堆芯測量裝置

堆芯測量裝置是指由中子通量測量、溫度測量和反應堆壓力容器水位測量子系統組成的核電廠重要的核級儀控系統。

在秦山核電二期工程一號機組的調試和運行過程中，本系統完全滿足核電站的功能要求，從而表明其設計是先進的、成功的，達到了國際先進水平。

基本介紹

• 中文名：堆芯測量裝置
• 外文名：Core measuring device
• 學科：核反應堆
• 簡寫：HS
• 組成：中子通量、溫度和水位測量子系統
• 套用：秦山核電二期工程一號機組

簡介

堆芯測量裝置由中子通量測量、溫度測量和反應堆壓力容器水位測量子系統組成。溫度測量系統和水位測量系統是冗餘的，是PAMS系統的一部分，設備分為A系列和B系列，它們在電氣上和實體上均是隔離的。在設計基準事故下，安全殼內的系統設備能完成測量功能。所有設備均抗震。

中子通量測量用於在預定孔道中沿活性區高度測量中子通量，並將通量數據與從集中數據處理系統(KIT)接收到的電站其它數據相結合，由數據處理軟體確定測得的三維功率分布。正常工況下，溫度測量系統通過集中數據處理子系統(KIT)的處理、運算，給出堆芯熱電偶溫度的物理值，探測或校驗徑向功率偏移，或者探測與控制棒組脫離的控制棒束。事故工況下，溫度測量系統將進行連續的溫度測量。反應堆壓力容器水位測量的功能是當所有反應堆冷卻劑泵停止運行時，系統給出反應堆壓力容器的精確水位；當至少有一台反應堆冷卻劑泵運行時，指示水位趨勢。事故工況下，系統將進行連續的水位測量，以便在事故期間和事故後，讓運行人員了解反應堆壓力容器水位的變化趨勢。

堆芯測量裝置通過串列數據線路從集中數據處理系統(KIT)下載溫度、壓力、流量、棒位和堆外核儀表探測器電流等數據，以便與通量圖數據相結合進行離線數據處理，從而確定三維功率分布和堆外核儀表的校準係數。系統還能向KIT和控制室報警系統(KSA)提供實時的設備監測與故障信息。

系統組成與工作原理

中子通量測量

中子通量用微型移動式探測器測量。通過一個驅動和選擇系統，將探測器從反應堆壓力容器底部插入堆芯，驅動和選擇系統同時將4個通量探測器送入38根指套管中的4根。

反應堆正常運行期間，指套管固定在它們的導向管里，導向管焊接在壓力容器底封頭貫穿件上，並貫穿二次澆灌混凝土生物禁止構築物，延伸到堆芯儀表間裡的密封段。換料期間，指套管從給定的堆芯高度抽出到堆芯底部，以避免干擾燃料組件吊裝。

系統的電氣設備由機電控制系統、分配櫃和讀出控制櫃組成。

機電控制系統用於把中子通量探測器插入堆芯，它分為4個通道，每個通道連線1支探測器。每個通道由1個驅動單元、1個組選擇器、1個帶路組選擇器的路選擇器、10個電動隔離閥(第四通道為8個)組成。

分配櫃位於反應堆廠房環廊。它構成堆芯儀表間內機電設備與電氣廠房內讀出控制櫃之間的接口。分配櫃的主要功能是：

①為機電設備供電，並提供機電設備與電氣廠房內讀出控制櫃的接口；

②翻譯和處理讀出控制櫃的信號；

③採集來自機電設備(如驅動單元、自動隔離閥、選擇器等)的開關信號，並送往讀出控制櫃。

分配櫃由4套相同的裝置組成，每套裝置專用於1個儀表通道，並由位於讀出控制櫃內的1個通道控制器進行控制。

讀出控制櫃的主要功能是：

①通過人機接口觸發對機電控制系統的動作指令；

②完成對探測器電流信號的數據採集；

③從KIT系統接收溫度、壓力、流量、棒位和堆外核儀表探測器電流等數據，以便與通量圖數據相結合進行離線數據處理，從而確定三維功率分布和堆外核儀表的校準係數等信息；

④完成對各種信息的顯示。

溫度測量

燃料組件出口水溫測量選用的是1E級鎧裝鎳鉻-鎳鋁熱電偶，熱電偶有不鏽鋼包殼且用氧化鋁絕緣。為了冗餘，溫度測量分為A和B兩個系列，每個系列包括15支熱電偶。

熱電偶經壓力容器頂蓋管座貫穿到反應堆壓力容器內，並延伸到堆內構件的上堆芯板。在壓力容器內，熱電偶沿著導管按規定的路線走向，導管牢固地固定在上部堆內構件上。熱電偶的熱接點伸出導管約7~9mm。熱電偶補償導線由一對鎳鉻-鎳基導線組成。它們沿著電纜橋架上升到安裝在電纜橋上的連線板。從連線板開始，熱電偶補償導線沿著電纜橋架到達並通過電氣貫穿件，最後沿著安全殼外的電纜橋架到達堆芯冷卻監測櫃的輸入端子上。用於熱電偶冷端補償的3支RTD溫度計安裝在堆芯冷卻監測機櫃內，冷端溫度信號直接送給機櫃。

