铂探测器在重水堆核电站二号停堆系统中的应用与维护

张振超，徐清华，刘 铮

（中核核电运行管理有限公司 维修五处，浙江 海盐 314300）

0 引言

铂探测器是自给能探测器的一种。铂探测器具有结构简单、体积小、耐腐蚀、耐高温、耐高压、测量范围宽、不需外加电源、噪声影响小、运行成本低等优点，被广泛用于堆芯中子测量。铂探测器作为核反应堆芯部各个区域中子通量密度的检测仪表，可以实现高功率范围的精确地快速测量，为反应堆保护系统提供精准可靠的区域功率保护信号，在重水堆核电站二号停堆系统中有重要应用。

1 二号停堆系统简介

二号停堆系统（以下简称SDS#2）作为重水堆核电站特有的4个专设安全系统之一，通过向慢化剂中注入中子毒物溶液（硝酸钆溶液）来快速终止反应堆的自持链式裂变反应，减少核燃料中产生的能量，保护反应堆的安全，是第二套可以快速停闭反应堆的保护系统。

SDS#2在设计上采用三取二逻辑触发回路，3个独立的通道相互间隔离，任意一个通道上的参数脱扣都能导致相应通道的脱扣，而不会影响其他两个通道。只有两个或以上的通道触发后才导致SDS#2动作。

区域超功率停堆（以下简称ROPT）参数是SDS#2的一个重要停堆参数，堆芯区域功率信号由铂探测器提供。其设计准则是在缓慢丧失调节或任何其它原因引起燃料超功率，在燃料局部烧干前，触发反应堆停堆。每条通道（G、H、J）各有8个铂探测器，每个铂探测器提供一个单通道脱扣信号。其中的3个探测器信号送入PDC计算反应堆当前功率，作为各个停堆参数整定值运算的函数。

2 SDS#2铂探测器介绍

铂探测器由发射体、绝缘体、收集体及电缆等组成，中心电极为发射体，由铂制成。探测器的外壳即是收集体，收集体由核级因科镍600制成。发射体和收集体之间是绝缘体，由MgO制成。铂探测器的电缆与探测器处于相同的辐射场中，所以不能使用有机绝缘材料，必须采用金属外壳—无机绝缘—金属芯线同轴电缆，金属材料用因科镍，无机绝缘材料仍用MgO[2]。

工作原理：发射体原子核俘获中子之后形成处于激发状态的复合核，复合核在退激过程中辐射γ射线，γ射线与探测器材料通过康普顿散射、光电效应以及产生电子对等相互作用，转化为核能电子，这些电子的发射，就形成了探测器的正比于中子通量的电流[1]，通过测量这个电流就可以测出中子通量，也就可以测出反应堆的功率，为SDS#2提供ROPT参数。

3 SDS#2铂探测器的安装

SDS#2铂探测器的敏感段放置于排管容器内的导向管中，24根铂探测器分别安装在7个水平方向的探测器组件中。每个探测器组件有11个毛细导管，最多能同时安装11个铂探测器。探测器组件把铂探测器密封地安装于毛细导管中特定的位置，并充上氦气，以保护铂探测器及其电缆。

4 SDS#2铂探测器回路的工作原理

SDS#2中每个铂探测器测量回路包括：可调节的放大器增益、动态补偿器、偏差信号回路、脱扣比较器、试验电路、隔离放大器。铂探测器产生的电流信号，经过专用的屏蔽双绞电缆，送到设备间的ROPT放大器，在ROPT放大器中进行电流/电压转换放大，动态补偿，差动补偿，在ROPT放大器中分成两路信号，一路与设定值进行比较，如果大于设定值，则送出脱扣信号到通道脱扣逻辑中，使通道脱扣，如果3个通道中有2个脱扣，则SDS#2动作，反应堆停堆；另一路经过缓冲后送出到隔离卡件中，送到主控室用于指示实际功率。另外脱扣设定值经过缓冲后，送到隔离卡件中，经过隔离后送到主控室用于设定值指示。隔离卡件主要对指示表和ROPT放大器进行信号的隔离，避免各指示表信号和放大器信号之间的相互影响，从而提高整个回路的可靠性。

在反应堆底部的SDS#2铂探测器相对较少，因而该系统对反应堆底部出现的超功率敏感度较差。为了补偿这一弱点，使用了差动补偿回路。该回路给出顶部到底部通量倾斜的信息。差动补偿回路从某种程度构成一个虚拟探测器发出的信号，将该差动补偿回路的输出信号与从一个真实探测器来的信号做同样处理，并在需要时用作通道停堆参数。

5 铂探测器的性能检查及故障诊断

对于铂探测器的性能检查及故障诊断有两个重要的参数，即绝缘阻抗和电容。探测器组件中的氦气环境也是影响铂探测器稳定运行的重要因素。

5.1 绝缘阻抗

铂探测器的绝缘阻抗低（小于106Ω）将产生较大漏电流，会隐没信号电流，使铂探测器无法正常工作。一个没有受过辐照的铂探测器在室温条件下，绝缘阻抗应大于1013Ω，在400℃绝缘阻抗应大于108Ω[3]。当探测器在一个运行的反应堆中时，绝缘阻抗大约降为108Ω，但探测器仍能正常工作，在装入反应堆堆芯前后必须进行绝缘阻抗的测试，以便对铂探测器进行故障诊断。

