某研究性反应堆堆外核测量系统改造设计

王亚婷，张明葵，宋云鹏，吕 征，郭志家

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

某研究性反应堆是以中国原子能科学研究院101 研究堆为原型设计的重水反应堆，额定核功率为15MW[1]。反应堆在启动和运行过程中，必须对堆芯核功率进行连续不断地测量和监视，以保证反应堆的安全。监测手段一般分为堆内和堆外两种。堆内核测量系统由于受到堆内高辐射和探测器寿命限制，一般仅用于定期获得堆芯功率分布，无法做到连续监测。因此，只能借助堆外核测量系统对堆芯功率进行连续监测[2-3]。堆外核测量系统通过电离室探测器，连续测量反应堆堆芯外一定位置上，从30W ～30MW（200%额定功率状态）的中子注量率信息，提供用于反应堆的安全保护及自动功率调节的输入信号，向运行人员提供反应堆停堆、启堆和运行期间反应堆的核功率，保证反应堆的安全运行[4]。

图1 电离室布置及功能分配示意图Fig.1 Schematic diagram of ionization chamber layout and function distribution

图2 监测通道结构及信号流程图Fig.2 Diagram of monitoring channel structure and signal flow

1 系统设计

改造后的该研究性反应堆堆外核测量系统保持原设计探测器孔道的最大利用率，由14 个核探测器（中子电离室）及相应的测量装置组成，通过对反应堆中子注量率的连续监测，完成200%额定功率范围内（30W～30MW）中子注量率的测量，其功率水平所对应的中子注量率约为1.67×104～ 1.67×1010n·cm-2·s-1，6 个数量级。测量所得中子注量率监测信号将分别送往反应堆保护系统、棒控系统，完成对反应堆功率周期的保护、反应堆功率的调节以及功率显示功能。

1.1 中子电离室

根据原孔道大小及测量功率要求，堆外核测量系统所用探测器改造后采用了型号为THDD-90 的非补偿型中子电离室。电离室长280mm，直径50mm，电离室一体化电缆长5.5m，可放置在原孔道200mm 厚、1400mm 高的铅屏蔽孔道内，热中子灵敏度1.8×10-14A/（n·cm-2·s-1）±20%，电流测量范围1×10-10A ～ 3×10-4A，可充分满足6 个数量级中子注量率的测量范围要求。改造更换后的电离室安装在原孔道内，电离室数目不变，探测位置不变，监测通道不变，同时电离室的功能分配也不改变。

反应堆中子注量率水平随空间位置不同而改变，为了准确反映堆的核功率状况，14 个电离室（D1 ～ D14）分布于反应堆堆芯周围，围绕堆芯均匀对称分布，以便测量反应堆的平均核功率。核探测器的敏感段中心线与堆芯活性区中心线保持水平。电离室布置如图1 所示。

1.2 测量通道

测量通道由电离室及其监测装置组成。其中，监测装置采用数字化技术，包含高压电源、低压电源、调理单元及实现不同功能的处理单元等部件，用于完成反应堆中子注量率的测量、功率与周期保护触发信号的输出和功率指示等。

电离室将探测到的中子注量率信息转换为微弱的电流信号，送往调理单元，通过调理单元的主放大器对信号放大处理，后转换输出至处理单元。调理单元电流测量范围为1×10-10A ～ 3×10-4A，分六档输出，分别为3×10-9A、3×10-8A、3×10-7A、3×10-6A、3×10-5A、3×10-4A，并自动换量程。调理单元设置3×10-8A、3×10-6A、3×10-4A电流档供仪表自检。处理单元内置处理器，处理器对放大后的信号处理、计算、转换后以标准信号输出至其他系统，完成各项功能。同时，处理单元的所有信号以通讯形式送往位于主控室的监督控制计算机，完成信号的显示、存储。监测通道结构及信号流程如图2 所示。

处理单元的信号同时以通讯方式送往维护和试验设备（MTE），维护和试验设备通过操作单元完成高压设定、信号检验及测试。处理单元对外部系统可以进行开关量、模拟量和通讯模式输出信号。高压电源模块为电离室提供高压，低压电源模块为处理单元提供低压。

1.2.1 周期保护功能的实现

周期保护功能的实现，通过3 个电离室及其监测装置输出周期信号，对应送往保护系统的A、B、C 三通道，进行反应堆短周期保护。周期保护监测装置完成电离室信号的放大，完成核功率变化e 倍周期的计算，周期值将与设定的保护整定值比较，并通过继电器输出至保护系统对应通道，用于周期保护。每个通道的电离室信号经过周期保护监测装置隔离输出四路信号，送往保护系统做周期保护：

