核电厂动态刻棒技术分析

徐逸凡 杨 堃

（海南核电有限公司，海南 昌江 572732）

0 引言

在当前核电厂物理试验的过程中会受多种因素的影响，利用传统方法测量控制棒价值需要不断调整硼浓度，移动控制棒，耗时耗力，人因风险较大。技术人员在使用动态刻棒技术后，能够节约大修启动物理试验的时间，减少运行人员与技术人员的工作负担，还可以减少核电厂产生的一回路废水，提升电厂的经济效益，降低核安全风险。

1 核电动态刻棒技术

一般来讲，核电动态刻棒法在使用过程中依托点堆动力学方程，通过堆芯内中子注量率随时间的变化情况反推该过程中反应性价值的变化情况。对传统控制棒的测量方式来说，如果堆芯中子的注量率发生快速变化，那么其生成的测量结果也会出现较大改变，难以在一定时间内顺利完成控制棒的测量工作。为解决这个问题，在使用动态刻棒技术的过程中，要适时引入动态修正因子与静态修正因子，并在堆芯中子注量率快速变化的过程中修正与空间效应相关的理论，从而快速开展控制棒整体的价值测量工作。为了更好地使用修正因子，相关人员可利用适宜的核设计软件将静态修正因子（SSF）设计为棒位函数，这一类函数可展示稳态下探测器响应与堆芯中子内部注量率分布形态间的关系。而利用动态修正因子（DSF）来寻找表征下的逆动态求解方程与静态棒价值间的关系。对动态刻棒技术来说，在开展与该技术相关的试验时，技术人员可适时修正反应堆内部临界状态中堆外探测器的电流信号，利用静态修正因子来完成相关电流信号的再修正工作，在完成修正后，借助该电流信号值获取逆动态方程，从而得到对应的反应值，再使用动态修正因子完成反应值的修正工作，进而有效获取该控制棒的实际价值。与传统方法测量控制棒价值的方法相比，动态刻棒法无须改变硼浓度，全程只使用控制棒，可以缩短试验时间，降低人因失误风险。目前，动态刻棒法已经通过国家核安全局的安全审批，已有多个压水堆核电厂使用动态刻棒法替代传统方法来测量控制棒价值，实际效果较好[1]。

2 中间量程与功率量程的比对

无论使用哪一种方法执行控制棒价值的测量工作，专业技术人员都需要先将堆内中子注量率测量信号接入反应性仪，以获取相关数据对试验结果进行处理。以某核电厂为例，正常情况下是通过布置在反应堆堆外的核功率测量仪表来测量中子注量率，下面将对核功率测量仪表进行介绍。

2.1 核电厂核功率测量仪表

核电厂内部的核功率测量仪表用于显示堆芯功率水平与反应堆功率值的分布变化情况，这一类仪表输出参数可以充分发挥反应堆保护、控制棒动作、堆芯监督以及功率分布监督等作用。具体来说，核功率测量仪表的安全功能是在堆芯中子注量率高和中子注量率快变化时触发反应堆停堆以及停堆前通过信号闭锁自动和手动提升控制棒（反应堆启动时除外）。除此之外，核功率测量仪表探测到的堆芯轴向功率偏差信号也可以借助控制棒、超功率与超功率△T 反应堆停堆来控制闭锁整定值。

在实际工作中，核电厂核功率测量仪表内部含有4 个大小相似的功率量程通道、2 个中间量程通道以及2 个源量程通道，而每个功率量程都带有6 节类型相似的探测器。其中，源量程通道探测器为硼衬基正比计数管，中间量程通道探测器为硼衬基γ 射线补偿电离室，功率量程通道探测器为硼衬基非补偿电离室。这3 种探测器的灵敏度与应用环境各不相同，适合探测的堆芯中子注量率水平也各有所长。通常来说，源量程通道探测器适合探测堆芯中子注量率极低的情况（堆芯临界前）；功率量程通道探测器则适合探测堆芯中子注量率极高的情况（机组带功率运行期间）；而中间量程通道探测器则适合探测堆芯从临界过渡到低功率运行期间的中子注量率水平。因此，在正式使用核功率测量仪表输出信号前，相关人员须适时明确各类量程通道设计的灵敏度与测量范围，只有保证数值精准才能确认不同类型量程的适用对象。核功率探测器仪表性能的具体数值与保护定值设定见表1～表2。