5.2 电容

电容是铂探测器的另一个重要参数，电容值应在出厂值的±0.10nF范围内[2]。测量电容的目的是检查探测器各个部件之间连接的可靠性，例如探测器绝缘电阻很高，但分布电容很低，甚至为0，说明各部件之间连接存在接触不良或断开。测量电容便于探测器发生故障时分析检查。

5.3 探测器组件氦气环境

探测器组件中充有高纯氦气，用于保护铂探测器。每个探测器组件内的氦气压力在安装或调试期间进行测量并记录，如果压力过低则需检查探测器组件有无损坏，连接处是否有泄漏，如果探测器组件有损坏则必须更换，如果连接处有泄漏则要紧固或更换密封圈，并充气到100±3kPa（g）。在反应堆运行后，每5年必须检查一次探测器组件中氦气压力，如果压力低于35kPa（g），则需要用高纯氦气对探测器组件进行充气[3]。

5.4 在役铂探测器绝缘阻抗

铂探测器在堆芯会受到辐照，受辐照后的铂探测器的绝缘阻抗不能直接用高阻计进行测量，可以在铂探测器的放大器的前面板按下探测器阻抗检查按钮，此时放大器内部的一个1MΩ的电阻与铂探测器串联，用万用表测量放大器的输出电压Vt；松开按钮，测量放大器的输出电压Vo。可以用以下公式计算出铂探测器绝缘阻抗：

如果测出的绝缘阻抗小于108Ω，则证明铂探测器性能下降，需要更换铂探测器。

6 铂探测器的更换

图1 铂探测器组件吹扫和充气管路图Fig.1 Platinum detector components purge and inflatable piping diagram

由于铂探测器安装在探测器组件的毛细导管中，而且毛细导管中充有100kPa的保护气体，因而需要用设计的探测器组件吹扫充气装置，把组件中探测器保护气体置换后卸压，新探测器安装后，需要对探测器组件进行气体置换和充压。

6.1 探测器组件氦气置换及泄压操作

打开探测器组件顶盖前，需要用高纯氦气对探测器组件进行吹扫，吹扫的气体排到通风系统中。按照图1“探测器组件吹扫和充气管路图”连接氦气的气路管线，连接完成后关闭V1和V2，并确认两个PRV1和PRV2的输出已调到最小值，打开氦气瓶的出口阀，调整PRV1的输出到1MPa左右，调整PRV2的输出为100kPa，打开V1，并拧松母快接头，对管路进行吹扫，使氦气充满管路，拧紧母快接头，关闭V1，并把母快接头连接到铂探测器的充氦气的公快接头上。打开V2，打开真空泵，确认真空表PI-4的压力开始下降。打开探测器组件上的公快接头前的通气阀，打开1～2圈，继续抽真空，直到真空表PI-4的指示真空度大于10kPa。关闭V2，慢慢打开V1，对探测器组件进行充气。检查PI-3维持在100kPa，充气大约3min。关闭V1，慢慢打开V2，对探测器组件抽真空。如此抽气充气重复5次并最后泄压。

6.2 铂探测器安装操作

探测器组件的扫气完成后，用内六角扳手卸下探测器组件的端盖上的螺栓和垫片。拆下探测器组件的端盖及端盖密封O型圈，拆下探测器组件的端盖后可见探测器的LEMO连接接头，从底座的LEMO插孔上拔掉旧探测器的LEMO接头，在旧的探测器的LEMO接头的正负极上连上225Ω电阻。这样损坏的铂探测器留在探测器组件中，不会影响其他铂探测器。如果要把旧的铂探测器抽出，则需要STERN LAB MARK II专用工具；如果铂探测器组件中有足够的备用毛细导管，在整个寿期内都能满足要求，则不需要把旧铂探测器拔出。

用铂探测器安装工具将新的铂探测器缓慢插入毛细导管，再将探测器的LEMO接头接到皮安电流计上，测量新的探测器的输出电流。如果新探测器的输出电流稳定并与实际的功率水平相匹配，则说明铂探测器正常，可以把新探测器的LEMO接头插到LEMO插孔上，回装探测器组件端盖。

6.3 探测器组件氦气置换及充压操作

确认组件端盖正确安装后，按照图1的吹扫管路图，用高纯氦气吹扫探测器组件5次，最后把探测器组件内部压力充到100KPa。这样新的铂探测器就算完全安装好了。

新的铂探测器安装完成后，需要在设备间再次测量连上电缆的铂探测器的阻抗和电容，测量输出的电流，并确认电流是否稳定。确认铂探测器可用之后，就可以把探测器投入到二号停堆系统中了。

7 结束语

铂探测器作为核测仪表的一种，为反应堆提供可靠的区域功率保护信号，其在重水堆核电站SDS#2系统中的重要性是显而易见的。因此，铂探测器的维护，故障诊断以及更换是非常重要的。

在重水堆核电站中应用的铂探测器预计能正常工作而不会出现系统性失效，最短寿命可达20年。因此，在压力管更换之间的整个服务期内，它们能完全履行其“安全系统”的使命，因而建议反应堆更换压力管时，同时更换铂探测器。