核电厂安全壳空气辐射监测系统优化分析

梁燕

中核核电运行管理有限公司，浙江海盐，314300

秦山30WMe机组反应堆冷却剂系统的工作压力、温度为15.2MPa、297℃，承压边界内涉及设备、管道、阀门以及连接管道的焊缝等,长期运行在高温、高压的环境。在反应堆冷却剂的不断冲蚀下,有可能发生应力腐蚀或承压边界疲劳,进而产生缺陷，导致一回路系统冷却剂的泄漏。安全壳空气辐射监测系统是监测压力边界完整性的重要系统，它的可靠性尤为重要，其系统可靠性和监测设备数据的准确性必须要得到充分保障[1]。秦山30WMe机组的安全壳辐射监测系统在最初设计中是由控制棒驱动机构通风辐射监测系统（R27系统）和安全壳空气辐射监测系统（R02系统）共同组成的，它们通过对气溶胶微尘、碘131和惰性气体连续监测的组合来共同实现对一回路压力边界泄漏的监测和判断。

1.1 R02系统介绍

R02系统主要监测安全壳空气中微尘（P）、碘（I）、惰性气体（G）的放射性水平变化，以此来判断一回路压力边界的完整性，并在R02系统的各通道（PIG）放射性指示高高值报警时，执行安全壳通风隔离。

1.2 R27系统介绍

R27系统属非安全级系统，于1994年新增。是在功率运行期间监测反应堆顶部的四台控制棒驱动机构冷却风机X1-7排风口处气体中的微尘放射性，从而判断控制棒驱动机构密封圈处的压力边界是否发生冷却剂泄漏，当系统RE-2701和RE-2702两台微尘检测通道数据出现高-高信号时，主控室发出相应报警。

R02和R27系统曾多次出现A通道、B通道、P通道和I通道数据异常波动，P通道数据多次异常上升，且每次数据持续时间较短。

在第17燃料循环内I通道更是出现了13次之多的误报警现象，I通道数据异常升高至1.00E+5Bq/m3，持续时间约2分钟后，数据突降至量程下限0.1Bq/m3，且其余通道数据正常。报警期间上充下泄流量、安全壳地坑水位、安全壳温湿度等参数均正常，在主汽门试验期间进入反应堆厂房巡检检查时也未发现任何可见的压力边界泄漏，可以证明R02系统I通道多次的短暂性的高值报警为误报警。此数据已经不能为判断压力边界的泄漏提供依据，监测的数据无代表性。

3.1 系统管线设计分析

R02和R27系统已运行20多年，由于历史原因取样回路在取样管线设计上参照的标准为1S02889-1975（气载放射性物质取样的一般原则），较现在通用的以美标ANSI N13.1-1969为蓝本制定国际标准ISO 2889-2010落后，从取样的角度，保证排放流进入烟囱管道后能混合均匀[2]。取样管路设计上存在无法满足空气活度监测，取样管道的布置应使取样管道尽可能地短，避免和减少弯头数量，并选择合适的材料，以减少空气的阻力和放射性物质的吸附和沉淀的要求[3]。根据美标ANSI/HPS N13.1-999的规定，凡是涉及微尘取样的管道应尽可能缩短水平管道段的长度，弯头的数量在满足使用条件下尽可能少,以减少微尘在水平管道段和弯头的内管壁上的沉积损失[4]，提高微尘（气溶胶）的贯穿率，即在从取样管嘴到收集器或分析器的转移和传输过程中，必须保证所取样的气载放射性物质的浓度和粒度的变化为最小[5]。现R02有21个取样点，加上R27的4个取样点在安全壳内取样点共有25个之多，这使得取样管线过长，弯曲部位角度近90度的弯管过多，且部分取样管内径只有10mm，这样不能够满足标准中对10μm粒子从自由流到收集器或分析器的总传输率＞50%这一严格要求，两个系统的各个取样点最终要汇合到一路总的取样管线，由于支路和交汇点较多，造成气流不稳，大直径的气溶胶粒子受到重力沉降、布朗扩散、气体湍流等运动机制联合作用从气流中分离出来而沉积在管壁上，将沉积在管壁上，产生的损失通常称为管道损失[6]。这种沉积物的脱落增大了测量结果的误差和不确定性，造成短暂性高值误报警。

3.2 设备性能、技术局限原因分析

R02系统主要采用MGP公司的第一代产品，如今设备严重老化，不能满足探测技术不断发展而提出的技术要求。设备技术的局限主要体现在PIG监测通道。

3.2.1 P通道

微尘（P）测量通道探测器采用塑料闪烁探测器测量滤纸上总的β辐射水平，由于气溶胶中天然放射性核素氡钍衰变子体占比很大，而电路中的甄别器为积分式工作方式，这样使得测量通道在硬件上没有对氡钍子体的甄别能力，氡钍衰变子体由于环境变化而发生浓度变化将导致测量值的变化，大的浓度变化会直接导致异常而引发报警进而发生安全壳通风隔离风险。

