胡雪峰

摘 要：近年来，核电厂中频发堆芯中子通量测量失效等异常事件，对此耗费了大量人力物力进行故障分析，影响电机组调试进展的同时增加了安全隐患。在日常运行及维护过程中，核电廠的堆芯中子通量测量系统故障频发，而且在同类型机组上重复发生的异常事件存在一定的共性，于是通过对典型的失效数据和反常数据进行收集及分析，发现在堆芯中子通量测量系统中存在的失效事件主要包括三类，指套管磨损深度超标、闪发密封组件泄露报警及中子通量测量探头卡涩问题，为了提高核电机组的可靠性，本文根据处理原则及经验分析总结失效及异常事件发生的原因，并给出有效的预防措施及防护策略，从选材源头开始重视每一处细节，并做好应对措施，以及时发现并避免以上测量失效事件的再次出现。

关键词：核电厂；堆芯中子；失效分析；预防措施；

引言

堆芯中子通量测量系统只是堆芯测量系统的一部分，堆芯测量系统中包含三个子系统，分别是中子通量测量系统、温度测量及反应堆压力容器水位测量，三个测量系统之间的接口较少，并且功能相对独立。堆芯测量系统的主要功能有，提供反应堆堆芯中子通量分布图、燃料组件出口反应堆冷却剂的温度以及反应堆压力容器水位的测量数据。通过堆芯中子通量系统可以获得堆芯中子注量率分布统计图，但是如果堆芯通量测量系统中有40%的通道发生的堵塞或故障，则认为系统不可用，此时产生的堆芯中子通量结果图可靠性不高，则认为此时的堆芯中子通量测量系统为失效状态。

1. 系统简介

1.1 系统功能

堆芯中子通量测量系统的功能实现是完全自动化的，由计算机控制将中子测量探头进入不同的通道中，实现系统的测量，将获得的数据进一步处理分析后，得到整个堆芯的中子注量率分布图。但是在反应堆运行及启动时，堆芯中子通量测量系统的测量功能的侧重点有所不同，在反应堆的启动阶段，此时反应堆功率升高，系统功能侧重点如下：

（1）检查堆芯燃耗的功率与设计是否相符；

（2）校准堆外中子测量探测器中的电离室；

（3）检查热点因子设置是否过于保守；

（4）监督并预警反应堆启动过程中堆芯装料可能发生的故障；

在反应堆的运行阶段，系统功能的主要侧重点是：

（1）监督燃料耗损情况；

（2）检查堆芯燃料耗损功率与设计是否相符；

（3）校准堆外核仪表的刻度；

（4）监督并预警反应堆运行过程中可能发生的故障；

一般来说堆芯中子通量测量系统的基本功能是获得堆芯中子通量的数据，并加以处理分析后建构堆芯功率分布图及燃料管理所需信息，在不同的核电厂中，堆芯中子通量测量系统的功能因被测反应堆的具体特性及系统的具体监测控制要求不同而不同，大亚湾、岭澳一期及二期、秦山二期及海南昌江核电站中子通量测量系统都涵盖以上基本功能，但是近年来国内外部分核电厂堆芯中子通量测量系统的功能都有所扩展，例如田湾核电站的堆芯中子通量测量系统出了基本功能之外，还具备在线监测线功率密度及DNBR等重要参数，并提供相应的堆芯保护措施的功能【1】。

1.2 系统结构

如上文所述，堆芯中子通量测量系统中包含多个测量通道，分布在不同位置，每个通道内分别安装有指套管、导向管、密封段侧漏探头及指套管泄露探头等密封隔离装置，如图1所示，其中探测器在整个堆芯中测量中子通量，工作时在指套管内移动，在为了监测密封段中指套管与导向管之间的泄露情况，在指套管与密封段之间设置了泄露探头。但是堆芯中子通量测量系统的总体规模根据不同核电厂堆芯设计的差别以及不同核电厂反应堆堆芯燃料组件的数量而有所不同，

2. 失效分析

调查发现，核电厂堆芯中子通量测量系统调试及运行期间出现的堆芯中子通量测量系统异常事件存在一定的共性。堆芯中子通量测量系统中共有两个泄露探测通道，一个用于指套管泄露监测，一个用于密封组件泄露监测。其中，指套管泄露探测装置位于密封组件及隔离阀之间的球形止回阀中，当指套管发生泄露事故时，泄露探测器之间的电极产生接触，将电信号送到控制柜中，系统通过监控器对继电板状态进行定时扫描，从而判断是否发生泄露，并确定对应的泄露孔道编号【2】。

