自给能探测器绝缘性能的测量在田湾核电站的应用

孙勇 刘哲 徐东 沈鼎

摘 要

田湾核电站所采用的VVER机组是俄罗斯准三代核电技术，其中子通量监测是由銠自给能探测器进行的，该探测器参与反应堆保护，因此其绝缘性能关系到核电站的安全稳定运行。因此仪控人员需对该探测器的绝缘性能及时进行测量，密切关注该探测器的正常与否。本文通过介绍其测量方法在田湾核电站的应用，给相关的工作人员提供参考，同时对其他同类型机组及探测器研发单位提供良好的借鉴意义。

关键词

自给能探测器;中子温度测量通道;VVER机组;田湾核电站

中图分类号： TM623                      文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.049

0 概述

对于任何一座核电机组而言，反应堆中子通量的监测是核电厂关注的重点，而在田湾核电站，反应堆内中子通量的监测是由自给能探测器负责的，该探测器的性能，将直接影响中子通量监测的准确与否，尤其对于正在运行的核电站而言，是事关电站稳定运行的关键。因此，本文就如何对自给能探测器的绝缘性能进行测量进行阐述，并介绍其测量方法在田湾核电站的应用。

1 自给能探测器介绍

自给能探测器原理如图所示，主要是由发射体、绝缘体以及收集体组成，其中，发射体是由一种合适的中子灵敏材料所构成的部件（60Co、195Pt、180HfO2、103Rh、51V、107Ag、109Ag），其产生电流的主要原理是中子与此材料发生核反应产生γ光子并产生同位素，γ光子与材料发生康普顿效应或光电效应产生电子形成电流，同时如果生成的同位素不稳定，则该同位素也可能发生β衰变产生电子形成电流;绝缘体由耐高温、耐辐照以及具有良好电绝缘性质的材料（如Al2O3、BeO或者MgO），它既要保证发射体与收集体之间有一定的绝缘性，又要保证从发射体发射出的大部分电子能够到达收集体，收集体的作用是收集由发射体发射出来的电子，材料必须是耐腐蚀、耐辐照的，而且在高温下形变要小（不锈钢），以保证探测器具有稳定的机械结构。

田湾核电站采用的是铑自给能探测器，集成在田湾核电站堆内核测系统的中子温度测量通道中，一根中子温度测量通道含有7个自给能探测器，其原理主要是用铑俘获中子所放出的高能电子流进行测量，从而算出反应堆的中子通量，其原理如图2所示。

根据此原理，生产出的铑自给能探测器结构如图所示，其电流有本底电流与信号电流组成，该电流正比于中子通量，通过测量其电流，再通过软件计算，即可得出中子通量密度。

2 自给能探测器绝缘性能的测量

根据自给能探测器运行手册中的描述，自给能探测器的电流测量原理可用以下电路图表示：

I0——测量电

Is——信号线电流

Ib——本底线电流

Icl——通信线电流

R1——信号线绝缘电阻

R2——本底线绝缘电阻

R1-2——线芯间电阻

r1≈r2≈r——各线芯的连续性电阻

I1、I2、I1-2——漏电流

根据此电路图，测量电流与绝缘性能之间的关系可以用以下公式来表示：

I0=Is（1+r/R1+2r/R1-2）-Ib（1+r/R2+2r/R1-2）

由于R1≈R2≈R1-2>>r，所以该公式就近似表示为：

I0=Is-Ib

即测量电流为信号线电流减去本底线电流。

然而在实际运用的过程中，绝缘电阻R1和R2如果发生偏小的情况，则测量的结果就无法用近似公式表示了，从最初的公式以及电路图可以看出，如果信号线和本底线的绝缘电阻R1 和R2有一个过小，会引起漏电流的增大，进而使得信号线电流Is或本底线电流Ib不准确，影响到自给能探测器信号的测量，所以在现场的实际使用中，工作人员需时刻关注自给能探测器的绝缘性能，一般来说需要关注的主要参数有4个：信号线电流、本底线电流、信号线绝缘电阻、本底线绝缘电阻。其绝缘性能测量主要围绕这四个参数进行。信号线电流以及本底线电流可以在正常运行阶段测量得出，信号线及本底线的绝缘电阻可由高阻表以不超过110V的电压测量得出。

然而在田湾核电站的实际运用中，其绝缘性能的测量却并不是那么简单，由于自给能探测器是集成在中子温度测量通道中的，为保证设备的完整性，其测量只能通过中子温度测量通道的插孔处进行测量，在运行期间，中子温度测量通道的安装位置在反应堆压力顶盖下，且电缆已连接，无法直接进行测量，则需通过软件测量的方式进行，所以在不同的阶段，采用的测量方式是不同的，根据田湾核电站的实际运行经验，自给能探测器的绝缘性能测量主要在以下几个阶段进行：

