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        重水堆核電機組空氣中的氚監(jiān)測系統(tǒng)運行經(jīng)驗1)

        2019-10-16 08:58:58
        中國核電 2019年4期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域用戶設(shè)備

        (中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

        秦山核電基地是中國核電的搖籃,是國內(nèi)核電機組數(shù)量最多、堆型最豐富、裝機最大的核電基地,而重水堆核電(CANDU)機組作為目前國內(nèi)僅有的兩臺重水堆機組,在核電行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。相較于壓水堆機組放射性產(chǎn)物來說,存在一種特殊的放射性產(chǎn)物——氚。氚,是氫、氘的同位素,密度小,氚的半衰期為12.43 a,氚在人體內(nèi)的半排期約為10.6 d,在反應(yīng)堆機組中,氚以氚水蒸氣的形態(tài)廣泛存在,無色無味,難于發(fā)現(xiàn),易通過人員呼吸系統(tǒng)與皮膚進(jìn)入體,一旦氚蒸汽進(jìn)入人體,它就會均勻分布全身,對人體造成持續(xù)的內(nèi)照射污染,對人體造成傷害,并增加電站人員整體劑量。正常情況下,機組反應(yīng)堆廠房各個區(qū)域的氚水平極低,對人員影響甚微,不會對人員產(chǎn)生影響。在CANDU機組,氚是重點防護(hù)的放射性產(chǎn)物,根據(jù)核電站運行經(jīng)驗,工作現(xiàn)場氚水平瞬間上升,極有可能是某些重要回路設(shè)備或管線出現(xiàn)破口,導(dǎo)致一回路放射性重水泄漏,因此,若能及時快速有效監(jiān)測到核島區(qū)域的氚放射性水平,就能縮短氚的泄漏時間,一方面能有效降低重水的泄露,為公司節(jié)約生產(chǎn)成本;另一方面則是有利于保護(hù)現(xiàn)場工作人員。所以,在CANDU機組運行期間,必須對廠房內(nèi)的氚濃度進(jìn)行監(jiān)測,以減少氚對工作人員的輻射風(fēng)險[1]。

        目前,CANDU機組空氣中的氚監(jiān)測系統(tǒng)已布局完成,每臺機組的取樣點多達(dá)80多處,均勻分布在核島及輔助廠房區(qū)域,有效監(jiān)測重點區(qū)域、重點設(shè)備及泄露高風(fēng)險區(qū)域的氚水平,基本能及時有效體現(xiàn)出氚放射性水平的變化趨勢,幫助相關(guān)部門人員及時掌握現(xiàn)場氚水平,保證現(xiàn)場工作的順利開展。

        1 系統(tǒng)簡介

        空氣中的氚監(jiān)測系統(tǒng)是CANDU機組重要系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)實時監(jiān)測機組多個區(qū)域氚水平,目前,CANDU機組內(nèi)具有3種型號的氚監(jiān)測設(shè)備,具體為B.O.T公司ES-RATM-F型(22臺)、SARTREX公司MODEL 292型(2臺)和OVERHOFF公司的MODEL347型(2臺),鑒于不同型號的氚監(jiān)測設(shè)備在機組內(nèi)的分布數(shù)量有差別,本文主要討論B.O.T公司生產(chǎn)的氚監(jiān)測設(shè)備。CANDU機組中,盡管氚監(jiān)測設(shè)備雖然型號和廠家不同,但均采用電離室測量原理,通過取樣泵,從監(jiān)測區(qū)域抽取氣體作為樣品,樣品通過電離室后,通過測量空氣中的氚水平,產(chǎn)生微弱的電信號,再通過多次放大回路,最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,顯示在測量機柜中。同時,因系統(tǒng)的重要性,系統(tǒng)后期增加了實時數(shù)據(jù)顯示功能,將測量的實時數(shù)據(jù)通過CANDU機組的PI數(shù)據(jù)系統(tǒng),實時顯示到用戶終端,供用戶使用。

