落棒試驗對控制棒狀態的監測與預警

李 剛，柴偉東，張大勇，何慶瓊

（大亞灣核電運營管理有限責任公司技術部，廣東 深圳518124）

控制棒組件是控制反應堆反應性的設備，在正常運行時用于調節反應堆功率，在事故工況下快速引入負反應性，使反應堆緊急停堆，保證核安全［1］。緊急停堆時，控制棒依靠重力快速落入堆芯。為了驗證控制棒是否能夠快速落入堆芯，每次換料大修或其他對堆芯幾何結構有影響的活動之后，都需要在機組處于熱停堆或冷停堆狀態的額定流量下完成控制棒的落棒試驗，以檢查每束控制棒的落棒時間是否滿足驗收準則。

1 落棒試驗簡介

控制棒驅動機構的密封殼體上部有控制棒棒位指示器的套管，它由磁性材料制成。套管外有測量棒位用的一次線圈和二次線圈。當一次線圈未通電、控制棒在線圈中移動時會產生感應電壓。

落棒試驗是通過快速記錄儀記錄控制棒在棒位探測器一次線圈內移動時產生的感應電壓和相應控制棒的夾持銷爪線圈的電壓來實現的，并對記錄的曲線進行分析、計算，從而得到相應控制棒的落棒時間，其驗收準則見表1。

表1 落棒時間的驗收準則Table 1 The criteria of control rod drop time

落棒試驗中控制棒感應電壓和夾持線圈電壓的一般變化曲線見圖1。在夾持線圈斷電之后，經過一段極短的時間，控制棒開始下落，速度逐漸增大，控制棒在棒位探測器一次線圈中的感應電壓也隨之逐漸升高。當控制棒進入緩沖段后，其速度迅速減小，感應電壓也隨之迅速降低，接觸堆底后控制棒經過數次反彈停在堆底，感應電壓最終為0。

圖1 落棒試驗中控制棒感應電壓和夾持線圈電壓的一般變化曲線Fig．1 The general curve of induced voltage of the control rod and current in stationary gripper coil

2 卡棒事件分析

2．1 事件介紹

2008年7月14日，大亞灣核電站2號機組主變壓器差動保護繼電器發生故障，導致差動保護誤動作，反應堆自動停堆（簡稱7·14事件）。在控制棒下落過程中，溫度調節棒組（R棒組）中有2束控制棒未完全落入堆底，2束棒均卡在距堆底24步處，這2束棒徑向位置分別位于F10和K10。這是大亞灣和嶺澳核電廠發生的第1起卡棒事件。事件發生后，立即進行停機搶修，開蓋對K10、F10進行檢查，發現卡棒的原因是輻照腫脹造成的。此次停機搶修共耗時17 d，給大亞灣核電站帶來巨大的經濟損失。

2．2 卡棒原因

從控制棒相關的設備或系統分析，可能造成控制棒卡棒的故障模式有：燃料組件變形；驅動機構異物引起卡澀；燃料組件導向管內異物引起卡澀；控制棒彎曲變形；控制棒輻照腫脹引起卡澀等。

2．3 外部經驗反饋

根據法國電力公司（EDF）的反饋，每種故障模式在落棒試驗中都會表現出不同的圖線形狀?！?·14事件”中因輻照腫脹導致F10和K10控制棒卡棒，這類故障在落棒試驗中的表現形式如圖2中第4個棒束所示，腫脹的控制棒在進入緩沖段后，由于卡澀下落到堆底的時間延長較多，T6長達720 ms，而其余3個棒束的T6均在500 ms左右，并且第4個棒束落到堆底后沒有反彈振蕩。

通過以上例子可以看出，根據分析落棒試驗數據可以及時發現控制棒的異常，并可根據落棒曲線的異常變化來判斷控制棒可能存在的故障，因此落棒試驗為控制棒的檢查和更換提供了重要依據。為了能夠提高對異常數據的敏感度和識別度，需要在落棒試驗中記錄更加全面和細化的數據。從EDF的反饋和現場試驗可以看出，落棒試驗只記錄T4、T5、T6，但對感應電壓、振蕩次數等數據基本沒有關注過，而這些數據對于發現異常，判斷原因也起著重要作用。

圖2 控制棒落棒曲線（控制棒腫脹）Fig．2 The curve of control rod drop test（RCCA swelling）

2．4 歷史數據分析

對歷次大修的落棒試驗數據進行分析。以大亞灣核電站2號機組（D2）的R2棒組為例：T5變化范圍最大不超過50 ms，相鄰2次試驗變化最大為30 ms（圖3），變化趨勢比較平穩；T6變化范圍最大不超過60 ms，而相鄰2次試驗變化最大值出現在“7·14事件”前的D212大修，F10棒的T6值陡增51 ms（圖4），T6異常增大正是控制棒輻照腫脹的表現。由此可以看出，控制棒狀態的變化可以在落棒試驗數據中體現出來。如果對落棒試驗的數據進行認真分析比較，就有可能將控制棒的異常隱患及時排查出來，避免控制棒的故障缺陷進一步惡化而帶來更大的損失。

圖3 D2機組R2棒組歷次落棒試驗T 5變化趨勢Fig．3 The T 5 trend of R2 rod group of Unit 2 of Daya Bay NPP in all previous tests

