浅谈核仪表系统的安装

摘要：核仪表系统通过快速连续的监测平均中子通量密度和它的分布来测量核功率及其分布。文章以国内二代加核电站为例，介绍了核电站核仪表系统的组成和工作原理，阐述了核仪表系统的安装特点，并指出核仪表系统安装过程中需关注的事项。

关键词：核仪表系统；中子通量密度；核功率；核电站；工作原理；安装特点 文献标识码：A

中图分类号：TH81 文章编号：1009-2374（2016）29-0074-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.033

1 概述

核仪表系统用于连续监测反应堆功率水平和轴向功率分布，通过快速连续的监测平均中子通量密度和它的分布，来测量核功率及其分布，用作功率监视、控制、报警以及反应堆保护等，是与核安全相关的1E级重要系统。核仪表系统的安装是核岛仪控安装的重要内容，其安装质量将对日后的运行产生相当的影响。

2 核仪表系统的组成和工作原理

压水堆核电站在启动过程及其后的运行中，必须通过核仪表系统对反应堆的核功率进行连续不断的测量和监视。这一过程从反应堆启动到满功率运行，是不能间斷的，其核功率的动态变化范围达10个数量级以上，而一种探测器及其电子学测量处理通道要完成如此大范围的测量和监视，无疑是很困难的，因此通常采用三种不同量程的通道，即源量程通道、中间量程通道以及功率量程通道。

2.1 核仪表系统的组成

核仪表系统由定位装置、探测器、电子机柜、外围显示报警设备和连接电缆组成（见图1核仪表系统图）。

2.1.1 定位装置。定位装置是核仪表系统的机械组成部分，主要为探测器提供定位和容器，其安装分为前期安装和后期安装两个阶段。其中前期安装的定位装置（见图2）包含贯穿套管组件、支座和后导轨基础版；后期安装的定位装置（见图3）包含8套移动小车组件、前导轨组件和后导轨组件。

2.1.2 探测器。核仪表系统共有8个探测器：2个源量程探测器、2个中间量程探测器和4个功率量程探测器，并就位于反应堆压力容器外的8个仪表井的探测器容器。其中源量程探测器位于堆芯下部1/4线的高度上，大约是中子源组件棒所在的高度；中间量程探测器位于堆芯中线的高度上。每个功率量程探测器含有6个敏感段，其中3个位于堆芯上部，另外3个位于堆芯下部。在径向看，源量程和中间量程探测器分为2对，分别位于90°和270°方位上。4个功率量程探测器布置在4个象限上。

2.1.3 电子机柜。核仪表系统的电子机柜包含4台仪表保护柜（ⅠP、ⅡP、ⅢP、ⅣP）和1台公用控制监测机柜（ⅤC），用于接收来自8个仪表通道的信号，经过放大和处理以后输往显示设备和其他有关系统。4台仪表保护柜和1台公用控制监测机柜置于不同房间，以实现实体隔离。8个仪表通道与4台保护机柜中的对应关系见表1：

2.1.4 外围显示报警设备。显示设备位于主控室内和应急停堆盘上，见图1核仪表系统图，主要包含各种量程的显示仪表，记录仪表，视、听报警设备以及失水事故监测系统的显示设备，是操纵员赖以进行反应堆的监控和各项操作。

2.1.5 连接电缆。核仪表系统的连接电缆随设备成套供货，大致可分为两大类（见图5）：

第一，K1类同轴电缆。敷设于反应堆厂房内部，电缆外缠绕特殊材料但不耐磨，具有耐高温和耐辐照的特性，对电缆的弯曲半径、湿度以及对地绝缘要求很高。包含由探测器顶端连接至连接板的36根（其中源量程1根、中间量程3根、功率量程7根）探测器自带一体化有机绝缘铠装同轴电缆和由探测器连接板至电气贯穿件的42根电缆（源量程1根、中间量程3用1备、功率量程7用1备）。

