中子探測器的方法來保證設備可靠性，此方法固然可行，但周期短成本高。也有根據使用次數來決定的，如探測器使用達到3500次左右時進行更換。而普遍的做法是，通過探測器坪曲線、探測器測試數據有效性以及螺旋電纜的磨損情況，來評估探測器是否滿足運行要求。

福清2號機組首次50%FP功率平臺測試，3個探測器的坪特性曲線坪區斜率過大，不滿足驗收準則。為保證測試數據的有效性，功率運行前更換了3個故障探測器。分析主要原因為：該批次探測器生產質量缺陷，導致首次使用即超出驗收準則。

目前檢查探測器性能主要通過分析坪特性曲線和測量絕緣電阻兩種方式，由于坪曲線繪制在臨界后功率運行期間執行，而且絕緣電阻不能直接反映探測器性能優劣，因此提高生產階段系統設備可靠性顯得尤為重要。

3 探測器絕緣下降導致測量數據異常

3.1 故障現象

進行堆芯功率分布測量時，1號探測器出現“Flux value beyond the threshold of overload channel 1”故障報警，1號探測器的測量數據明顯高于其他探測器（圖2）。

圖2 MAP242-PASS1每8 mm中子通量數據

雖然存在異常報警，但是1號探測器坪特性曲線正常，物理人員數據處理合格。隨著試驗次數的增加，1號探測器相對于其他探測器的校刻因子也在不斷變大，最終出現測量數據不合格。

3.2 故障的排查與處理

繪制坪特曲線進行排查，結果顯示極化電壓處斜率合格，坪區比較平穩。探測器絕緣和電容檢查，發現探測器絕緣有所下降：大修期間大于110 MΩ，故障狀態下為64 MΩ。回路電容也發生改變：大修期間為11 μF，故障狀態為43 μF。這說明探測器或者同軸電纜回路中存在絕緣不良。分段檢查后，確定探測器損壞，經烘干處理無效。更換備件，故障消除。

為保障探測器的正常運行，探測器以及電纜的絕緣電阻測量是重要預防性維修工作。由于整個通路的同軸電纜、貫穿件和探測器以及螺旋驅動電纜都可能是故障點，以前的做法是分段測試，找到故障區域再行處理。目前使用時域反射儀進行更為直接便捷的診斷，而無需分段測試。

常用同軸電纜主要由內導體、金屬屏蔽網及絕緣介質組成，電纜可以看作長線。時域反射儀實際上是一個小型的一維雷達，它向電纜一端注入低壓脈沖，該脈沖沿著電纜傳播，若電纜存在斷路或短路故障，該區域同軸電纜特性阻抗發生變化，脈沖在其中的傳播將發生反射和透射，時域反射儀捕捉反饋信號的異常，即可通過運算確定故障位置，還能從阻抗的變化中發現電纜的故障趨勢。通過該方法測量可以準確定位故障點，同時不會對電纜造成損傷。圖3為時域反射儀測量正常通路的波形。

圖3 時域反射儀測試正常波形

4 探測器驅動設備故障的影響

為完成堆芯核測，除探測器外還有一整套機電設備，包括緊密連接探測器的螺旋驅動電纜、指套管、組路選、移動支架、驅動單元、控制機柜、控制卡等。驅動單元的驅動輪盤和導向鏈配合，帶動螺旋驅動電纜在有一定彎曲弧度的指套管與保存通道之間來回運動，同時把測量數據傳送回機柜供分析處理。任何輔助設備發生故障，探測器將不能正常完成測量工作，常見有卡塞問題。

對于福清1號、2號機組首循環出現大量的卡澀缺陷，經過故障排查和缺陷處理后，排除驅動機構、組路選擇器、電動閥和管道故障后，確認最主要的原因是法國廠家提供的螺旋電纜潤滑劑已過期失效，更換潤滑劑后系統運行狀態恢復正常。

由于探測器相關支持設備繁多，機電一體化控制設備復雜，故障處理難度大，需認真分析，逐項排查，才能保證探測器的正確動作。同時也需要加大預防性維修力度，定期檢查清潔指套管、調試驅動單元、組選路選電動閥等。

5 探測器互校準

結合福清核電1號、2號機組首個燃料循環以來的故障，總結堆芯核測探測器的維修方法?？紤]探測器坪特性曲線斜率、坪區、拐點、數量級的同時，關注探測器互校因子的變化。

由于堆芯核測系統采用5個探測器同時對堆芯多個通道進行測量，而每個探測器都有它自身的靈敏度，每次物理試驗前都需要對探測器相互之間的電流數據進行互校準。假設以1號探測器的測量數據作為標準，那么另一個探測器相對于1號探測器就有了一個?？桃蜃?，經過修正的數據將能更加真實地呈現反應堆的運行情況。根據試驗的需要，通常采用參考通道試驗法和循環互校試驗法兩種方法。

6 結束語

在探測器絕緣和整個同軸電纜的電容檢查正常之后，使用時域反射儀測量連續性可以作為一種補充參考方法，同時記錄變化趨勢，便于分析探測器性能以及老化情況。從以上分析可以看出，故障原因可能會有多種形式，但只要仔細區分其中細微的差別，同時充分利用新的診斷工具，就能更好地完成維修工作。