1）1 路开关量，反应堆周期保护停堆信号，用于安全符合逻辑。当反应堆周期低于10s 时，输出该停堆信号。

2）1 路开关量，反应堆周期报警信号。当反应堆周期低于20s 时，输出该报警信号。

3）1 路开关量，周期保护测量装置故障信号。当发生监测装置故障时，输出该信号。周期保护监测装置故障信号包括：调理单元故障、处理单元故障、高压电源故障、低压电源故障等。

4）1 路4mA ～20mA 电流信号，反应堆周期测量值信号，用于显示反应堆周期。

1.2.2 功率保护功能的实现

功率保护功能的实现，通过6 个电离室及其监测装置输出功率信号，对应送往传输至保护系统的A、B、C 通道。每个通道用于功率保护的信号由两个电离室提供。功率保护监测装置完成两个电离室信号求和、放大并完成信号处理，通过合理的量程转换算法，以保证量程转换期间，量程无扰切换，不造成信号延迟及跳变；同时监测装置将测量电流值与保护整定值比较，并通过继电器输出，至保护系统对应通道，用于功率保护。

每个通道的电离室信号，经过功率保护监测装置隔离输出四路信号，送往保护系统做功率保护：

1）1 路开关量，反应堆功率保护停堆信号，用于安全符合逻辑。当反应堆功率超过功率定值的115%时，输出该停堆信号。

2）1 路开关量，反应堆功率报警信号。当反应堆功率超过功率定值的110%时，输出该报警信号。

3）1 路开关量，功率保护测量装置故障信号。当发生监测装置故障时，输出该信号。功率保护监测装置故障信号包括：调理单元故障、处理单元故障、高压电源故障、低压电源故障等。

4）1 路4mA ～20mA 电流对数信号，反应堆功率测量值信号，用于显示反应堆功率。

1.2.3 功率调节功能的实现

功率调节功能的实现，通过4 个电离室及各自对应的监测装置，同时向棒控系统输出信号，用于完成反应堆额定功率范围内的功率自动调节和显示。两根调节棒的电离室信号选择由棒控系统完成。功率调节监测装置完成电离室信号的转换处理，将计算出的功率值以量程、量值形式送往棒控系统。每个通道的电离室信号，经过功率保护监测装置，隔离输出四路信号送往棒控系统：

1）1 路开关量信号，监测装置故障信号。当发生监测装置故障时，输出该信号。功率调节监测装置故障信号包括：调理单元故障、处理单元故障、高压电源故障、低压电源故障等。

2）1 路4mA ～20mA 电流信号，反应堆周期测量值信号，用于显示反应堆周期。

3）1 路4mA ～20mA 电流信号，反应堆功率量程信号。

4）1 路4mA ～20mA 电流信号，反应堆功率量值信号。

其中，通过量程信号和量值信号，可计算出反应堆当前功率。

1.2.4 功率显示功能的实现

功率显示功能的实现，通过1 个电离室及其监测装置输出功率信号完成。信号经过功率显示监测装置转换后，以通讯方式输出功率测量值信号、周期测量值信号、监测装置故障信号，送往数字功率显示屏，用于反应堆核功率的显示。同时，为了便于该信号的存储和记录等，该信号亦以通讯方式送往反应堆棒控系统进行存储。

表1 反应堆的运行方式及允许设定的功率定值范围Table 1 Mode of operation of the reactor and range of fixed value power

2 监督控制计算机

系统改造后，设计增加了监督控制计算机。计算机为工控机，配备键盘、显示器、独立显卡、一定数量的插槽、电气接口模件，放置在主控室控制台，主要完成功率定值设定、各通道信息显示功能。监督控制计算机接收来自核测量系统的所有信号，当接收来自棒控系统的调节棒手动位信号时，接收到该信号才能更改并设定功率定值。同时，监督控制计算机为保护系统、棒控系统输出功率定值信号，输出功率定值的同时，将运行的重水泵信息送往保护系统。监督控制计算机设置友好的界面，操纵员可通过菜单选择需要的显示与操作。

2.1 参数显示

显示核测量系统参数，用于相关数据的监督。监督控制计算机通过通讯方式与核测量系统的监测设备进行数据通讯，系统的所有数据均送入监督控制计算机显示并记录。监督控制计算机以数值、图形的形式显示每个通道的计算值。当检测（自检）到有故障发生或信号超过定值时，给出报警信息。参数显示界面将在系统组态过程中完成。

