AP1000与M310+落棒时间测量技术差异性分析

曹晟龙

（江苏核电有限公司仪控管理处，江苏连云港 222000）

0 引言

压水反应堆在正常情况下是通过把控制棒逐步插入燃料组件实现正常停堆，在紧急情况下要靠自身重力将控制棒快速插入燃料组件实现紧急停堆。紧急停堆情况下的落棒时间作为安全评审的重要依据和电厂安全运行的重要参数之一，必须满足堆芯安全分析规定的时间要求。因此，落棒时间的准确测量对于核电厂运行安全至关重要。控制棒棒束位于堆芯高温、高压、强辐照的环境中，其位置不可能直接测量，落棒时间和控制棒位只能通过棒位探测器进行间接测量。由于设计思路和专利限制等因素，AP1000与M310+这2种国内主要压水堆型的棒位探测器和落棒时间测量方式均有所差异。

1 M310+堆型落棒测量技术

M310+堆型规定必须在每个循环开始时进行的物理试验中验证落棒时间T4，T5，T5+T6。M310+落棒时间安全验收准则中的热停堆、额定流量工况下的落棒时间规定：棒束从开始降落至缓冲段入口（T5），未考虑地震载荷为2.15 s；棒束从开始降落至缓冲段底部（T5+T6），未考虑地震载荷为3.0 s。同时运行准则中还规定了热态时T4≤0.15 s，T4表示从保持钩爪线圈电流降到33%额定值到棒束开始降落之间的时间。

1.1 棒位探测器的测量原理

M310+的棒位探测器利用了电磁感应原理的互感现象。互感现象是当一线圈中的电流发生变化时，在临近的另一线圈中产生感应电动势。互感系数M表征2线圈之间产生互感能力的强弱。互感系数M的大小与2线圈的形状、相对位置以及周围磁介质的磁导率μ有关。当形状和位置确定不变时，就只与其内部介质的磁导率μ成正比，可记为M=kμ。当第一个螺线管中通过的电流为i时，通过另一螺线管的磁通量为Φ=Mi=kμi；如果i随时间发生变化，则Φ也发生相应变化。根据电磁感应定律，通过回路面积的磁通量Φ发生变化时，该回路中产生的感应电动势ε见式（1）。

如果，则有（2）式。

当介质磁导率不随时间改变时，感应电势与介质磁导率及激磁电流I（有效值）成正比。若保持激励电流（有效值）的恒定，感应电动势就只与感应线圈周围介质的磁导率有关。当感应线圈中有铁芯穿过时感应电动势会产生变化。

以福清核电厂为例，每台棒位探测线圈包括1个原边线圈，31个副边（测量）线圈和2个辅助线圈；原边线圈为一长螺线管，沿驱动轴整个上下行程绕制。为减少引出线数量，副边线圈采用格莱码自编码方式被分为 5 组（A，B，C，D，E），每组按照串接反绕的方式连接在一起，与原边线圈共轴；2个辅助线圈串接位于初级线圈两端。

1.2 落棒时间测量原理

M310+应用探测器原边线圈的感应电压进行落棒时间测量。根据电磁感应现象：在变化磁通量中的导体，会产生电动势。控制棒驱动轴由磁性材料制成，落棒试验时，驱动轴导磁光杆与棒位探测器原边线圈组合成1个动铁式磁电传感器[1]。驱动轴下落的过程中，在原边线圈产生了感应电动势。通过测量和处理原边线圈感应电动势的大小和时间即可绘出落棒时间曲线。

1.3 落棒试验过程

福清核电厂棒控棒位系统中包括有落棒试验功能的Test Bench系统（测试台系统）。Test Bench需要采集原边线圈感应电压信号、驱动机构的保持线圈电流信号以及CRDM（Control Rod Drive Mechanism，控制棒驱动机构）声音信号（声音信号仅作参考）。原边线圈电压信号需通过专用的原边线圈转接板及落棒信号线从棒位设备房间引入，保持线圈电流信号从棒控电源柜前面板引入。

试验中，将选定的一个棒组提升至225步，将该棒组的一个子组的上述信号接入Test Bench，在Test Bench中选择相应试验项目，断开子组动力电源，落棒完成后，Test Bench作出落棒曲线（图1）并分析试验结果，试验数据可存储、显示并打印。下一个子组、棒组重复上述试验步骤。

Test Bench一次只能连接和测量同一个子组4个棒束的落棒数据，在每个子组试验时都需要试验人员进行接线连接和试验设定，因此该系统无法实现反应堆运行期间紧急停堆的落棒数据测量。

2 AP1000棒位探测技术

AP1000规定每次移动反应堆顶盖之后，反应堆临界之前要验证黑棒的落棒时间≤2.47 s，落棒时间定义为，一束完全提出的控制棒从固定钩爪线圈失去电源到进入缓冲区前所用的时间[2]。

图1 Test Bench落棒曲线

2.1 棒位探测器测量原理

AP1000的棒位探测器利用了电磁感应中的自感现象。自感现象是由于线圈本身电流的变化而引起的。自感系数L表示线圈产生自感能力的强弱。，μ代表线圈中的介质磁导率，S代表线圈面积，N代表线圈匝数，l代表线圈长度。当S，N，l不变时，有铁芯线圈的自感系数比没有铁芯时大的多。