        2 系統(tǒng)痛點及解決方案

        2.1 研發(fā)專利,開發(fā)專用工具,解決電離室標(biāo)定痛點

        2.1.1 系統(tǒng)痛點:氚氣源采購成本高,工具精度要求高

        根據(jù)國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62303—2008[2]和國標(biāo)GB/T 7165.5—2008[3]的要求,為了保證監(jiān)測設(shè)備功能完整性,用于氚水平測量的設(shè)備需根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),定期對測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。CANDU機組中使用的空氣中氚監(jiān)測系統(tǒng),屬于在線監(jiān)測設(shè)備,無法將設(shè)備整體外送至計量院進(jìn)行標(biāo)定刻度;此外,測氚設(shè)備標(biāo)定中需要使用氚氣源,而長期采購氚氣源的難度頗大;同時,電離室產(chǎn)生的電流信號通過屬于fA級(即10-15~10-14A),標(biāo)定中需要使用的該等級的電流源,在國內(nèi)的使用較少;因此,在線氚監(jiān)測設(shè)備的在線刻度也是系統(tǒng)的最大痛點。

        電離室測氚設(shè)備的工作原理,是氚水蒸汽進(jìn)入電離室單元,產(chǎn)生微弱的電信號;而后通過信號放大部分,將微弱的電信號轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定可測量的電信號,從而達(dá)到監(jiān)測氚的目的。整套氚監(jiān)測系統(tǒng)核測部分的標(biāo)定刻度工作具體可分為兩部分,電離室部分及信號放大部分。CANDU機組在系統(tǒng)安裝調(diào)試期間,使用了標(biāo)準(zhǔn)的氚氣源對系統(tǒng)的功能進(jìn)行了一次整體的標(biāo)定刻度,確保了系統(tǒng)功能的完整性。

        調(diào)試時標(biāo)定刻度使用的氚氣源是為該項目定制產(chǎn)品,屬于一次性使用產(chǎn)品,考慮該微型氣瓶可能因壓力的降低,帶來氚氣源的損耗,標(biāo)定過程中使用了轉(zhuǎn)運袋,導(dǎo)入方案如圖1所示;再通過轉(zhuǎn)運袋,將標(biāo)準(zhǔn)的氚氣源用于系統(tǒng)的首次標(biāo)定,根據(jù)標(biāo)定結(jié)果,直接驗證了測量功能的完整性。電離室標(biāo)定方案如圖2所示。

        圖1 氚氣源導(dǎo)入方案

        圖2 氚氣源標(biāo)定方案

        2.1.2 解決方案

        考慮生產(chǎn)成本及放射源采購周期,氚氣源長期采購存在困難,隨著標(biāo)定工作的日?;?biāo)準(zhǔn)化,結(jié)合系統(tǒng)特點,在針對氚監(jiān)測設(shè)備的日常標(biāo)定工作中,尋求替換方案,該替換方案可為公司節(jié)約采購氚氣源的經(jīng)濟(jì)成本和人力成本。

        (1)研發(fā)專利,研發(fā)放射源替代方案

        針對電離室部分的標(biāo)定刻度工作,選擇β射線能量與氚的β射線接近的同一類型β放射性固體源137Cs源,利用氚監(jiān)測設(shè)備自帶的γ放射性補償特性,可以補償137Cs源的γ放射性對電離室產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。選擇3個不同活度等級β放射性固體源137Cs源,作為電離室部分標(biāo)定刻度工作使用的固體放射源。實際工作期間,因現(xiàn)場現(xiàn)有的β放射性固體源137Cs源活度不具備要求的等級跨度,使用將放射源疊加,產(chǎn)生不同的活度等級A1、A2、A3。

