吳榮俊，賈靖軒，朱國華，許靜靜，程 翀，王益元

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205)

0 引 言

目前我國正在大力發(fā)展海上浮動堆技術，該技術是海洋工程與核能工程相結合的應用，以海上平臺搭載小型核電站的形式，可對外持續(xù)提供電力能源保障，有效解決海洋資源開發(fā)、島礁建設等所需的能源需求。與陸上核電站相同，海上浮動堆在運行過程中會產(chǎn)生大量放射性物質，為此需設置多道屏障對其進行防護。為實時監(jiān)測屏障的完整性和有效性以及保證人員的安全，設置了輻射監(jiān)測系統(tǒng)。通過對浮動堆某些工藝過程和設備、工作區(qū)域、排出流的輻射監(jiān)測，從輻射水平高低來判斷設備是否有效和正常運行，區(qū)域輻射環(huán)境是否安全，防止任何超劑量事故的發(fā)生[1]。

目前我國的海上浮動堆項目正處于研發(fā)階段，還未形成相關的標準體系，其輻射監(jiān)測系統(tǒng)主要在參考現(xiàn)有核電標準（HAD102，GB18871，EJ/T1180 等）和核動力艦船相關標準（GJB843.5，GJB843.6 等）的基礎上，結合浮動堆的特殊要求和設計特點進行設計。海上浮動堆相較于陸上核電站，因其工藝系統(tǒng)布置結構緊湊、內部空間狹小、海洋環(huán)境條件惡劣等特點，對輻射監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、集成化、環(huán)境適應性等提出了更高的要求。

1 系統(tǒng)功能及組成設計

本研究針對分散式小功率壓水堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)進行設計。輻射監(jiān)測系統(tǒng)用于海上浮動堆正常運行、換料、維修和事故工況期間的輻射監(jiān)測，為控制相關系統(tǒng)及各區(qū)域的輻射水平提供依據(jù)，為人員輻射安全、核動力裝置運行安全、周邊環(huán)境輻射安全提供一定保障。

海上浮動堆共搭載2 座反應堆，分別布置在船中位置的2 個安全殼內，2 個安全殼則布置在堆艙內，安全殼與堆艙、堆艙與相鄰艙室之間均設計一定壓差，如此形成多道安全屏障。每個反應堆的一回路包括2 個環(huán)路，分別配置2 臺蒸汽發(fā)生器，一回路相關的主管道、主泵、穩(wěn)壓器、離子交換器等均布置在安全殼內，在堆艙內2 個安全殼后方設計有乏燃料貯存池，通過堆艙頂部的換料機構，可實現(xiàn)反應堆海上換料。

為達到系統(tǒng)功能集成的目的，在海上浮動堆設計中，與陸上核電站相比，將控制區(qū)出入輻射監(jiān)測和個人劑量監(jiān)測管理納入輻射監(jiān)測系統(tǒng)中，將放射性廢物處理過程輻射監(jiān)測納入工藝輻射監(jiān)測中，即將海上浮動堆中所有輻射監(jiān)測功能均集成在輻射監(jiān)測系統(tǒng)中。該輻射監(jiān)測系統(tǒng)包括：工藝輻射監(jiān)測系統(tǒng)、區(qū)域輻射監(jiān)測系統(tǒng)、流出物輻射監(jiān)測系統(tǒng)、控制區(qū)出入輻射監(jiān)測系統(tǒng)和個人劑量監(jiān)測管理系統(tǒng)等。此外，還需配置放射性分析實驗室和便攜式儀表，作為固定式在線監(jiān)測儀表的補充，本文主要探討固定式輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設計。

海上浮動堆的輻射監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速、靈敏、可靠地反映整個浮動堆輻射情況的變化，預示早期的輻射事故狀態(tài)，監(jiān)測事故后的輻射水平，提供采取輻射防護措施的依據(jù)。通過對各種能直接評價輻射安全性能的輻射量的實時監(jiān)測，當超過預定限值時給出報警信號，對報警原因進行分析和判斷，并存儲監(jiān)測到的有關數(shù)據(jù)，為事故處理、追查事故原因、評價事故影響提供依據(jù)。

