堆芯中子注量率测量系统实际应用问题分析

黄显艺，陈若滢

（福建福清核电有限公司，福建福清 350318）

0 引言

如今大部分核电厂的反应堆是利用中子轰击铀235核发生核裂变，释放能量并生成新的中子，新的中子再打入其他铀235核，如此不断持续下去形成链式反应。对反应堆内中子活动的研究，可以用堆芯中子注量率的大小和分布表示，堆芯的核功率、轴向功率偏差、轴向功率分布，线功率密度与中子注量率密切相关。堆芯测量系统设计的目的之一，就是分析和测量堆芯中子注量率在堆芯各个位置的变化情况，这部分功能也称为堆芯中子注量率测量系统。

在反应堆启堆时，中子注量率测量系统检查堆芯寿期开始时的功率分布是否与设计所期望的功率分布相符，检验用于事故工况设计研究的热点因子是否是保守的。在反应堆正常运行期间，中子注量率测量系统检查与燃耗相对应的功率分布是否与设计所期望的相符，探测堆芯有否偏离正常运行，并且校准堆外核仪表。不论是启堆还是正常运行期间，都需要使用中子注量率探测器伸入堆芯，测量堆芯中子注量率数据，进而绘出中子注量率分布图。

1 中子注量率探测器及相关设备工作原理

堆芯测量系统中子注量率的测量由微型移动式探测器来完成，中子注量率探测器为铀235微型裂变电离室，裂变室是用中心涂有丰度为90%的铀的氧化物涂层中心电极，外层为2个密封的外壳，外电极和中心电极间的电势差即为极化电压。在腔室中充入99.88%的氩气作为裂变室的工作气体。当热中子通过裂变室时，与裂变室中的铀2235发生裂变反应，铀2235裂变产生的碎片将氩气电离，产生正负离子，由于两电极间存在电势差，则正负离子分别向两电极漂移，在回路中形成感应电流。

中子注量率测量系统共有5根探测器，这5根探测器通过驱动单元带动，并经由组选择器和路选择器进行通路选择，从而沿着50根指套管中的5根伸入堆芯。当执行中子注量率图绘制程序后，驱动单元接收机柜送出的命令，以高速（18 m/min）将5根探测器升至距离堆芯顶部预设点20 cm处，然后切换到低速（3 m/min）升至堆芯顶部。探测器在堆芯顶部测量中子注量率，以确定其最大值，从而确定最合适的测量量程。等到所有参与中子注量率图绘制的探测器都到达顶部后，探测器以低速抽出各个探测器，并用上升阶段确定的量程每8 mm采集一次中子注量率测量数据，直到探测器降至堆芯底部。当探测器到达距离堆芯底部80 cm时，用上述相同的量程测量本底噪声。相关机械设备正常地协同工作，才使得探测器稳定伸入和抽出堆芯。

（1）每个驱动单元设计成能够推动螺旋形驱动电缆进出堆芯以及密封管路，中子注量率探测器固定在驱动电缆的末端。驱动电缆的存储设备是一个卷盘，驱动电缆不使用时以一定的拉紧力缠绕在卷盘上，防止在最大的速度，或在高低速切换时驱动电缆从卷盘上散开。从卷盘中伸出的驱动电缆通过导向链条和压紧装置固定于带齿的驱动轮上。正常工作时，驱动单元中的齿轮电机带动驱动轮转动，驱动轮从卷盘中抽出驱动电缆朝预定方向运动。驱动单元中的一个重要组成设备为力矩限制器，该装置提供驱动轮以一定力矩，保证驱动轮具有足够力量将驱动电缆推入和抽出。

（2）选择器负责筛选通道，并保证5根中子注量率探测器送入指定通道中。它包括组选择器和路选择器，其中组选择器具有1个输入通道和3～4个输出通道，可使中子注量率探测器从驱动装置送到下列任何通道：10个正常运行方式的探测通道、10个应急通道、存储通道，或公用校准参考通道。路选择器具有2个或5个输入通道，10个输出通道，可使将中子注量率探测器分别、逐次地送到指套管的10个通道中的1个。路选择器和组选择器作为选通设备，在接收到读出控制柜下发的命令后，及时旋转到相应通道，反馈至机柜，探测器才继续沿着指定通道移动。

（3）连接管连接着驱动单元、组选择器和路选择器直到密封组件，它是带有倒角和快速接头的不锈钢直管或者具有一定曲率半径的弯管。指套管则从密封组件延伸到堆芯，它在堆芯侧的一端靠一个锥型焊塞封闭，另一端焊到用作限位和密封的接头上。正常运行时，中子注量率探测器及其启动电缆在上述管路内顺畅移动。

