AP1000堆内核测系统及维护策略分析

付龙俊

（三门核电有限公司，浙江 三门 317100）

在AP1000 中，堆内核测系统（In-core Instrumentation System，IIS）对堆芯功率进行实时监测，生成3D 堆芯功率分布图，并实时显示。

本文从AP1000 IIS 系统的原理和结构出发，对AP1000 IIS 系统的特点进行了分析，并结合运行经验，提出了AP1000 IIS 系统的维护策略。

1 IIS系统原理

在AP1000 机组运行期间， IIS 系统将自给能中子探测器（Self-Powered Neutron Detector，SPD）置于堆芯内部，中子探测器产生正比于其周围中子注量率水平的电流信号，通过该电流信号计算出堆芯指定位置的注量率信息。

SPD 由发射体、绝缘体、收集体组成[1]：

1）中心电极称为发射体，为中子灵敏材料。发射体是SPD 的核心部分，决定了探测器的物理特性。

2）探测器的外壳即是收集体，为中子不灵敏的材料。

3）发射体和收集体之间是绝缘体，通常采用无机绝缘材料。

SPD 与中子注量的反应机制主要有两种：β 衰变反应（n，β）（缓慢）和中子俘获反应（n，γ）（瞬发），根据反应机制不同，自给能中子探测器可分为衰变型自给能中子探测器和瞬变型自给能中子探测器两种[2]。

瞬变型自给能中子探测器对中子注量变化的瞬时响应比较灵敏，故多用来测量功率变化并参与反应堆控制。但瞬变型自给能中子探测器要经过二次相互作用才能将中子转换成可供收集的电子，转换效率很低，只有衰变型自给能中子探测器的1%～2%，因此精度较差。

2 AP1000 探测器组件的结构分析

2.1 探测器组件结构

AP1000 采用衰变型自给能中子探测器，共有42 个探测器组件（IITA），每个IITA 中有7 个不同长度的SPD，其中最长的SPD 覆盖了整个堆芯活性区域的高度，其他6个SPD 以最长探测器的1/7 长度顺序递减。

2.2 提高探测器信噪比

由于反应堆内部环境恶劣，对探测器信号干扰大，且SPD 输出的电流信号非常微弱、精度要求较高，因而提高信噪比对保证 IIS 信号质量至关重要。SPD 主要通过降低电缆本底噪声电流来提高信噪比。

AP1000 的堆内探测器组件中含有7 个探测器，通过探测器间的差分比较消除了电缆噪声电流，每个探测器的引出电缆均布置在活性区顶断面以上，此设计保证了各电缆长度一致。

3 AP1000探测器组件布置结构分析

AP1000 IIS 系统采用可移动的仪表导向通道系统（即仪表格架组件IGA），将42 个堆内探测器组件插入堆芯指定位置。IGA 上有8 个Quickloc 快接头，每个快接头最多可固定6 个堆内仪表组件（其中有6 个快接头只固定5 个堆内仪表组件）。

仪表导管固定连接在仪表格架板底部，而套管则套装在仪表导管的外部，两者可以相对滑动。在正常运行位置时，仪表导管和套管重合套在一起，并插入在上支撑柱内，套管底部由上支撑柱下面的仪表转接器托住。

在换料大修期间，利用IGA 结构，只需将IGA 吊起，固定在IGA 上的42 个堆内仪表组件将随IGA 向上提升：在提升过程中，起初仪表导管逐渐从上支撑柱中抽出，套管在支撑柱内保持不动。当IGA 提升约燃料组件长度的一半高度时，仪表导管完全从上支撑柱中抽出，而套管还在上支撑柱中；在IGA 提升剩余一半高度的燃料组件长度时，套管在仪表导管的带动下也从上支撑柱中逐渐抽出。

4 AP1000探测器组件操作分析

4.1 停堆换料时的相关操作

AP1000 在换料大修期间无需将探测器组件逐个拔出，只需拆除电缆接头与探测器的连接即可，探测器组件始终固定在Quickloc 棒束上，将会随IGA 移至存放台架上。相关操作完成以下操作：

◇ 拆除电缆接头与探测器的连接，为所有IITA 顶端都安装上保护罩。

◇ 拆卸Quickloc 快速连接装置，为Quickloc 棒束装上护罩。

◇ 拆除主螺栓，移走一体化顶盖，同时换料水池充水。

◇ 当换料水池充满水后，利用堆内构件专用吊具将仪表格架组件提升，IITA 也随IGA 向上提升，原来插入在燃料组件仪表导向管中的IITA 部分逐渐抽出。

◇ 当IITA 完全从燃料组件仪表导向管抽出时，将IGA 相对于上部堆内构件固定，然后随上部堆内构件一起从压力容器内移至存放台架上。

◇ 堆芯换料完成后，回装操作与上述过程相反。

得益于IGA 和Quickloc 快速连接装置的设计，AP1000在整个操作过程中无需对探测器进行拔插操作，只需移动IGA 即可完成探测器组件在堆芯的插入和拔出，能够实现快速拆除和回装，大大简化了操作过程，缩短了操作时间，同时也大大减少了人员剂量。