图2 基本原理电路图

在图2电路中，线圈通以50 Hz交流电源，根据电磁理论，线圈感抗 XL=2πfL，回路电流，测量电阻R的分压VR=IR。当铁芯没有贯穿线圈时，VR=X；当铁芯贯穿线圈后L增大，XL增大，回路电流I减小，因此测量电阻R的分压VR＜X。涡流损耗、磁滞损耗等效应的影响较小可忽略。

AP1000每台棒位探测器组件包括48个线圈，分别命名为A和B的2组，每组24个线圈交叉离散的固定在非磁性不锈钢套筒上（图3）。

图3 AP1000数字棒位探测器

2.2 落棒时间测量原理

AP1000落棒试验时，驱动轴导磁光杆分别与棒位探测器A，B组线圈组合成2个动铁式磁电传感器。驱动轴下落的过程中，在A，B组线圈产生了感应电动势。通过测量和处理A，B组线圈感应电动势的大小和时间即可绘出落棒时间曲线。

2.3 落棒试验过程

AP1000棒位系统中包含专门的落棒试验子系统（Rod Drop Test System，RDTS），包括位于A，B台棒位数据采集柜内部的数据采集设备（Data Acquisition Equipment，DAQ）和一台位于安全壳外的落棒试验柜。DAQ连接至A和B组线圈的6 V AC电源连接处。DAQ通过CAT-5局域网与安全壳外的落棒试验柜通信。

试验前，试验人员在系统中选定落棒试验的棒束并设定参数。试验开始后，反应堆停堆系统向RDTS发出一个继电器闭合触点信号触发数据采集；DAQ通过继电器将探测器线圈115 V AC/6 V AC变压器的主级线圈断开，将次级线圈短路（HI，LO）的方式，把变压器切除出落棒测量回路[3]如图4。通过检测公共传输线电阻R4上的感应电压变化DAQ得到落棒时间曲线数据。落棒试验柜对落棒曲线数据进行分析、显示、存储和打印。

RDTS可同时进行所有棒或1束棒、或1个子组棒、或1组棒的落棒试验。RDTS只在落棒试验或设备运行验证期间运行，也无法测量并记录反应堆运行期间发生紧急停堆时的落棒数据。

3 改进后的AP1000落棒时间测量技术

美国西屋电气公司虽然在中国申请了AP1000落棒时间探测技术的专利保护，但该技术存在着缺点和不足[4]。

（1）公共导线上的电阻R4很小且很难保证多个棒束测量的一致性。

（2）很难实现反应堆运行期间紧急停堆的落棒测试。

针对以上问题，国产化厂家对该系统进行了改进设计。在棒位探测器A和B组棒位测量线圈的基础上，增加专用的落棒测试线圈，每个落棒测试线圈首尾相接，形成2个测试感应电压的引出端（图5）。电厂正常运行期间落棒系统投入运行，可实现运行期间紧急停堆时落棒数据的测量。

该改进在落棒测量时只需断开棒位测量线圈变压器，无需切除变压器，并可测量反应堆紧急停堆时的落棒数据，提高了测试的可靠性。

图4 AP1000落棒感应电压测量电路

图5 国产化改进后的落棒感应电压测量电路

4 三种落棒时间测量技术的差异性分析

（1）M310+和AP1000落棒时间测量技术参数的对比见表1。

表1 落棒时间测量技术参数的对比

分析结果表明：M310+要求验证T4时间，T4时间起始点为保持钩爪线圈电流降到33%额定值，因此试验中需要采集钩爪线圈电流。而AP1000的落棒时间起始点为固定钩爪线圈失去电源，无需采集钩爪线圈电流，从而简化了测量系统的设计。这时由验收准则的差异造成的。

（2）Test Bench一次只能测量同一个子组4个棒束的落棒数据，每个子组试验时都需要试验人员进行1次接线连接和试验设定，测量过程复杂，人员工作量大，试验时间较长；RDTS可同时进行所有棒、或1束棒、或1个子组棒、或1组棒的落棒试验，试验时无需改造设备硬件，在落棒试验或慢速棒重测试验中，AP1000的选择更加灵活，可大大简化试验过程，大量减少大修期间的试验时间，可对缩短大修周期有一定贡献。

（3）国产化改进的AP1000棒位探测器增加了专用落棒测量线圈，试验中只需断开无需切除棒位测量线圈变压器，进一步提高了测试的可靠性；改进后的落棒试验系统可在反应堆运行中测量紧急停堆时的落棒数据，可方便及时收集落棒数据，进一步提高反应堆的安全性。

5 结论

2种棒位探测器分别采用了电磁感应原理中的互感现象和自感现象设计，结构差异很大，也造成了2种堆顶落棒时间测量的差异。AP1000在简化试验过程，缩短大修周期方面表现突出。国产化改进后的新型AP1000棒位探测器及其落棒试验系统，进一步提高了落棒时间测量的可靠性和及时性。建议采用Test Bench系统的核电机组进行设备改造，使其具备同时测量所有棒、1束棒、1组棒落棒时间和测量反应堆紧急停堆时落棒数据的能力，以简化落棒试验过程，提高机组运行的安全性和经济性。

[1]钟艳敏.王源.付仿松，秦山核电二期工程反应堆控制棒落棒性能测试[J].核动力工程，2003，24（2）：221-223.

[2]Westinghouse.AP1000 Design Control Document[Z].Revision 16，May 2007.

[3]Analysis And Measurement Services Corporation，Advanced digital control rod position indication system with rod drop monitoring for nuclear power plants：USA，US8351561 B2，2013-1-8.

[4]国核自仪系统工程有限公司，核电站棒位监测系统：中国，CN202205469 U，2012-4-25.