2.2 功率定值设定

监督控制计算机通过在界面上操作完成功率定值设定并显示定值，定值设定完成后，通过通讯方式将定值送往保护系统及棒控系统。

反应堆功率定值的设定与重水泵运行方式存在联锁关系。反应堆运行方式有A、B、C、D 四种，分别对应4 个重水泵运行方式，在不同运行模式下允许设定的功率定值不同，见表1。

图3 定值设定界面示意图Fig.3 Interface diagram of fixed value setting

核测量系统在监督控制计算机界面上完成反应堆运行模式的选择及对应的运行重水泵的选择，根据不同运行模式设定相应的反应堆功率定值。界面设置示意图如图3所示。

监督控制计算机关于定值的界面上，通过三栏分别显示了四种运行方式（A、B、C、D）及对应的重水泵运行方式及允许设定的功率范围，以按钮（灯）的形式显示了4台泵A、B、C、D，以可输入的文本框形式显示了功率定值的设定。

1）操作员根据重水泵的实际运行情况，选择反应堆的运行方式，按下对应的按钮（灯）。按下按钮（灯亮）后，该模式对应的一行突出显示（以颜色或立体效果）。四种运行方式只能选择一种，即一个按钮按下后其他按钮无效。此时，若操作有误或需更改运行模式，通过再次按下按钮来取消本次操作。操纵员应核实确认选择的按钮与重水泵实际运行情况相符。

2）运行方式选择结束后，操作第二栏即进行4 台重水泵的选择。第一栏的运行方式与重水泵存在联锁。若为A方式，则能且只能选择3 台泵；若为B 方式及C 方式，则能且只能选择两台泵，且A、B 泵不能同时选，C、D 泵不能同时选；若为D 方式，则不选择泵或者选择其中任意一台泵，进入第三栏功率定值设定。若泵的选择不正确，出现多选或少选或选错，则不能进入第三栏的定值设定。

3）重水泵选择正确后，进入第三栏的功率定值设定，对应的功率定值设定文本框进入可输入模式。操纵员需依次分A、B、C 通道分别输入功率定值，若输入的功率定值超出该方式下允许设定的功率定值范围，则功率定值设定不成功，计算机给出提示，操纵员需重新检查并更改，直至没有错误为止；若输入的功率定值未超出允许的功率定值范围，则功率定值设定成功，操纵员继续给其它通道设定功率定值。3 个通道功率定值均成功写入后，监督控制计算机对3 通道的功率定值进行确认（按下确认按钮），确认3 个功率定值是否一致。若一致，则完成定值设定；若不一致，则给出提示并返回修改定值。

若在反应堆运行过程中需要更改功率定值，三通道分别逐一进行更改。更改若为增加功率，则直接更改定值；若为降低功率定值，则需操纵员判断反应堆功率是否先降低，再修改功率定值，以免引起停堆。送往棒控系统的功率定值信号，需在手动功率调节模式下才能进行修改。

3 设备的改造布置

核测量系统的监测装置分布于4 个机柜放置，包括3个安全级机柜和1 个非安全级机柜。为满足单一故障准则，监测装置机柜采用功能隔离、电气隔离和实体分隔实现独立性。安全级设备与非安全级设备分布放置在不同房间。

为了给操纵员及厂房工作人员在堆运行期间提供反应堆核功率指示，核测量系统改造后在主控室设置一块LED数字功率显示屏，以实时显示反应堆全量程范围内的核功率水平，数字功率显示屏在主控台对面墙壁上悬挂安装；监督控制计算机设置在主控室控制台面上嵌入式安装，主机布置于控制台内。

4 可靠性要求

堆外核测量系统作为安全级系统，可靠性设计要求每个变量的系统安全故障率（误停堆率）不大于0.1 次/年，每个变量在要求保护动作时，系统因随机故障而不动作的概率（拒动率）不大于10-6。

5 结束语

某研究性反应堆作为重水研究堆，堆外核测量系统为反应堆提供各量程超功率保护和中子变化率保护，是反应堆关键系统之一，属于安全级设备，是直接关系到反应堆安全的重要系统，其基本原理与中国101 重水研究堆相似，该改造主要完成了核测量系统设计、可靠性要求和设备改造布置等内容，目前已完成各功率下的中子注量率监测和信号输入等现场调试工作，功能和性能均满足总体设计要求。