3.1 入厂检查及定期检查中对自给能探测器绝缘性能的测量

按照要求，新采购的中子温度测量通道需在接收后一个月以内进行检查，库存的备件需要在每年检查一次，在此期间需进行自给能探测器的绝缘性能检查，其外观如图所示：

图中所示是配合长周期换料所更换的新型中子温度测量通道，可以看出，其接头部分（左为电缆接头，右为中子温度测量通道接头）较小，直径仅为23.8mm，其中的14个插孔为信号线和本底线插孔，如果用高阻表直接进行测量，难度较大，因此在田湾核电站的实际运用中，是采用专用插线板与中子温度测量通道连接，再用高阻表进行测量，根据技术规格书要求，需在温度15～35℃，相对湿度不大于80%，超过30℃时，湿度不得超过70%的场所中开展，且中子温度测量通道已在检查场所放置逾24小时以上，在此情况下进行测量，信号线和本底线的绝缘电阻应不小于1GΩ，如果出现不符合测量标准的情况，则需进行调换或者报废，不能在现场进行使用。

此方法也适用于机组大修或小修期间对应时间窗口中测量疑似故障的自给能探测器，以确定其故障与否，便于后续对其更换维修等操作。

3.2 正常运行期间的绝缘性能测量

在正常运行期间，探测器已置于反应堆中进行测量，通过高阻表进行测量的方式无法实现，因此在田湾核电站的实际运用中，是采用软件测量的方式进行测量的，且集成有自给能探测器的中子温度测量通道被分为4组保护通道，每一组皆参与到反应堆保护系统的4取2保护逻辑中，由于进行测量时是需要对自给能探测器施加不超过110V的电压进行测量的，所以此项测量必须在退出单保护通道的情况下进行，每次只能进行一组保护通道的测量工作，否则会影响机组的安全稳定运行。

田湾核电站堆内核测系统对自给能探测器进行测量的软件界面如下图所示：

该界面被分为四行，每一行代表一组保护通道，进行测量时，每次只能进行一组保护通道，通过“Prot mode”来进行该通道保护状态的退出保护和投入保护状态的控制，在该通道退出保护后，方可进行绝缘性能测量，其测量过程分为四个步骤：信号线绝缘电阻测量、本底线绝缘电阻测量、本底线电流测量、置于信号测量模式。其中由于处在正常运行阶段，信号线和本底线的绝缘电阻应不小于1MΩ，本底线的电流应为负值，当置于信号测量模式时，各探测器电流应已处于正常測量状态，电流值应与测量前的数值无明显差异。根据技术规格书要求，虽然每个月需进行一次绝缘性能测量，但每个通道的测量过程不得超过3min，否则会对探测器性能造成不利影响。

值得注意的是，进行测量时由于是对其施加电压，因此自给能探测器的中子通量监测功能是无效的，在软件中被设置为了不参与反应堆计算，田湾核电站所有燃料组件的线功率密度均是由周围4根中子温度测量通道（不同保护通道）来进行加权平均计算的，所以如果有一根退出计算，其计算结果有可能受影响，此为在运行期间执行绝缘性能测量可能发生的情况，所以相关工作人员在进行工作时需密切关注机组状态，保障机组安全稳定运行。

3.3 故障情况下自给能探测器绝缘性能的测量

在正常运行期间，自给能探测器信号波动的情况时有发生，通常此类故障的排查按下图进行：

造成此类故障通常有三个原因：信号处理模件故障、机柜插头松动、自给能探测器本体绝缘性能下降。当排除前两种原因后，为了确定是否是自给能探测器本体绝缘性能下降，需进行绝缘性能测量。

其测量的方式也是采用高阻表施加不超过110V的电压的方式进行测量，但测量的位置并非中子温度测量通道的接头处，而是在下层保护机柜的机柜插头处进行测量，且根据技术规格书要求，在运行期间的自给能探测器绝缘电阻的标准不同于非运行期间，应不小于1MΩ即可。

那么，经过绝缘性能测量，如果自给能探测器确实存在故障，在正常运行期间是无法进行维修及更换的，目前田湾核电站采用的是在软件中进行计算屏蔽的方法，使故障自给能探测器不参与保护计算，在机组大修或小修时等待时间窗口进行维修更换处理。

4 总结

田湾核电站作为国内首家采用VVER机组运行的核电站，其堆内中子通量监测技术对于以后同类型以及其他类型机组有着良好的借鉴作用，同时对国内自给能探测器的研发有着极好的参考价值，本文通过介绍田湾核电站自给能探测器绝缘性能测量的实际运用，希望给予国内各核电站及探测器研发提供良好的帮助。