        在測氚設(shè)備整體功能正常的情況下(即使用氚氣源驗證系統(tǒng)功能合格時),將選擇的固定放射源置于每一個電離室頂部的幾何中心位置(電離室頂部的圓圈區(qū)域),分別記錄下設(shè)備此時的響應(yīng)數(shù)據(jù),將該數(shù)據(jù)作為標(biāo)定的原始數(shù)據(jù)。以此數(shù)據(jù)作為驗證電離室單元功能的理論標(biāo)準(zhǔn),電離室部分標(biāo)定參數(shù)如表1所示,根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)的線性度來進(jìn)行整體調(diào)節(jié),確保各個量程的響應(yīng)數(shù)據(jù)均可滿足誤差范圍。

        表1 電離室部分標(biāo)定參數(shù)表

        注:1.根據(jù)放射源活度衰變公式,C=A×e-λt;

        2.根據(jù)電離室對相同放射源響應(yīng)參數(shù),D=K×B×e-λt,其中,K是縮放參數(shù),由A1、A2、A3、B1、B2、B3算出;

        3.誤差F=(E-D)/D×100%

        (2)開發(fā)專用工具

        針對信號放大部分的標(biāo)定,主要通過開發(fā)專用工具對其進(jìn)行信號傳遞刻度,保證信號放大部分的功能正常??紤]到電離室對電流信號的靈敏性和響應(yīng)周期要求極高,電流信號的跨量級跳變會導(dǎo)致電離室出現(xiàn)故障風(fēng)險,為降低人因風(fēng)險,設(shè)計的專用工具增加自動化控制模塊,使該工作實現(xiàn)自動化,來完成信號放大部分的標(biāo)定工作,以降低人員不合格操作導(dǎo)致設(shè)備故障的風(fēng)險,設(shè)計如圖3所示。

        此專用工具配套將電離室的陽極柱引出,通過高性能專用屏蔽接頭連接,專用工具(該項目中使用的專用工具需按照國標(biāo)要求,定期送往計量院進(jìn)行檢定刻度,從而保證標(biāo)定工作的溯源性),穩(wěn)定輸出的電流信號(fA級),輸出電流的具體數(shù)值如表2所示。

        經(jīng)過放大回路的整合后,通過測量放大回路的輸出信號來標(biāo)定信號放大回路的功能??紤]電離室在微小電流(fA級~nA級)工作狀態(tài)時的穩(wěn)定特性,對于該專用工具擁有更高的技術(shù)要求,該放大回路的輸入電流信號盡可能不跨量級跳變,為此,在專用工具中,利用Labview軟件,制作電流輸出的控制模塊,使放大回路輸入電流信號自動化控制,輸出信號按用戶要求逐級變化。同時,考慮到用戶的多元化以及功能的全面性,將軟件制作成用戶可操作界面,使該專用工具擁有更廣闊的使用空間,供其他用戶使用。

        2.2 研發(fā)軟著,解決系統(tǒng)顯示模塊冗余

        2.2.1 系統(tǒng)痛點:系統(tǒng)無顯示模塊設(shè)計,難于滿足大眾用戶需求

        作為CANDU機組在線監(jiān)測空氣中氚水平的系統(tǒng),在項目初期設(shè)計中,未對項目的顯示終端進(jìn)行規(guī)劃。導(dǎo)致用戶只能通過PI系統(tǒng)查看目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù),見圖4;如果用戶(包括大量的承包商用戶)想自主關(guān)注工作區(qū)域的氚水平,需要用戶具備一定的操作PI系統(tǒng)軟件的技能,同時,還需要用戶自己查詢目標(biāo)區(qū)域的AI信息,但對于電廠的多數(shù)用戶(包括大量的承包商用戶),技能要求過高,難于實現(xiàn)。項目在顯示模塊的模糊設(shè)計存在一定的缺憾,系統(tǒng)最大的功能無法直觀展示給需求用戶,成為該項目的一大痛點。