堆芯冷卻監測機櫃將熱電偶的電壓值轉換為物理值(℃)，並且自動完成冷端補償。機櫃同時將30個溫度值(15/系列)傳送到集中數據處理計算機。堆芯冷卻監測機櫃接收壓力信號(穩壓器和反應堆冷卻劑壓力)，並利用它們進行飽和溫度計算。在堆芯冷卻監測機櫃的顯示儀上可以得到所有輸入數據、輸出數據、整定值、中間計算結果和詳細的報警信息等。

此外，在安裝於控制室內的遠傳指示儀上連續地指示最低過冷裕度和最高堆芯溫度，每系列一個遠傳指示儀。

反應堆壓力容器水位測量

反應堆壓力容器水位採用差壓法測量，管線和變送器屬於RCP系統，測量管線上部與反應堆壓力容器排氣管相連，下部與中子通量測量的密封段相連，每個系列的水位測量分為寬、窄兩個量程。

反應堆壓力容器水位測量的數據處理由堆芯冷卻監測機櫃完成。堆芯冷卻監測機櫃接收差壓信號，並利用一次側壓力和一次側溫度計算出蒸汽密度和水的密度，進而計算出水位。在堆芯冷卻監測機櫃的顯示儀上可以得到所有輸入數據、輸出數據、整定值、中間計算結果和詳細的報警信息等。

此外，在安裝於控制室內的遠傳指示儀上以數字指示窄量程水位、以指針指示寬量程水位，每系列一個遠傳指示儀。

堆芯測量裝置國產化的特點

國產化的必要性

長期以來，我國百萬千瓦核電站的堆芯測量裝置供貨被國外供應商壟斷，其運營維護也高度依賴國外供應商。大亞灣、嶺澳、紅沿河所使用的設備是法國ArevaNP公司的設備，該供應商獨家壟斷CPR1000項目堆芯測量裝置的供應市場，採購過程中表現非常強勢。

若堆芯測量裝置不實現國產化，長期由國外廠家壟斷，將導致兩個比較嚴重的後果：一方面，由於競爭不充分，長期依賴進口，導致採購成本居高不下；另一方面，國外供應商交貨周期較長，溝通不便，契約配合遲滯，契約執行困難，交貨進度控制難度大，給整個工程建設進度帶來了非常不利的影響。

實現堆芯測量裝置自主化已成為工程建設及成本節約的必須，不僅符合發改委關於重大技術裝備國產化的發展戰略，更有利於掌控核電關鍵產業環節的資源，主要優勢體現在：

（1）降低採購成本以寧德3&4號機組為例，在保證質量和進度的前提下，新增的國產化設備與最近採購的紅沿河3&4號機組相應契約價相比，寧德3&4號機組價格降低8.45%節約了採購成本，經濟效益顯著。

（2）增強對供貨進度和設備質量的控制力通過國內分包、國內總包的方式，在國產化過程中發掘並培養了一批具備良好供貨能力的分包商。通過生產堆芯測量裝置的部件，可以逐步培養其製造能力及產品質量保證體系，逐步成熟，成為國產化的中堅力量，為系統的全國產化奠定基礎。

（3）強化服務質量和回響速度

設備國產化後，系統的現場服務將由國內企業承擔，不僅服務回響更加及時，而且服務費用會得到極大降低，能更全面的滿足工程建設需要。

（4）建立備品備件庫

產品自主化生產，能更好保障機組40年運行所需的備品備件。不僅涉及在建電廠的使用，同時還涉及在役核電廠系統維護、備品備件更換等業務，為國內電站提供價格合理、優質的備品備件服務，免去了對國外供貨備品備件價格逐年上漲的顧慮。

國產化的難點

1、供應商管理

由於堆芯測量裝置包含的設備種類多，涵蓋學科多，所採購和分包的產品種類繁多，大到有核安全級支架、管道、閥門，小到標準電器件、螺釘螺母，涉及的供應商數量較大，但由於核電項目的特點，採購量的限制，與供應商的合作關係就不單純是一個挑選過程。如何選擇評價供應商，與供應商建立戰略夥伴合作關係，並對供應商進行質量監督是國產化的難點之一。

2、集成測試

測試平台的建立包括基礎建設、測試專用工具及設備的開發、功能實驗測試方法的研究，也是產化難點之一。通過建立一體化管理體系，對供應商管理和集成測試過程進行了全面梳理，分別建立供應商管理控制程式、供應商質量管理體系要求、供應質量監督控制程式、集成自試驗控制程式等程式和細則，對後續工作的有序開展奠定了制度基礎。

套用情況

堆芯測量裝置在秦山核電二期工程一號機組的調試和成功投入運行，表明其功能完全滿足設計要求，具體表現在以下幾個方面：

(1)在反應堆啟動調試階段，進行了不同功率狀態下的功率分布測量試驗，以驗證堆芯核設計的準確性，確保反應堆的安全運行。試驗結果表明，堆芯中子通量測量系統的功率分布實測值與理論預計值符合得非常好，並向堆外核儀表提供了準確可靠的校準係數。

(2)在反應堆啟動調試階段，堆芯溫度測量的一致性很好，與 RCP平均溫度符合得非常好，滿足設計要求。

(3)在反應堆啟動調試階段，反應堆壓力容器水位測量與理論計算值基本一致，達到了設計要求。

(4)整個堆芯測量裝置與電廠其他系統之間的接口完全滿足設計要求，保證了各種數據安全、可靠地接收與傳送。