第二，K3类同轴电缆。敷设于反应堆厂房外部，此类电缆为有机同轴电缆，用于电气贯穿件与机柜段的连接和信号传输。

2.2 系统测量原理

核仪表系统测量的中子通量最小为的1×10-1n/（cm2·s），最大为5×1010n/（cm2·s）。为了覆盖这11个数量级的测量范围，采用了3种量程的探测器，即：源量程探测器，测量中子通量的范围是1×10-1n/（cm2·s）～2×105n/（cm2·s）；中间量程探测器，测量中子通量的范围为2×102n/（cm2·s）～5×1010n/（cm2·s）；功率量程探测器，测量中子通量的范围为5×102n/（cm2·s）～5×1010n/（cm2·s）。3种探测器的量程有一定范围的重叠，这是为了保证反应堆从源水平的功率水平的整个范围内的控制和保护的连续性，读数互相校核，信号互相连锁。

2.2.1 源量程探测器——涂硼正比计数管（CPNB44）。源量程探测器采用涂硼正比计数管，其结构示意图见图6。中心阳极是直径为25μm的不锈钢丝，圆筒形阴极是由高纯铝制成的。阴极内表面涂以丰度为92%的B，两电极之间相互绝缘。计数管内充以氩气（Ar）和少量的二氧化碳（CO2）。

入射中子与硼发生核反应：

核反应产生的锂离子和α粒子使氩气电离，产生电子的正离子。在外电场的作用下，电子和正离子分别向阳极和阴极运动，形成电脉冲（称α脉冲）。γ射线也产生电脉冲，但其幅值较小，可用甄别放大器将它和反应堆内其他的射线产生的小幅度脉冲滤除，只放大α脉冲，从而得到只与中子通量成比例的计数。

2.2.2 中间量程探测器——γ补偿电离室（CC80）。中间量程探测器采用γ补偿电离室，其结构示意图见图7。γ补偿电离室是由两个电离室组成的，外环电离室的内壁涂硼，称涂硼电离室；内环电离室不涂硼，称补偿电离室。两电离室充有相同的气体：氮气和10%的氦气。

γ补偿电离室有3个电极：与高压正极相连的称正高压电极，与补偿电压的负极相连的称负高压电极，两电离室之间的极板通过负载电阻R接地，称收集电极。各电极之间是绝缘的。涂硼电离室对中子和γ均敏感，在高压作用下产生中子电流In和γ电流Iγ1，其原理与源量程探测器相同，不过当中子通量较高时，脉冲较多无法计数，只能监测电流。补偿电离室由于不涂硼，故仅对γ敏感，在补偿电压作用下只产生γ电流Iγ2。流经负载电阻上的电流I为涂硼电离室电流In+Iγ1与补偿电离室电流之Iγ2差：

I=In+Iγ1-Iγ2

调整负高压，以得到Iγ1=Iγ2，这样在中心极仅获得电流In。

2.2.3 功率量程探测器——长电离室（CBL26）。功率量程探测器有6个敏感段，即六段硼衬基非补偿长中子探测器，其结构示意图见图8。探测器安装在铝包壳的环绕物中，金属镉包住探测器后面灵敏区，提供120°扇形正对堆芯，环绕物其他部分填充聚乙烯。探测器在整体上是一个筒形容器，并在内部充以混合气体：1%氦+6%氮+93%氩。

功率量程探测器只计算堆芯直接发出的快中子，金属镉阻断热中子，对快中子的通过无影响，聚乙烯将快中子慢化为热中子。慢化后的热中子在电离室硼衬基上发生反应。同时在供给六段电离室的600V高压作用下，锂离子在气体中产生的离子对被电极收集，形成功率量程电流信号。

3 核仪表系统的安装特点

3.1 机械设备安装特点

机械设备的安装与土建和主设备安装交叉进行，其中前期安装的定位装置与反应堆厂房土建施工同步进行；后期安装的定位装置在压力容器就位前进行。

3.2 电子设备安装特点

为提高系统的可靠性，鉴于冗余性的考虑，设置了4条独立的保护通道。从探测器至连接板、电气贯穿件和电子机柜都采取了相互隔离的冗余布置，以防共模故障引起系统失效。其中4台保护机柜分别属于4个保护组，就位于4个相邻的房间，各房间之间均有防火门，以构成4个独立的防火区。4个贯穿件分别专属于4个保护通道，探测器和连接板分别安装于压力容器四周的仪表井内，亦形成独立通道。