在了解与掌握功率量程、中间量程与源量程的相关性能指标后，技术人员可根据该指标进行专业性分析。例如，由表2 中的数据可知，源量程探测器可将其停堆保护整定值设为RT1，中间量程探测器的控制棒提棒闭锁的整定值设为C1，紧急停堆整定值设为RT2，功率量程探测器中子注量率低停堆整定值的数值设为RT3，中子注量率高停堆整定值的数值设为RT4，控制棒提棒闭锁的整定值设为C2。源量程探测器通常只在堆芯装载、反应堆启动及停堆期间使用，对中子注量率的测量范围比其他的探测器要小很多，灵敏度也低很多。而且根据电厂的安全限值，堆芯临界后不久就需要手动闭锁源量程探测器，以防止机组停堆。在实际开展动态刻棒试验的过程中，堆芯中子注量率较高，超过源量程停堆保护定值，因此，无法使用源量程通道探测器输出信号进行试验数据处理。技术人员仅能根据中间量程或功率量程的相关电流信号完成试验工作。由表1 可以看出，二者灵敏度与测量范围大致一样，均在同一水平内。

表1 某核电核功率测量仪表的灵敏度与测量范围表

表2 某核电零功率试验期间核功率测量仪表的保护定值设置

2.2 中间量程与功率量程的比对

由表1 可知，中间量程与功率量程2 种探测器的灵敏度与测量范围大致一样，从理论上来说，2 种探测器都可以用于提供输出信号执行动态刻棒试验。但在具体操作中，由于反应堆内存在中子源与活化产物，因此会发射多余的中子辐射信号，它们使反应堆内存在本底测量电流。为了更加精确地测量控制棒价值，需要消除本底电流对输出信号的影响。根据技术人员实际验证，从仪表实际显示数值来看，中间量程显示的电流数值更大，通常比功率量程大1 个数量级。从理论上来说，在同一状态下执行试验，使用中间量程输出电流进行数据处理所受的本底电流影响会更小，试验结果精确度更高。但是经过技术人员对比分析后发现，还存在以下2个问题：1） 中间量程与功率量程输出信号存在差别。试验用反应性仪需要接入电流信号，以获得试验期间的堆芯中子注量率变化情况。功率量程为硼衬基非补偿电离室，直接输出脉冲电流信号，因此可以直接接入反应性仪。中间量程为硼衬基γ 补偿电离室，输出的信号需要经过信号消除转换再放大处理，转化为显示电流输入反应性仪。因此，当实际读取数据时，中间量程输出信号间隔数十秒后会出现重复的电流信号，形成“毛刺”，这就是由于中间量程的信号转换放大处理存在延迟，因此累积较多的延迟时间后，输出信号出现重复。如果要使用中间量程输出信号进行数据处理，需要手动识别去除信号“毛刺”部分的坏点，数据处理较为复杂，也容易出错。2） 核电厂中间量程与功率量程测量仪表均具备停堆保护功能，确保反应堆内中子注量率快速提升至某一定值时能够触发停堆保护信号，避免堆芯功率不可控地提升（直至融毁）。按照某核电的停堆信号的设置逻辑，功率量程为4 个测量通道，停堆逻辑为4 取2，即四者之间任意2 个通道达到保护定值即触发停堆信号；中间量程为2 个测量通道，停堆逻辑为2 取1，即二者之间任意1 个通道达到保护定值即触发停堆信号。然而执行动态刻棒试验期间，需要将中间量程或功率量程某一通道信号接入反应性仪，这势必会导致该测量通道不可用。1 个通道接入反应性仪后，功率量程停堆逻辑将变为3 取2，中间量程停堆逻辑将变为1取1。显然，假设接入的是中间量程的1 个通道，那么剩余通道一旦发生故障或信号波动，将立即触发停堆保护信号。从电厂的安全冗余性来看，接入中间量程某一通道进行试验的风险明显更大[2]。

综上所述，技术人员经过综合考虑，某核电最终选择使用接入功率量程某一通道输出信号执行动态刻棒试验。

3 动态刻棒技术在某核电厂的试验过程

为强化核电厂内动态刻棒技术的应用效果，研究人员需要开展动态刻棒技术的应用试验，将该技术融合到核电厂的内部反应中，适时观察该技术具体的应用过程。例如，在实行动态刻棒试验期间，试验人员需要合理控制其运行状态，使该状态的运行特征与其初始状态相符，从试验过程上对核电运行的质量进行控制，在开展试验的过程中还要注意多个安全事项，保障动态刻棒技术的应用安全。

3.1 动态刻棒试验执行过程

初始状态：通过插入某一控制棒组引入约60 pcm 的负反应性，即通过脉冲抽样编码的负反应性来调节硼浓度，使堆芯处于临界状态。

首先，将该插入棒组一次性提升至堆顶，通过引入的约60 pcm 的正反应性使堆芯中子注量率逐渐提升至多普勒核发热点。其次，待中子注量率提升至多普勒核发热点附近后，立即将某一控制棒组全部下插，等待中子注量率降至最低，在这期间测量控制棒插入过程功率量程探测器输出信号变化情况与堆芯本底电流。再次，本底电流测量完毕后，将已插入的控制棒组分段提升至堆顶，继续使中子注量率逐渐提升至多普勒核发热点附近，随即切换成另一组控制棒并将其全部下插，测量控制棒插入过程中功率量程探测器输出信号的变化情况。最后，重复上述步骤，直至所有棒组均测量完毕，试验结束，处理试验数据，将堆芯恢复至初始状态。