4.2 探测器组件安装

AP1000 探测器组件的安装在上部堆内构件放置在存放台架时进行，安装时只需使用专用工具将探测器组件插入至Quickloc 棒束的指定位置，随后探测器组件跟堆内构件一起安装至堆芯指定位置。

AP1000 中探测器的安装在存放台架上进行，安装探测器时需要降低换料池液位，存在人员剂量问题，且由于换料水池水位下降，不足以对放射性燃料组件起到足够的屏蔽作用，必须停止换料操作，因此同样会占用大修主线时间。

4.3 探测器的更换

AP1000 大修期间，在上部堆内构件未吊离压力容器时对失效探测器组件进行拆除。换料水池充满水后，在装卸料机上使用长柄工具，在水下遥控移除需更换探测器组件处的Quickloc 护罩，然后遥控移除失效的探测器组件。失效的探测器组件在水下被切断，并放入处置容器内，再将容器从换料水池中取出，放置在乏燃料池中。

5 AP1000 IIS系统维护策略分析

5.1 日常维护

IIS 系统在运行期间，由于探测器组件一直安装在堆芯，就地对探测器组件进行直接检查是不可行的。因此，需要通过软件及机柜运行模件对探测器组件进行定期检查。

AP1000 IIS 系统可对每个SPD 的运行状态进行在线诊断，若系统判断SPD 运行异常，需对该通道进行逐步检查以确认故障所在。在确认SPD 不满足运行要求后，为避免故障SPD 对堆芯物理参数的影响，需要在 IIS 系统应用服务器中对SPD 信号进行屏蔽，使其不参与堆芯物理参数计算。

5.2 常见故障及维护策略分析

探测器组件报废主要有3 种情况：

1）探测器绝缘电阻降低。

2）探测器组件顶端与自带电缆连接的接头损坏。

3）SPD 故障失效。

探测器绝缘电阻降低大多是由于接头故障造成的，所以注意对探测器接头的保护能有效降低上述故障1）和故障2）的发生。因此，在机组运行和维护中应注意以下方面：

◇ 在换料过程中，当换料水池充满水后，探测器组件将完全淹没于水下，因此拆除探测器电缆接头必须为探测器电缆接头安装水密封保护罩，以免导致接头绝缘下降。

◇ 拆除与探测器的连接后，应为电缆接头安装保护罩，以免造成接头内插针弯曲或损坏，或异物进入接头。

◇ 探测器及电缆接头易出现因受潮导致绝缘电阻下降的情况，如果是接头受潮，可用吹风机进行烘烤，烘烤后其绝缘性能应能明显上升。

对于故障3），SPD 故障失效，AP1000 对SPD 故障失效要求如下[3]：

◇ 每个换料周期进行首次堆芯功率分布测量时探测器组件故障率不超过25%，每个堆芯象限内至少有15 个SPD 可用，同时每个堆芯象限上部和下部至少各有6 个SPD 可用。

◇ 完成首次堆芯功率分布测量之后，在本换料周期内，探测器组件故障率不超过60%；每个堆芯象限内至少有15 个SPD 可用，同时每个堆芯象限上部和下部至少各有6 个SPD 可用。

若探测器组件故障率超出以上运行限制，则需停堆更换探测器组件；若在以上运行限制内个别SPD 故障失效，只需对该SPD 信号进行屏蔽，在换料大修时对所有存在SPD 故障失效的探测器组件进行更换。

由于AP1000 IIS 信号并不参与反应堆保护，因而在保证系统安全可靠运行的前提下，投运后可根据实际运行情况制定探测器更换策略。

5.3 探测器组件安装策略分析

AP1000 中新探测器组件的安装是在上部堆内构件处于存放台架上的时候进行的。此时换料水池充满水，Quickloc棒束顶部距离水面非常近。采用人工安装探测器组件时，必须把换料水池水位下降至一定程度，让Quickloc 棒束露出水面一定高度，以便于操作人员靠近Quickloc 将新的探测器组件插入仪表格架组件导向通道中。由于换料水池水位下降，对仪表格架组件的屏蔽作用降低，探测器组件安装操作的辐射剂量将较高。同时，在新IITA 的安装过程，由于换料水池水面下降，不足以对放射性燃料组件起到足够的屏蔽作用，必须停止换料操作，因而会占用大修主线时间。故需采用模拟体对探测器组件的安装操作进行培训。

6 结束语

AP1000 IIS 系统采用固定式的测量方式，在机组运行期间对堆芯功率进行实时监测。本文从AP1000 IIS 系统的原理和结构出发，对AP1000 IIS 系统的特点进行了分析，提出了AP1000 IIS 的维护策略，对系统日后的运行和维护工作有一定指导意义。