1.1 工藝輻射監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于連續(xù)監(jiān)測核動力裝置各放射性屏障下游側介質的輻射水平及其變化情況，顯示并儲存監(jiān)測結果，當測量結果超過預定限值時能發(fā)出報警信號，并將報警信號送到相關系統(tǒng)，為評價核動力裝置的安全運行狀態(tài)提供一定依據(jù)。該系統(tǒng)下設5 個監(jiān)測子系統(tǒng)，分別包括：燃料元件破損監(jiān)測系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器泄漏監(jiān)測系統(tǒng)、設備冷卻水污染監(jiān)測系統(tǒng)、余熱排出冷卻器泄漏監(jiān)測系統(tǒng)、放射性廢物處理工藝監(jiān)測系統(tǒng)。

燃料元件破損監(jiān)測采用離線連續(xù)取樣監(jiān)測方式，通過取樣管路系統(tǒng)使一回路冷卻劑連續(xù)通過輻射監(jiān)測設備，連續(xù)監(jiān)測一回路冷卻劑中的總γ 劑量率以及典型裂變核素放射性濃度，因典型裂變核素只有在燃料元件包殼破損情況下才可能進入一回路冷卻劑，采用該監(jiān)測手段可準確并及時判斷燃料元件包殼是否破損。

蒸汽發(fā)生器泄漏監(jiān)測采用多種監(jiān)測方式，包括：主蒸汽管道外16N 在線監(jiān)測、蒸汽發(fā)生器排污水離線連續(xù)取樣監(jiān)測、主抽氣器排氣管道嵌入式監(jiān)測。主蒸汽管道16N 監(jiān)測采用16N 監(jiān)測設備在主蒸汽管道外進行直接測量，可給出蒸汽發(fā)生發(fā)生器的泄漏率；蒸汽發(fā)生器排污水監(jiān)測采用取樣管路系統(tǒng)使排污水通過輻射監(jiān)測設備，連續(xù)監(jiān)測蒸汽發(fā)生器排污水的總γ 濃度，以判斷蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏情況；主抽氣器排氣監(jiān)測采用將監(jiān)測設備嵌入排氣管道內的測量方式，連續(xù)監(jiān)測主抽氣器排放氣體的放射性濃度，為判斷蒸汽發(fā)生器泄漏提供依據(jù)。

設備冷卻水污染監(jiān)測采用離線連續(xù)取樣監(jiān)測方式，通過取樣管路系統(tǒng)連續(xù)取設備冷卻水并測量其總γ 濃度，以判斷設備冷卻水是否受到放射性污染。

余熱排出冷卻器泄漏監(jiān)測采用離線連續(xù)取樣監(jiān)測方式，通過取樣管路系統(tǒng)連續(xù)取余熱排出冷卻器二次側海水并測量其總γ 濃度，以判斷余熱排出冷卻器是否泄漏。

放射性廢物處理工藝監(jiān)測包括放射性廢氣、廢液處理過程監(jiān)測和放射性固體廢物轉運監(jiān)測。放射性廢氣采用離線取樣監(jiān)測方式，根據(jù)需求通過取樣管路取廢氣測量其活度濃度；放射性廢液處理過程監(jiān)測采用離線連續(xù)取樣監(jiān)測方式，通過取樣管路連續(xù)取放射性廢液并測量其總γ 濃度，為放射性廢液處理系統(tǒng)運行提供依據(jù)；放射性固體廢物轉運監(jiān)測通過在轉運桶周圍設置γ 劑量率監(jiān)測設備，監(jiān)測轉運桶表面劑量率是否滿足轉運條件。