圖4 D2機組R2棒組歷次落棒試驗T 6變化趨勢Fig．4 The T 6 trend of R2 rod group of Unit 2 of Daya Bay NPP in all previous tests

3 落棒試驗數據處理

3．1 常規落棒試驗數據記錄與處理

過去落棒試驗數據的記錄與處理方式與EDF一樣，都是通過記錄儀自帶的打印機打印出紙質版落棒曲線，再通過試驗人員手工畫線讀取落棒試驗各段時間，過程復雜、耗時長、占用人力多，而且在記錄紙上1 mm的距離就代表10 ms的時間，因此在讀取時間時不可避免地存在隨機誤差。另外，紙質版記錄易損壞、丟失，不易長久保存，歷史數據也不易進行對比分析。如果能夠通過一個落棒數據自動處理程序將各段時間自動精確地計算出來，而且得到的電子版記錄數據可以更加方便且長久地保存下來，那將會為以后的數據對比分析提供非常大的便利。

3．2 自動化計算程序

（1）程序結構

根據落棒試驗各段時間的計算原理編寫了落棒數據自動化處理程序，各段時間均由夾持線圈電壓和控制棒感應電壓的變化情況來決定。程序基本框圖見圖5。

圖5 自動計算程序結構框圖Fig．5 The structure block of automatic calculation program

（2）軟件界面

基于Perception軟件的落棒試驗軟件界面及控制棒落入堆底后的震蕩曲線見圖6。4個棒束的感應電壓和線圈電壓共8條曲線可同時記錄在一個顯示界面中，便于進行對比分析；程序自動計算的結果（包括T4、T5、T6、V5max、Cwave等）可直接顯示在右側數據表中，非常直觀方便。

圖6 基于Perception的落棒試驗軟件界面Fig．6 The software interface of control rod drop test based on Perception

（3）計算結果驗證

將以前落棒試驗的數據代入計算程序后，發現每臺機組的每個棒組的落棒數據都有各自不同的特點。根據不同棒組數據的特點添加了自動邏輯判斷語句，使得落棒試驗的數據更加精確。

將D113／D213／L107／L206／L207／L108／D214各次大修落棒數據與手工計算出的數據進行對比，二者最大偏差在20 ms以內，平均偏差在3 ms以內，表明該計算程序既滿足了4臺機組所有棒組的通用性，又保證了計算結果的準確性。

以L206大修落棒試驗數據為例，通過全部61組棒束的數據驗證，計算程序可以在短時間內計算出T4、T5、T6，程序計算結果與原來人工畫線計算得到的結果基本一致，全部棒組T4／T5／T6平均值偏差在±2 ms左右，T5＋T6平均值偏差為3．1 ms，與各項限值相比偏差非常小。利用該程序首次對控制棒最大感應電壓及控制棒在緩沖器內的振蕩次數等數值進行了計算統計。該計算程序為落棒試驗數據自動化處理提供了有力支持，更重要的是為控制棒的異常預警和故障分析提供了更加全面的參考依據。

4 落棒試驗數據處理改進后的優點

相比過去的試驗數據處理方法，該自動化計算程序應用于落棒試驗后有以下幾個優點：

（1）提供了更加全面的控制棒落棒數據，該程序不僅可以計算出控制棒落棒過程中的各段時間和控制棒感應電壓、振蕩次數等數據，而且還能根據不同的需求任意添加語句，得到更全面的數據，為控制棒的異常預警、故障判斷、原因分析提供更有力的幫助。

（2）將試驗數據與歷史數據進行對比，如果發現有異常變化，可以根據這些異常數據對控制棒的狀態進行初步分析，判斷控制棒可能出現哪一類的問題（例如T6異常增大可能是燃料組件變形或控制棒腫脹導致），并及時向相關專業提出預警信息，建議在下次大修中對出現異常數據的棒組進行重點檢查，防止缺陷進一步惡化。

（3）試驗數據便于保存和對比。將試驗數據的保存介質轉變為電子記錄，為試驗數據的保存、歷史數據的查閱、各次試驗數據的對比分析，以及控制棒異常信息的判斷和預警都提供了極大的便利。

（4）提高了落棒時間的精確性。原方法在記錄紙上畫線時精確度不夠，在讀取時間時不可避免地存在隨機誤差，而在計算程序中則不存在這些誤差，精確性得以大大提高。

（5）節約了大修關鍵路徑時間和試驗人員數量。原方法要得到落棒時間需經過采集數據——打印記錄紙——畫線——讀取過程，所需時間為5～10 min；而現在從采集數據到導入數據再到計算落棒時間，計算機只需十幾秒，大大節約了大修關鍵路徑時間，另外也可節約畫線讀數方面的試驗人員數量。

5 結束語

落棒試驗作為一項針對控制棒安全性能的試驗，對堆芯的安全保護功能起著重要的作用。改進后的落棒試驗增加了檢查項目，豐富了落棒試驗的內容，為控制棒狀態的監測和預警提供了一種新的思路、方法及手段，為控制棒的檢查和更換提供了重要依據。

［1］ 蘇林森，等 ．900MW壓水堆核電站系統與設備［M］．北京：原子能出版社，2007．