        圖3 專用工具設(shè)計圖

        PotentiometerBench Source Output(Femto Amps)Vout/mVDisplay Reading/(MBq/m3)Range Lights Status123R2forRange 10.01×10-127.692 3±25%0.284 61±25%ONOFFOFF0.06×10-1246.154±10%1.707 69±10%ONOFFOFF0.35×10-12269.23±10%9.961 53±10%ONOFFOFF0.85×10-12653.85±10%24.192 3±10%ONOFFOFFR4forRange 23.50×10-1226.923±10%99.615 3±10%OFFONOFF18.5×10-1265.385±10%241.923±10%OFFONOFF3.5×10-11269.23±10%996.153±10%OFFONOFF8.5×10-11653.85±10%2 419.23±10%OFFONOFFR6forRange 33.5×10-1026.923±10%9 961.53±10%OFFOFFON8.5×10-1065.385±10%24 192.3±10%OFFOFFON3.5×10-9269.23±10%99 615.3±10%OFFOFFON8.5×10-9653.85±10%241 923.1±10%OFFOFFON

        圖4 氚監(jiān)測系統(tǒng)PI數(shù)據(jù)界面

        2.2.2 解決方案

        對于電站不同崗位的員工及承包商單位員工來說,使用起來存在不便,根據(jù)與不同部門員工進(jìn)行的溝通反饋,PI系統(tǒng)曲線顯示的數(shù)據(jù)過于專業(yè),導(dǎo)致大多數(shù)人不懂如何利用該系統(tǒng)的數(shù)據(jù),導(dǎo)致該系統(tǒng)的功能無法高效展示。作為系統(tǒng)設(shè)計痛點,結(jié)合各層級用戶的需求,在統(tǒng)計大量的用戶需求后,對癥下藥,自主研發(fā)制作了兩種新的顯示終端,數(shù)字化氚監(jiān)測系統(tǒng)顯示終端和可視化氚監(jiān)測系統(tǒng)顯示終端,并用于現(xiàn)場生產(chǎn):

        1) 為了盡可能滿足現(xiàn)場工作者(包括大量的承包商員工)的需要,即讓用戶進(jìn)入目標(biāo)房間或區(qū)域前,清晰了解目標(biāo)房間或區(qū)域的氚水平,研發(fā)制作了數(shù)字化顯示終端,并將其映射到輻射控制區(qū)的邊界,使進(jìn)入輻射控制區(qū)的工作人員清晰直觀看到真實數(shù)據(jù)。數(shù)字化氚監(jiān)測系統(tǒng)顯示終端如圖5所示。

        數(shù)字化顯示終端從PI系統(tǒng)實時抓取實時數(shù)據(jù),通過信號電纜直接將信號傳輸?shù)斤@示終端,同時通過編寫的顯示軟件,將每臺機組所有的氚水平數(shù)據(jù)實時顯示在輻射控制區(qū)的邊界,工作人員在進(jìn)入目標(biāo)房間或區(qū)域前,通常會自覺查看該房間的氚水平數(shù)據(jù),若該數(shù)據(jù)異常時,通常會咨詢輻射防護(hù)人員,了解現(xiàn)場情況。

        2) 針對運行決策部門用戶來說,該類用戶不僅需要實時清晰了解現(xiàn)場的氚水平,而且出現(xiàn)氚水平異常的情況下,他們需要盡可能快速弄清氚水平異常的根本原因,例如,快速判斷氚水平異常的區(qū)域及周邊區(qū)域(包括水平及縱深方向)是否存在工作組?若存在,應(yīng)第一時間通知相關(guān)區(qū)域的工作組成員及時撤離相關(guān)區(qū)域;快速定位氚水平異常的區(qū)域有哪些系統(tǒng)設(shè)備存在破口泄漏的風(fēng)險、泄漏量屬于什么程度等等。對于運行決策部門用戶,在時效性上做出了更高的需求,同時,針對泄漏房間或區(qū)域存在潛在泄漏風(fēng)險的設(shè)備,也作為同樣重要的因素,只有在各方面信息迅速呈現(xiàn)至該類用戶面前,才能做出最正確的決策,減少經(jīng)濟(jì)損失的同時,還能盡最大程度保護(hù)核安全及人員安全。為此研發(fā)制作了可視化氚監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。

