陳五星 張多飛 吳榮俊 賈靖軒 鄒 濤 李文博

(武漢第二船舶設(shè)計研究所， 武漢， 430064)

根據(jù)我國能源戰(zhàn)略規(guī)劃，核電作為清潔、安全、高效的能源在能源構(gòu)成中占據(jù)了非常重要的地位。核電站在運行過程中不可避免的會產(chǎn)生電離輻射，準確監(jiān)測核電站輻射水平是確保核電站反應(yīng)堆運行安全，保障核電站廠區(qū)輻射安全的重要前提。我國現(xiàn)階段在運、在建商業(yè)核電站除秦山三期和石島灣核電站分別采用重水堆和高溫氣冷堆堆型外，其余商用核電堆型都是壓水堆。2018年6月我國引進的第三代核電技術(shù)：改進型核電(EPR，臺山核電1號機組)和非能動型核電(AP1000，三門核電1號機組)已實現(xiàn)首次并網(wǎng)發(fā)電。本文比較分析新型壓水堆電站廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計特點，對核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計以及對在運核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)改造提供參考。

1 核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)

壓水堆核電站廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)(KRT系統(tǒng))主要由工藝輻射監(jiān)測通道、區(qū)域γ輻射劑量率監(jiān)測通道、排出流輻射監(jiān)測通道和事故后監(jiān)測通道等4部分組成。4部分實現(xiàn)的功能分別是：

核電站KRT系統(tǒng)中典型的監(jiān)測通道通常包括輻射探測裝置、就地處理和顯示裝置(LPDU)、接線盒以及供電箱，對于取樣監(jiān)測通道還包括取樣回路及相應(yīng)的電氣控制箱。探測裝置將探測到的信號傳輸?shù)絃PDU進行數(shù)據(jù)處理后得到數(shù)字量或模擬量信息，LPDU再將數(shù)字量或模擬量送往上層結(jié)構(gòu)進行分析和相應(yīng)操作。

不同堆型核電站因設(shè)計理念、依據(jù)標準不盡相同，故不同堆型的輻射監(jiān)測系統(tǒng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、監(jiān)測對象、探測方法到設(shè)備選型、信號傳輸?shù)确矫娑加胁煌?。本文以我國目前采用?種典型堆型為例，比較第三代壓水堆核電站不同堆型的廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)特點。

2 不同堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)比較

2.1 CPR1000堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)

CPR1000堆型是中廣核集團引進后通過改進創(chuàng)新設(shè)計的“二代加”百萬千瓦級壓水堆核電技術(shù)。CPR1000核電廠輻射監(jiān)測系統(tǒng)采用“分散布置、就地處理、數(shù)據(jù)集中管理”的結(jié)構(gòu)，解決了二代核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)無法就地顯示和報警、通訊易受干擾、數(shù)據(jù)采集存儲不便等缺陷。本文以防城港核電一期1、2號機組為例，介紹CPR1000堆型廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)。

防城港核電一期1、2號機組各自有45路監(jiān)測通道，兩機組公用監(jiān)測通道14路，共計104路監(jiān)測通道。每臺機組各自有一套輻射監(jiān)測系統(tǒng)信息機柜，用于集中獲取下層監(jiān)測通道測量和報警信息。

防城港核電一期1、2號機組KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。系統(tǒng)分為上下兩層結(jié)構(gòu)，上層結(jié)構(gòu)包括KRT服務(wù)器、工作站、交換機和查詢機，兩臺機組各自擁有一臺服務(wù)器，且兩臺服務(wù)器互為冗余，當一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，另一臺服務(wù)器可以同時采集兩個機組輻射監(jiān)測信息，這種設(shè)計大大提高了系統(tǒng)可靠性。下層結(jié)構(gòu)為各路監(jiān)測通道。上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)通過RS-485總線相互通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和指令參數(shù)設(shè)置等相關(guān)操作。安全級通道通過硬接線方式可以將信號直接發(fā)送給電站控制系統(tǒng)(DCS)。