3.3 电缆敷设特点

核仪表系统从探测器至电气贯穿件、电子机柜的4个保护组的电缆均分别敷设于该系统的专用的电缆托盘内并相互隔离。

对于敷设于反应堆厂房内部的K1类同轴电缆，在敷设路径方面考虑了远离大功率电气动力设备以及其他系统的中、低压动力电缆，以减少对系统测量信号的干扰。

对于敷设于反应堆厂房外部的K3类同轴电缆，为防止火灾共模故障，对4个保护组的电缆盘附加防火保护，同时通过各自专用的电气贯穿件进入到反应堆厂房。

3.4 电缆端接特点

对于敷设于反应堆厂房内部的K1类同轴电缆，在出厂时已完成一体化电缆头的制作，现场端接时直接与电气贯穿件和电缆连接板处接头对接紧固，必须达到设计要求的力矩值。由于堆内环境湿度大，为防止潮气入侵，一体化电缆头在紧固前需加装事故后铅密封垫片。

对于敷设于反应堆厂房外部的K3类同轴电缆，需要在外商人员指导下现场制作HN电缆头，由于该系统对地绝缘要求高，同轴电缆HN接头焊接安装后，绝缘阻值要求能达到1011Ω以上。

3.5 系统单点接地特点

用于连接探测器至电气贯穿件和电子机柜的测量电缆，屏蔽层在电气上均连成通路，最终在电子机柜侧的专用电子接地绝缘接线柱上接地，并由此处用绝缘铜缆连接至全厂专用的电子接地回路，形成单点接地。

4 核仪表系统安装关注事项

核仪表系统的安装与其他专业接口较多，而且时间跨度较长，因此在安装过程中需合理规划，把握重点。

4.1 做好前期土建和机械施工控制，明确对接口专业的要求

由于探测器自带一体化电缆要求能在仪表井内移动，为保护电缆，对仪表井左右侧壁要求要光滑。因此需在前期对土建设计、施工提出明确要求，确保土建施工后，仪表井内表面粗糙度满足要求，否则将给后续的安装工作带来困难。另外，对于推拉装置的定位要精准，确保误差在允许范围内；要重点关注活动套筒上喇叭口的焊接质量，要求焊缝平滑，不可凸出，否则在源量程/中间量程探测器吊入或吊出时，将对探测器周边的绝缘瓷块产生冲击和碰撞，破坏探测器的绝缘。

4.2 统一思想，保证系统整体绝缘，把好每一关

鉴于核仪表对绝缘值要求在核电站所有电仪安装中是最高的，因此保证绝缘始终是核仪表安装中最关键的问题。当供应商首先保证了设备、材料出厂的绝缘值后，到达现场还有存储、施工、安装环境等因素会再次影响到绝缘。从探测器到电气贯穿件、电子机柜以及连接它们的电缆及其接头，任何一个环节的绝缘破坏都将导致整体绝缘不合格。因此在核仪表安装中，要从保证系统整体绝缘的思想来把好每一关，保证整条通路绝缘达到设计要求。

4.2.1 要定期检查探测器和同轴电缆的绝缘，确保存储环境满足要求。国内二代加核电的探测器和同轴电缆一般到货都比较早，甚至在安装前一年多就入库，因此要重视仓库的存储条件，定期检查探测器和同轴电缆的绝缘，避免绝缘问题到安装时才暴露。

4.2.2 检查现场条件，合理安排K1类同轴电缆的敷设时间，满足敷设要求。同轴电缆对湿度以及系统对地绝缘要求很高，在敷设前要检查托盘的清洁度和周围环境的潮湿度，对托盘的转角处加装保护装置，确保电缆敷设弯曲半径满足要求，避免电缆外层损伤。同时由于该类电缆出厂时已完成一体化电缆头的预制连接，现场不可拆卸更换，且该电缆的加工周期长达1年。电缆敷设后做好电缆头的密封保护，不能长期暴露在湿度较高的环境中，否则将在很短的时间内破坏绝缘。因此需合理安排现场敷设时间，通常是在一回路冷试后。