1.2 區(qū)域輻射監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于連續(xù)監(jiān)測浮動堆艙室各區(qū)域中子、γ 輻射強度及空氣中惰性氣體、氣溶膠和碘的濃度及其變化情況，顯示并存儲監(jiān)測結果，當測量結果超過預定限值時能發(fā)出報警信號，并將報警信號送到相關系統(tǒng)，為評價艙室輻射安全、是否需要采取防護措施提供依據(jù)。在核動力裝置事故情況下，對安全殼內的高強度γ 輻射進行連續(xù)監(jiān)測，動態(tài)存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，向運行人員提供安全殼內輻射水平發(fā)展情況的信息，為采取防護措施、事故處理、評價事故的影響提供支撐。

中子輻射場監(jiān)測采用生物等效中子監(jiān)測設備對艙室中子劑量率進行監(jiān)測，測點主要布置在安全殼周圍艙室的壁面，布置時可考慮安全殼內各類水箱的位置，當水箱水位降低時，相應部位的中子劑量率將升高，該監(jiān)測還可兼顧水箱失水監(jiān)測。

γ 輻射場監(jiān)測包括：一般工作區(qū)域γ 劑量率監(jiān)測、主控室γ 劑量率監(jiān)測、安全殼事故后γ 劑量率監(jiān)測、換料中反應堆附近γ 劑量率監(jiān)測、甲板環(huán)境γ 劑量率監(jiān)測、停堆后安全殼內γ 劑量率監(jiān)測。通過采用不同性能的γ 劑量率監(jiān)測設備實現(xiàn)上述監(jiān)測功能。

空氣放射性監(jiān)測包括：安全殼空氣放射性監(jiān)測、主控室空氣放射性監(jiān)測、控制區(qū)空氣放射性監(jiān)測。采用集成式氣載放射性監(jiān)測設備，監(jiān)測設備上集成了氣溶膠、碘、惰性氣體測量功能。安全殼空氣放射性監(jiān)測通過取樣管路從安全殼內空調系統(tǒng)取樣測量，該監(jiān)測還可反映一回路壓力邊界的泄漏情況；主控室空氣放射性監(jiān)測設備布置在主控室進風區(qū)域，監(jiān)測結果用于評估主控室的可拘留性，當超過預定限值時發(fā)出報警并與通風系統(tǒng)聯(lián)動，切換到應急通風；控制區(qū)空氣放射性監(jiān)測通過取樣管路從控制區(qū)的不同部位取樣測量，為人員輻射安全提供保障。

1.3 流出物輻射監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于平臺流出物排放過程中連續(xù)監(jiān)測氣態(tài)流出物和液態(tài)流出物的放射性濃度，當測量結果超過預定限值時能發(fā)出報警信號，并將信號送到放射性廢物處理系統(tǒng)，為控制排放到環(huán)境中的氣態(tài)和液態(tài)流出物總活度提供依據(jù)。

氣態(tài)流出物監(jiān)測包括：普通量程氣溶膠、碘、惰性氣體監(jiān)測以及事故后高量程惰性氣體監(jiān)測。普通量程監(jiān)測采用集成式氣載放射性監(jiān)測設備，通過等速取樣頭及取樣管路系統(tǒng)對煙囪中的空氣進行取樣測量，在事故情況下切換到高量程惰性氣體監(jiān)測設備，對事故后的空氣放射性進行監(jiān)測。另外，還包括3H、14C 的取樣監(jiān)測，取樣裝置并聯(lián)在普通量程氣載放射性監(jiān)測管路中。

液態(tài)流出物監(jiān)測采用離線連續(xù)取樣監(jiān)測方式，在液態(tài)流出物排放過程中，通過取樣管路系統(tǒng)連續(xù)取排放液體并測量其總γ 濃度，當超過預定限值時發(fā)出報警信號并觸發(fā)連鎖動作停止排放。