3.2.2 I通道

在对涉及能谱测量和对一定能量范围中某种射线给出的总计数进行测量时，为了保证核测仪器的测量精度和稳定性，这就要求经过长时间后以及环境条件发生改变时核测仪器依然能对固定能量射线输出能谱峰位不变。然而闪烁晶体的发光效率、光电倍增管的增益、放大器的放大倍数及探头工作高压等都随温度而改变，这些因环境变化而改变的因素都将影响仪器对固定能谱的稳定输出。另外，光电倍数增管的增益变化等也会导致峰位漂移（具体原因因子分析如图1）。PIG监测回路中NaI通道不带稳峰功能，如果在取样气体中含有γ射线能量在364keV附近的其他放射性核素时，会导致测量的计数来自大于或小于364kev的γ射线，其中反应堆中常见的51Cr、125Sb、214Bi、87Kr、135Xe等发射的γ射线能量都在364keV左右，特别是含有如135Xe这样的高原子量的核素时，因其在管壁上的吸附力大，易沉积达一定浓度，更容易使测量能谱漂移进而导致测量数值的异常变化，增大测量结果的误差和不确定性。

图1 PIG误报原因因子分析图

在最初设计时，安全壳空气监测系统设计较为复杂，包含了安全壳空气监测和安全壳清洗排风监测功能，使系统具有多种运行状态。R27测量气溶胶活度浓度，R02也包含一个气溶胶活度浓度测量通道，他们的目的都是测量和判断一回路冷却剂的泄漏，由此可见由于最初设计原因R02和R27在系统功能上有部分重叠。由于I通道的误报警频出，容易造成对放射性事故的误判，给运行和维修工作带来负担，需要长时间地建立运行决策，切除PIG至反应堆保护系统的联锁开关，降低了系统可靠性和安全保护能力。

5.1 取样管线的优化

为了解决“管壁损失”以保证样品具有代表性，新R02系统监测设备取样管的敷设标准参考ISO 2889-2010（核设施烟囱与管道中的气载放射性物质取样专对：烟囱与管道）中关于防止气溶胶取样沉积损失的要求，新标准认为，在事故或非正常工作条件下，排放物中的粒子大小的上限值考虑为10μm，粒度分布参数考虑为AMAD=4.0μm，这样对重新设计敷设的部分取样管路扩大，并使取样管线的水平长度尽可能短，尽可能地减少弯头个数，保证气溶胶粒子的传输率，以减少气溶胶在取样管线中的沉积损失，从而期望彻底解决沉积损失即“管壁损失”和这些沉积物脱落引发的仪表误报警[7]。

5.2 监测设备更新换型

采用 MGP公司先进的PIG一体机PING206S-1E级设备，抗震I类。一体机将微尘、碘、惰性气体探测器，微尘和碘取样装置以及相应的阀门、流量和压力仪表等都集中安装在一个机架内。部分通道使用了成套的集成设备，更加便于安装和日常的维修、取样工作。P通道采用的半导体探测器分辨率高、噪音低，能更好地除去空气中氡、钍子体对测量结果的影响；
I通道为NaI闪烁体光电倍增管并带温度测量的探测器，内嵌70Bq Am-241稳峰源。它是能谱已知的参考峰，当谱仪γ能谱发生漂移时，首先在漂移后的能谱中找出参考峰，把它校正到参考峰的理论值位置，然后将其他能区也参照参考峰的校正量按照一定规律校正。这样就能够有效遏制由于样品沉积使能谱漂移带来的测量值异常；
G通道探测器也是双硅半导体，工作原理与P通道探测器一样，唯一的不同是在探测器和取样容器之间有一个钛合金薄片，用来密封、隔离取样容器和探测器，β、γ射线可以正常穿透薄片到达探测器，但是α却无法穿透，具有较强的抗扰能力。另外，PIG一体机的数值测量范围较之前覆盖更加全面。

5.3 优化取样点

新R02系统增加了原R27系统的在X1-7四台风机出风口处的4个取样点，并将R02系统原来的21个取样点优化为13个；
将原安全壳清洗排风风机P1-1四台风机出口管线上的4个取样点从原Gβ02系统中独立出来命名为安全壳清洗排风辐射监测系统（R28）。新R02系统功能主要有：①投运PIG通道连续监测来自安全壳内的空气中气溶胶、碘和惰性气体的放射性活度浓度，其中G2高放惰性监仪作为G1惰性监测仪的备用在G1高报时投运；
②PI通道一用一备正常运行通过取样回路组合装置对安全壳空气中的气溶胶、碘，氚通道定期投运。③当接收到安全壳内高压和高辐射信号时，通过事故取样装置R02-08对安全壳内的气溶胶、碘和惰性气体进行连续取样。R28由原R02惰性气体探测器更换的RE-28监测来自四台安全壳清洗风机P1-1出口的排气放射性活度浓度，探测到高放射性和高-高放射性时，辐射监测仪在剂量控制室发出报警信号。

改造后的R02为安全级系统，增加了原R27系统的驱动机构通风辐射监测功能，运行期间新系统测量通道不需要进行调节，测量通道各个不同的分部件和各种电子设备不需要特殊的维护，厂房环境满足对设备防爆炸物、防化学试剂、灰尘和颗粒物的有效防护要求。R28系统为非安全级系统，在安全壳扫气排风时启动运行，新R02和R28系统的功能分工更加明确且相对独立，优化了原R02系统由安全壳空气PIG监测转向清洗排风监测的转换过程，使R02和R28的系统投运和退出操作方便。

现R02系统和R28系统运行期间稳定，监测数据真实稳定，彻底消除了变更改造前的高值误报警缺陷，使得系统在最新燃料循环中新增缺陷数量大幅减少，可靠性显著提高，提高了系统设备的响应速度、灵敏度和可靠性。监测数据的变化能够及时为反应堆运行及决策人员提供有效的决策依据，彻底解决了机组多个燃料循环以来由于监测数据的异常误报而面临的巨大安全隐患，同时使得R02系统和R28系统各自的功能分工更加独立、明确，大大减轻了运行和维护的压力。