3.2 试验注意事项

试验过程中的注意事项如下：1） 在进行动态刻棒试验前，物理试验人员需要先将反应性仪的时间与电厂信号处理服务器的时间标定同步，以便后续记录时间信息，保证功率量程探测器的输出电流信号随时间同步输入至试验反应性仪中。2） 初始控制棒组插入堆芯引入的负反应性不可过大，否则后续一次性全部提出时有可能触发中子注量率倍增时间小于设定值的报警信号，该信号将导致控制棒提升闭锁，影响试验的正常执行。3） 测量本底电流期间，堆芯中子注量率会降低。中子注量率低于某一定值时，控制系统将自动解除源量程测量通道的闭锁信号，重新投用源量程测量通道。通过3.1 节的试验过程可知，本底电流测量结束后需要分段将控制棒提升至堆顶。当提升控制棒时，会引入较大的正反应性，使堆内中子注量率逐渐快速增加，因此，必须密切注意引入的正反应性速率与源量程计数率的变化情况。当源量程停堆中子计数率高报警（P6）触发时，立即闭锁源量程测量通道，防止触发源量程中子计数率高于停堆整定值，从而导致机组停堆[3]。

3.3 试验结论

根据能源局于2013 年发布的行业推荐标准《压水堆核电厂重新装料后的物理启动试验》（NB/T 20240—2013）可知，推荐的测量控制棒价值的试验验收准则见表3。

表3 NB/T 20240—2013 推荐的控制棒价值测量验收准则

根据某电厂的《物理试验监督要求》可知，对控制棒价值测量的验收标准见表4。

表4 某电厂《物理试验监督要求》内的控制棒价值测量验收准则

结合行业推荐标准与该电厂《物理试验监督要求》内的规定，最终该电厂将控制棒价值测量的试验验收准则定为测量值与设计值相对偏差小于10%。某核电使用功率量程通道电流信号，在当前大修项目205 及106 中正式使用动态刻棒法执行试验。试验数据处理结果见表5，试验结果满足验收准则。

4 动态刻棒技术与传统方法的比较

某核电厂之前一直使用调硼法测量控制棒价值。调硼法测量控制棒价值是通过连续稀释或硼化改变反应堆冷却剂的硼浓度，再根据硼浓度改变所引起的反应性变化，通过插入或提升某一控制棒组进行补偿，直至该控制棒组完全插入或提升至堆芯底部或顶部。对试验期间发生的反应性状态改变进行修正补偿，求出控制棒组整个移动过程中的反应性变化量之和，即为该控制棒组的价值。该方法经过了国内外多家压水堆核电厂的大量实际验证，原理简明，技术成熟，方法可靠。但是在多年的实际应用过程中，技术人员发现调硼法也存在不少缺点。根据技术人员反馈，该试验持续时间极长，通常需要约12 h；试验期间硼浓度调节会产生大量废水，增加了核电厂放射性废液的处理量，影响电厂环境保护与经济成本；并且试验需要连续开展长时间的反应性操作，容易出现人因失误，存在较大的安全风险。鉴于以上情况，经过调研，某核电厂决定引进动态刻棒法以替代传统的调硼法来测量控制棒价值。

某核电厂205 及106 大修使用动态刻棒技术后，技术人员对二者进行对比分析，结果见表6。由表6 可以看出，动态刻棒技术在时间、经济与安全各方面均明显优于调硼法，在行业内有较大的推广应用前景。

表6 动态刻棒法与调硼法的对比分析

通过比较调硼法与动态刻棒技术可知，在使用传统技术的过程中，相关人员将耗费更多的时间，处理成本较高且带有极大的安全风险，其原因在于该技术的应用过程较机械，操纵人员要长时间在试验现场开展核电反应试验；而在使用新型动态刻棒技术后，此前的操作劣势将得到适时缩减，例如试验时间由12 h 缩短到3 h。从经济角度来看，由于各项设备的机械化程度较高，多项环节的成本会得到及时控制，且在试验时间较短、机械化操作的影响下，可以降低操作人员的执行风险。因此，在当前的核电厂内，动态刻棒技术已得到广泛应用。

5 结语

综上所述，在开展核电动态刻棒试验的过程中，技术人员需要深入探讨中间量程、功率量程输出信号的形成原理，对二者信号输入对试验数据处理的影响以及机组安全状态进行系统性判断，在保证机组安全的前提下选择合适的信号输入执行动态刻棒试验，提升该技术的试验效果。与传统方法相比，动态刻棒技术可以明显地提高核电厂运行发展的稳定性，在行业内有较大的推广前景。