2.2 CEPR堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)

臺山核電一期建造的中國先進壓水堆(CEPR)通過增加安全系統(tǒng)冗余度提升其安全性。2臺機組共有監(jiān)測通道223個，取樣通道82個。

臺山核電CEPR堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)與CPR1000堆型相比差異較大，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[2]。與CPR1000堆型KRT系統(tǒng)相比，CEPR堆型取消了KRT服務(wù)器和工作站，所有通道輸出信號都通過硬接線方式直接與電站DCS系統(tǒng)連接，每個監(jiān)測通道的數(shù)據(jù)信息和設(shè)備狀態(tài)信息通過接線箱直接送給電廠DCS。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計避免了由于KRT服務(wù)器與電站DCS通訊中斷造成主控室大面積KRT報警的現(xiàn)象，提高了KRT系統(tǒng)運行可靠性。但是這種連接方式的缺點是操作人員無法方便查詢和監(jiān)視KRT數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息(只能在主控室查詢操作)。因此臺山核電站對KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了改造：將終端總線上采集的所有DCS數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏡像的方式將數(shù)據(jù)導(dǎo)入實時信息監(jiān)控系統(tǒng)(KNS)，再通過KNS應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進行分組實現(xiàn)了將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)導(dǎo)入管理網(wǎng)絡(luò)。工作人員可以通過管理網(wǎng)絡(luò)查詢KRT實時數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息，而且可通過KNS應(yīng)用軟件快速查詢到任意時間段KRT 數(shù)據(jù)變化趨勢及KRT 報警事件的數(shù)量。這種設(shè)計很好的解決了輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢不便的缺點，既提高了系統(tǒng)運行的可靠性也實現(xiàn)了操作的便捷性。

圖1 防城港核電一期CPR1000堆型KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[1]

圖2 臺山核電CEPR堆型KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[2]

2.3 AP1000堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)

AP1000堆型采用“非能動型壓水堆核電技術(shù)”大幅減少了安全系統(tǒng)的設(shè)備和部件，因此與其它堆型相比其輻射監(jiān)測系統(tǒng)也簡化很多[3]。以三門核電為例，AP1000堆型廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)每臺機組有41套輻射監(jiān)測儀表，包括6套安全相關(guān)儀表和35套非安全相關(guān)儀表。安全級通道主要用于連續(xù)監(jiān)測主控室進風(fēng)管道和安全殼內(nèi)放射性水平，當放射性水平超閾值后，相應(yīng)通道會發(fā)出報警信號并通過安全聯(lián)鎖功能觸發(fā)相關(guān)安全措施，確保核電廠安全。

AP1000堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與CPR1000類似，分為上下兩層。下層兩種監(jiān)測通道與上層結(jié)構(gòu)的連接方式如圖3所示[4]。兩堆型主要區(qū)別在于AP1000輻射監(jiān)測系統(tǒng)中負責(zé)連續(xù)監(jiān)測主控室MCR進風(fēng)管道放射性和連續(xù)監(jiān)測安全殼殼內(nèi)的高量程放射性水平的安全級通道有兩路輸出：一路通過硬接線方式與保護與安全控制系統(tǒng)(PMS)進行通訊，PMS系統(tǒng)根據(jù)輸入信號判斷是否觸發(fā)相應(yīng)動作；一路通過網(wǎng)絡(luò)與輻射監(jiān)測計算機通訊柜(CRPS)連接，但是CRPS不能控制就地的安全級設(shè)備，即安全級設(shè)備向CRPS數(shù)據(jù)傳輸是單向的，這種設(shè)計避免了安全級探測設(shè)備來自上層設(shè)備的干擾，實現(xiàn)了安全相關(guān)和非安全相關(guān)的通訊隔離提高可系統(tǒng)的安全性。35路非安全級通道的探測裝置被分配在6段通訊網(wǎng)絡(luò)，共12根現(xiàn)場RS-485總線上，每段現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)都是雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，形成了多總線拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)與CRPS的通訊。這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計確保了監(jiān)測儀接口故障或一路通信總線中斷導(dǎo)致的故障，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。CRPS相當于中樞神經(jīng)，對下層監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警信號和設(shè)備狀態(tài)進行集中監(jiān)視和管理。同時CRPS通過光纖以太網(wǎng)與電站控制系統(tǒng)進行通信，將下層的監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警信號和設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給電廠控制系統(tǒng)，也可以傳遞電站控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號和工藝信息給下層的非安全級通道。

2.4 3種堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)的比較

2.4.1監(jiān)測通道數(shù)量

3種堆型KRT系統(tǒng)監(jiān)測通道數(shù)量如表1所列。從監(jiān)測通道數(shù)量也可以體現(xiàn)出各核電站KRT系統(tǒng)的特點：CPR1000基本沿用了第二代壓水堆KRT系統(tǒng)的監(jiān)測通道數(shù)量；CEPR遵循增加安全系統(tǒng)冗余度的設(shè)計理念，通過增加劑量率、氣載放射性監(jiān)測和事故后監(jiān)測通道的數(shù)量，在第二代的基礎(chǔ)上對部分監(jiān)測通道做了冗余設(shè)計，監(jiān)測通道最多；AP1000基于非能動安全系統(tǒng)的設(shè)計特點，簡化了KRT系統(tǒng)，減少了監(jiān)測設(shè)施，監(jiān)測通道數(shù)量最少。

各堆型監(jiān)測通道具體監(jiān)測方式、監(jiān)測對象及實現(xiàn)功能在文獻[1,2,5]中有詳細描述。

圖3 三門核電AP1000堆型KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[4]