2 中子注量率探测器及相关设备特性

中子注量率探测器由于靠的是各个机械设备的运转而带动，因此就不可避免地受到机械设备自身特性的限制造成的影响。

（1）中子注量率探测器驱动电缆是螺旋形的，通过与驱动轮上的每个齿啮合而被推动。这就要求驱动电缆和驱动轮能够完全啮合，它们之间接触要具有一定的摩擦力。

（2）驱动单元上用于压紧驱动电缆的导向链条是带有滚轮的，链条压在驱动电缆上，驱动电缆移动时则带动导向链条上的滚轮滚动。

（3）组选择器和路选择器旋转到位时，内部的微动开关会触发到位信号到读出控制柜，经允许后中子注量率探测器才能够继续移动。

（4）连接管路内径不大，光滑程度不高，弯曲半径不能太大以免探测器无法通行。

3 中子注量率探测器及相关设备问题分析

近年来，福清核电1#，2#机组堆芯中子注量率测量系统在使用探测器伸入堆芯进行测量时，往往会出现探测器停在管路中无法移动的现象，并在读出控制柜控制软件中提示“JAM”报警。在绘制一次中子注量率图时，单通道频繁地出现卡塞现象意味着该通道无法通过该探测器正常测量中子注量率数据。造成此类现象的原因很多，但都跟中子注量率探测器及相关设备的特性有关。

3.1 问题及原因

（1）中子注量率探测器润滑剂使用不当。润滑剂应均匀涂抹于整根探测器驱动电缆，润滑剂的使用有助于驱动电缆与驱动轮和导向链条的频繁接触，也让驱动电缆在管道中顺畅滑动。

（2）力矩限制器力矩调整过大或者过小。力矩限制器力矩过大会造成驱动电缆与驱动轮打滑，力矩过小时驱动轮没有足够力量将>10 m长的驱动链条送入堆芯。

（3）导向链条压紧装置力度过大。导向链条用于将探测器驱动电缆以一定力度压在驱动轮上，保证驱动轮转动时探测器驱动电缆紧贴着驱动轮转动。但导向链条上的滚轮使用久了以后难免会产生锈蚀或滚动不顺畅的情况，这时压紧力度如果过大，驱动轮将难以将探测器驱动电缆完全推入堆芯顶部，易造成半途卡塞。

（4）连接管变形。在大修期间人为误碰连接管的情况下会发生局部变形，连接管本身管径又较小，这会造成探测器通过时有困难。

3.2 救援模式

在设计上，5个探测器除在正常通道运行外，还可以相互救援，具体的救援模式分为：

（1）探测器失效的情况。如果探测器N发生故障，可以使用剩余的4个探测器测量全部50个通道的中子注量率。只不过探测器N对应的正常测量通路由探测器N-1以救援通道的方式进行测量。

（2）2个相邻的探测器（探测器N-1和探测器N）失效的情况。在此情况下，探测器N对应的正常测量通路无法被测量。在这种情况下，除了探测器N对应的10个正常测量通路，剩余的3个探测器可以经过循环互校准之后对40个测量通路进行测量，这意味着中子注量率图将会损失10个测量数据。

（3）2个不相邻的探测器失效的情况。在此情况下，剩余3个正常的探测器可以采取参考互校准的方式进行校准。2个失效的探测器对应的测量通路可由相邻的正常的探测器以救援通道的方式进行测量。因此，在这种情况下，可对全部50个测量通道进行测量。

（4）1个或者多个通路失效的情况。如果不论是让探测器采取何种插入方式，某个通路卡塞现象都频繁发生，则代表该通路已失效，此时该通路的测量无法进行，只能舍弃。

不论是探测器还是通路的失效，从中子注量率图数据的处理来说，都至少要保证50个通道数据中的30个有效。

4 结束语

堆芯中子注量率测量系统是靠大量机械设备的正常运转而实现其功能的，其中任何一个部件的故障，不论是中子注量率探测器的卡塞还是组选择器旋转位置故障，都有可能造成测量通道的不可用，进而影响中子注量率图的绘制。因此，大修期间堆芯中子注量率测量系统设备的检修工作极为重要，为了保证机组功率运行期间堆芯功率分布测量工作的正常进行，保证探测器顺畅进入堆芯测量中子注量率数据，有必要在每次大修期间拆卸和回装系统设备后，以及从处理设备缺陷中总结良好的检修经验。

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