        該顯示系統(tǒng)已收集了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù),主要包括現(xiàn)場房間布置、房間設(shè)備布置、涉重水系統(tǒng)設(shè)備布置、房間報警閾值、高風(fēng)險操作區(qū)域布置等,利用大數(shù)據(jù),將反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的所有房間或區(qū)域以三維立體的成果展示在用戶面前。該系統(tǒng)整體采用C/S客戶端和服務(wù)器端框架,服務(wù)器端負(fù)責(zé)提供顯示數(shù)據(jù),客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示和操作的響應(yīng)。該前端界面采用Vue-Electron 1.0.6顯示框架和VUE 2.3.3組件框架,后臺采用C++數(shù)據(jù)服務(wù)器。后端服務(wù)器采用VC++6.0為編輯器,采用語言為C++,編譯環(huán)境為Windows7X64,運行環(huán)境為Windows7X64,數(shù)據(jù)獲取采用PISDK2016版本接口API程序。服務(wù)器采用Select技術(shù)模型,用于監(jiān)聽外部連接,提供以標(biāo)準(zhǔn)JSON格式的HTTP服務(wù)將數(shù)據(jù)傳遞到前端。前端編輯器為WebStrom,采用語言為JS,編譯環(huán)境為Windows10X64,程序運行環(huán)境為Windows X86和X64系統(tǒng),如圖6所示。前端通過異步http請求獲取環(huán)境數(shù)據(jù),通過VUE組件框架組成標(biāo)準(zhǔn)HTML頁面,由Electron框架提供的瀏覽器內(nèi)核渲染成應(yīng)用界面進(jìn)行展示。該軟件由于采用了Vue-Electron框架,具有良好的可移植性,可通過不同平臺編譯形成Mac、Windows、Linux、Web上的應(yīng)用。

        圖5 數(shù)字化氚監(jiān)測系統(tǒng)顯示終端

        圖6 可視化氚監(jiān)測系統(tǒng)顯示終端編程器

        正常運行期間,系統(tǒng)軟件實時從PI系統(tǒng)抓取氚水平數(shù)據(jù),直接呈現(xiàn)給該類用戶,如圖7所示。當(dāng)某房間或區(qū)域的氚水平超過報警閾值,該系統(tǒng)能出現(xiàn)紅色的持續(xù)報警狀態(tài),此時,該類用戶可直接利用反應(yīng)堆呼叫系統(tǒng),第一時間通知對應(yīng)房間或區(qū)域的員工及時從高氚水平現(xiàn)場撤離,返回至安全區(qū)域;然后,通過該軟件,可快速查看該房間存在哪些涉重水系統(tǒng)及設(shè)備,快速分析判斷是否引起其他的關(guān)聯(lián)效應(yīng),準(zhǔn)確快速將反應(yīng)堆置于安全可靠狀態(tài);同時,安排現(xiàn)場人員快速確定準(zhǔn)確漏點、泄漏量,準(zhǔn)確快速決策出最合理化方案,快速安全處理該異常工況。

        圖7 可視化氚監(jiān)測系統(tǒng)顯示終端

        3 結(jié)束語

        CANDU機組目前有3種型號的空氣中的氚監(jiān)測設(shè)備仍在使用,根據(jù)接下來的工作計劃,后續(xù)將陸續(xù)統(tǒng)一成同一型號(B.O.T公司生產(chǎn)的ES-RATM-F型)設(shè)備,便于后續(xù)的運行維護(hù)及成本控制。本文結(jié)合該設(shè)備存在的主要痛點進(jìn)行了討論,同時,針對痛點,對癥下藥,自主開發(fā)研制了配套軟件、開發(fā)專用工器具、制定合理可行的專業(yè)方案,方便各類型的用戶使用,降低設(shè)備痛點在實際應(yīng)用中的影響。作者相信,該系統(tǒng)將長時間穩(wěn)定運行,為CANDU機組的安全穩(wěn)定運行,打造堅實的基礎(chǔ)。

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