2.4.2輻射監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CPR1000堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，通過“分散布置、就地處理、數(shù)據(jù)集中管理”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便工作人員隨時監(jiān)測數(shù)據(jù)并可以對所有通道實現(xiàn)指令和參數(shù)設(shè)置。

AP1000堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與CPR1000堆型結(jié)構(gòu)類似，但通信方式和通道設(shè)置有所不同，AP1000采用網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過隔離安全相關(guān)和非安全相關(guān)通訊方式增強了系統(tǒng)安全性，同時AP1000堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)從通訊網(wǎng)絡(luò)、供電、輻射監(jiān)測測點等多方面進行冗余設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性。

CEPR堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，這種設(shè)計提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，降低了誤報警率，并且通過添加信息監(jiān)控系統(tǒng)對整個輻射監(jiān)測系統(tǒng)進行了改造，方便監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和管理。但CEPR堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測通道數(shù)目較多，建造成本較高。

2.4.3設(shè)計標準

不同堆型核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)的標準體系、監(jiān)測通道的安全分級以及對設(shè)備進行的鑒定試驗項目也有不同[6]。表2、表3、表4對比了不同堆型廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)的標準體系、安全分級和鑒定試驗項目。

表1 3種堆型監(jiān)測通道數(shù)量比較

表2 不同堆型核電站廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)的標準體系對比[6]

表3 不同堆型核電站廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)的安全分級對比[6]

表4 不同堆型核電站廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)的鑒定試驗項目對比[6]

3 輻射監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢

核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和經(jīng)驗積累，輻射監(jiān)測技術(shù)也從簡單的模擬率表形式發(fā)展到今天的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在逐漸簡化，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、準確性在逐步提高。并且輻射監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化的實現(xiàn)大大的提高了工作人員的操作效率和準確率，保證了系統(tǒng)的安全性。然而隨著人們核安全意識的逐步提升，對輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性、響應(yīng)速度、探測靈敏度提出了更高的要求。以下從3個方面分析壓水堆核電廠輻射監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

(1) 離線取樣監(jiān)測通道。該類監(jiān)測通道是將測量對象取樣到特定容器中利用探測器測量其放射性，優(yōu)點是測量精度較高，靈敏度高，但存在無法克服的缺點：取樣系統(tǒng)的設(shè)計使得系統(tǒng)復(fù)雜度增大，取樣過程需要較多時間，這大大的減慢了響應(yīng)速度。嵌入在線式監(jiān)測通道不存在取樣過程，它是直接將探測器嵌入相應(yīng)管道進行在線實時測量，因此在保證測量精度的同時有較快的響應(yīng)時間，但探測裝置長期嵌入被測介質(zhì)當中不可避免會受到一定腐蝕和污染，因此這種探測方式要求探測器耐腐蝕并且表面疏水。綜合比較，為兼顧測量準確性和響應(yīng)速度，未來的監(jiān)測設(shè)計，嵌入式監(jiān)測方式將會發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

(2) 氣態(tài)流出物監(jiān)測。氣態(tài)流出物的準確監(jiān)測一直是核電站輻射監(jiān)測的難點，雖然國內(nèi)國外對于氣態(tài)排出流的監(jiān)測制定了全面、系統(tǒng)和嚴格的要求，但是由于氣體取樣過程中不可避免的會產(chǎn)生放射性沉積、取樣不均、放射性物質(zhì)在管路中損失等現(xiàn)象，會直接影響測量的準確性，因此在未來的輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中要對氣態(tài)放射性流出流的取樣方式、監(jiān)測方式都要做更優(yōu)化的設(shè)計。

(3) 不同核電站應(yīng)當結(jié)合自身特點在輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計過程中考慮每路監(jiān)測通道的必要性和合理性，對輻射監(jiān)測系統(tǒng)每個測點進行合理布置，在關(guān)鍵位置應(yīng)當進行測點冗余設(shè)置以確保系統(tǒng)可靠性，同時盡量減少不必要的測量通道，一可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度提高可靠性，二可以節(jié)約成本降低造價。例如AP1000在設(shè)計中將安全殼內(nèi)事故監(jiān)測通道由二代加的2個增加到4個，提高了可靠性；取消了安全殼空氣的氣溶膠、碘活度監(jiān)測通道，取而代之的是安全殼13N/18F活度監(jiān)測通道，提高了系統(tǒng)的靈敏度。輻射監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計過程中也要充分考慮每個設(shè)備的可維修性、使用壽命及可替代性，這樣的設(shè)計既提高了整個系統(tǒng)的工作效率，也可以有效地降低建造成本。

4 總結(jié)

壓水堆核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過幾代發(fā)展技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不同堆型核電站結(jié)合自身特點設(shè)計出了不同的廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)，本文以第三代壓水堆幾個代表核電站為例，比較分析了各堆型輻射監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，簡要分析了輻射監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方向，為核電站廠房輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計或改造提供參考。