2.1 指套管磨损深度超标

堆芯中子通量测量系统中指套管是重要的安全装置，作为堆芯中子通量测量探头的保护装置，能够隔离冷却剂。但是外表面与冷却剂直接接触，若指套管管壁严重磨损，会导致管壁穿透，冷却剂等一回路介质进入指套管，对堆芯中子通量测量探头造成损坏，从而增加泄露的风险。导向管起到引导指套管中介质的作用，一端连接压力容器下封头，一端连接手动隔离阀门，同样用于防止冷却剂泄露。

指套管在沿导向管、反应堆压力容器底部、下部堆内构建支撑柱导向通道进入燃料组件导向管内的过程中，由于缺乏固定装置，在反应堆运行阶段由于冷却剂不断流动，引起指套管产生晃动，导致指套管与导向组件产生摩擦，随着日积月累，摩擦程度逐渐积累造成磨损事故。另外，由于各部件存在棱角，在机组运行时，容易产生摩擦，导致指套管磨损严重。根据检测数据显示，指套管的磨损程度与运行周期呈反比关系，如图2所示，反应堆的第一个运行周期时指套管的磨损程度最大，然后随着运行周期加长，各个部位的磨损情况都有所好转，这是因为运行一段时间之后各部件的棱角逐渐变得圆滑，相互之间的磨损程度便有所下降。

2.2 密封组件泄露报警

密封隔离装置由手动隔离阀、密封组件、球形逆止阀及自动阀等组件构成，每一个组件在密封隔离过程中都起到了不可或缺的重要作用，其中，手动隔离阀用于密封隔离一回路中的介质；密封组件是一组用于对导向管及指套管进行密封的特殊装置；球形逆止阀同样也起到防止泄露的作用，利用小球堵住自动阀的小孔，防止冷却剂泄露。

在堆芯中子通量测量系统运行过程中，发生密封组件泄露异常事件时，首先对现场核电厂的堆芯中子通量测量系统中的密封组件进行查露，以某核电厂为例，在对所有密封组件进行目视检查之后，在密封段上游部位的螺母上共发现有13处硼结晶，进一步对密封组件螺母紧固力矩及泄露探头的绝缘电阻进行检查，发现力矩小于标准要求，阻值均满足标准要求，于是紧急对所有上游螺母进行紧固，便未再发生泄露事故。通过对各种报警情况的发生原因进行分析，发现造成泄露报警的原因可能有如下：

（1）密封段处螺母力矩小于标准要求；

（2）泄露探头发生故障；

（3）指套管中产生金属碎屑等异物，导致测量通道绝缘性下降，触发泄露报警；

（4）由于空气潮湿导致的凝结水聚集，引发泄露报警；

2.3 中子探头卡涩

中子探头发生卡涩事故通常是由于图纸设计及维修程序不明确造成的，例如在设计图纸及维修卡中并未对卡箍进行详细说明，导致在检查及维修过程中，驱动电机轴上并未安装卡箍，安装偏离标准要求，导致出现误差甚至发生故障，在长期运行过程中法兰盘松脱；或者在各器件安装图纸中给出了理论标准，但是并没有给出明确的验收标准，最终导致设备安装出现标高控制偏差【3】。

3. 预防措施

3.1 指套管磨损保护

指套管起到对堆芯中子通量测量探头保护的作用，隔离冷却剂，但是难免会产生磨损情况，根据堆芯中水力状态的复杂性及指套管具体设计的不同，即使两个完全相同的反应堆中每个指套管的磨损情况也各不相同，无法做到指套管磨损状况的提前预测。现阶段实现指套管磨损反馈的方法是定期检查，并且在每次检查大修期间对所有的指套管进行涡流探测，检查是否存在磨损伤口，并针对指套管产生的不同程度的磨损，采用不同的针对措施及时进行处理。

3.2 密封组件泄露报警

针对密封组件产生泄露的原因，核电厂可以采用以下措施及时预防或报警：

（1）定期核实并确保密封组件的螺母紧固力矩在适当的范围内；

（2）在设备采购环节，及时对设备驻厂监收，确保设备质量合格，并尽量与品质优秀的厂商进行合作；

（3）及时对测量腔室进行检查，防止测量腔室中存在异物；

（4）在工程阶段对密封端做好防潮措施，并在安裝阶段进行干燥处理；

3.3 中子探头

针对中子探头的卡涩问题，核电厂需要对系统的安全计划进行进一步升级，更新图纸设计及维修管理安排，提高图纸的验收标准，并设置相应的质量计划见证点。

参考文献：

[1]刘锐，陶书生，赵力，王喆，车树伟.核电厂堆芯中子通量测量系统典型失效分析[J].核电子学与探测技术，2018，38（02）：175-179.

[2]贺支青，杨光.故障模式与失效分析方法在核电厂设备质量管理中的应用[J].电脑知识与技术，2019，15（02）：229-231.

[3]文艳辉，王国云，沙洪伟.核电厂堆外中子通量测量系统功率量程探测器老化趋势分析和处理[J].仪器仪表用户，2017，24（12）：76-81.