4.2.3 重视同轴电缆的HN接头制作工艺，确保绝缘合格和接头接触良好。对于敷設于反应堆厂房外部的K3类同轴电缆，需在外商人员指导下现场制作HN电缆头，要严格按照设计拟定的施工工艺要求，确保同轴电缆在HN接头内芯线的长度、插针的长度以及插针与电缆截面的垂直度等，确保HN接头处的绝缘合格和接触良好，保证信号传递的连续性。另外，在电子机柜侧的HN接头由核仪表系统厂家成套供货，在电气贯穿件侧的HN接头由电气贯穿件厂家供货，两处的HN接头在插针长度上存在差异，现场制作电缆头时需严格区分，以防混用。

4.2.4 做好电子机柜安装后的物项保护，确保清洁度和温湿度达到设计要求，保证设备绝缘。核仪表系统的电子机柜内布置的卡件属于精密仪器，对清洁度和温湿度要求较高，而现场由于土建和安装交叉施工，电子机柜所在的设备间未形成独立的密封环境，且通风专业尚未竣工，粉尘较多，环境比较潮湿，尤其在雨季对现场已安装的电子设备的物项保护形成更严峻的考验。为保证绝缘，现场通过加装门帘形成独立空间防止粉尘的进入，安装临时空调使得设备间温湿度满足要求，确保机柜绝缘满足要求。

4.3 重视探测器安装的先决条件，合理优化施工组织

重视探测器安装的先决条件，合理优化施工组织，确保探测器安全吊装和有效定位。探测器的安装通常在一回路热试后、装料前进行，对核电站能否顺利装料起着决定性的作用，因此在安装前一定要逐项检查现场的安装条件，合理安排施工工序，做好人员配置，保证探测器吊装时的安全和质量要求。

4.3.1 检查仪表井及周围其他工程的施工是否结束、仪表井盖是否漏水、推拉装置是否可顺利移动等，特别是仪表井内的清洁度要引起高度重视，由于该区域空间狭小，处于剂量红区，装料运行后不可能再次下至井内进行清洁，因此在核清洁时要一次彻底地做好清洁工作，确保不留死角。

4.3.2 探测器的吊装就位涉及到环吊、推拉装置的操作、测量定位和一体化电缆的揋弯、绝缘测试以及电缆端接等工艺的施工，因此要在安装前精心优化施工组织，做好技术交底，在涉及到的每一个环节上配备资质相当的人员，并统一指挥和协调。

4.3.3 探测器吊装的核心问题是确保设备本体安全。在吊装时要控制环吊的速度，由于源量程/中间量程探测器最上部装有4块绝缘瓷块，与进入推拉装置移动套筒之间的间隙很小，而且移动套筒喇叭口处可能存在焊缝不平整和凸出的情况，因此在进入移动套筒时要特别小心，保证设备本体的安全，防止由于探测器与移动套筒发生碰撞和冲击而损坏绝缘。

4.3.4 严格按照要求，保证探测器精准就位。功率量程探测器安装在铝包壳的环绕物中（见图9），金属镉包住探测器后面灵敏区，对快中子的通过无影响，聚乙烯将快中子慢化为热中子。铝包壳的环绕物提供120°扇形正对堆芯，使得探测器只计算堆芯直接发出的快中子。探测器在出厂时已在铝包壳的环绕物上端部标有箭头，现场吊装时，需预先在吊装孔口给铝包壳的环绕物的就位标出正确的导向位置，确保该箭头指向反应堆中心位置（见图10），使探测器在以箭头为中心线的120°扇形角度范围内只接受来自堆心的快中子，保证测量的准确性。

5 结语

目前，国内自主设计和建造的二代加核电站在核仪表安装方面取得了较好的成绩，而AP1000的核仪表系统与其相似性较高，应借鉴二代加核电站在核仪表施工中的经验，尽早发现施工设计问题，为今后工程做好准备。

参考文献

[1] 中国核动力研究设计院.核仪表系統手册[S].

[2] RPN System Equipment Design Specification For QINSHAN PHASE Ⅱ EXTENSION PROJECT，DS&S[S].

作者简介：魏向阳（1983-），男，安徽合肥人，中核集团湖南桃花江核电有限公司工程管理处工程师，研究方向：工程管理。

（责任编辑：王 波）