1.4 控制區(qū)出入輻射監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于人員及攜帶物品出入控制區(qū)、登船離船時的放射性污染及異常監(jiān)測，當超過預定限值時發(fā)出報警信號，并與門禁系統(tǒng)等實現(xiàn)連鎖，防止放射性污染的擴散，防止放射性物品被意外帶出，為人員輻射安全提供保障。同時，本系統(tǒng)還配置了便攜式輻射監(jiān)測儀表，作為固定式監(jiān)測手段的補充，可對艙室中未布置固定式測點的區(qū)域進行測量，檢查固定式測點的測量準確性，對艙室關注區(qū)域的空氣進行采樣等。

出入控制區(qū)監(jiān)測在洗消室控制區(qū)出口處設置門式全身γ 污染監(jiān)測儀（C1 門）、全身表面沾污監(jiān)測儀（C2 門），用于對人體表面污染的測量，設置小物品監(jiān)測儀用于對攜帶物品的測量。

登船離船監(jiān)測在登船離船的路徑上設置通道式行人γ 放射性監(jiān)測設備，監(jiān)測放射性異常情況。

便攜式儀表主要包括：各型便攜式中子、γ 劑量率儀、便攜式空氣取樣器等。

1.5 個人劑量監(jiān)測管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)用于監(jiān)測和評估平臺放射性工作人員的個人受照劑量，為控制個人劑量提供主要依據(jù)，防止超劑量事故的發(fā)生。

個人劑量監(jiān)測管理系統(tǒng)包括：熱釋光劑量計系統(tǒng)和電子式個人劑量監(jiān)測設備。熱釋光劑量計系統(tǒng)屬于監(jiān)督性監(jiān)測，針對監(jiān)督區(qū)及控制區(qū)工作人員全員配置，定期收集監(jiān)測數(shù)據(jù)；電子式個人劑量監(jiān)測設備僅在進入控制區(qū)時佩戴，可記錄每次進入控制區(qū)作業(yè)時的人員受照劑量，在作業(yè)過程中當周圍劑量突然升高時可發(fā)出報警，提醒人員撤離。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構設計

根據(jù)海上浮動堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)功能、組成、測點分布、系統(tǒng)運行維護等要求，結合目前核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設計，采用基于RS485CAN 總線的數(shù)字化輻射監(jiān)測系統(tǒng)設計，主體結構由下層結構和上層結構組成[2]。

下層結構包括布置在現(xiàn)場的各類探測裝置、就地信號處理顯示裝置、接線箱等，如圖1 所示。針對安全級監(jiān)測通道及部分需要就地顯示和報警的非安全級監(jiān)測通道，探測裝置將探測到的電流、脈沖等信號傳輸?shù)骄偷匦盘柼幚盹@示裝置進行數(shù)字化處理，并進行就地顯示、報警及存儲數(shù)據(jù)，同時采用RS485 總線通過接線箱將輻射量信號傳輸?shù)缴蠈拥姆掌?，重要信號還可采用模擬量（輻射量信號）、開關量（報警信號）的形式通過接線箱傳輸?shù)狡渌到y(tǒng)（如DCS 系統(tǒng)）。

圖1 海上浮動堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖Fig.1 Network structure of radiation monitoring system for floating reactor

考慮到海上浮動堆艙內空間狹小，設備布置空間有限，其他非安全級監(jiān)測通道采用集中信號采集處理顯示的方案，選用多道輻射信號處理設備（每臺設備可處理5 路以上監(jiān)測通道的輻射信號），將信號處理設備布置在專門的信號處理機柜中，每臺信號處理機柜可處理幾十道輻射監(jiān)測信號。信號處理機柜直接接收來自現(xiàn)場的探測裝置的電流、脈沖信號，經(jīng)數(shù)字化處理后通過RS485 總線（專門傳輸數(shù)據(jù)量較大的能譜數(shù)據(jù)）或CAN 總線（傳輸數(shù)據(jù)量較小的測量值數(shù)據(jù)）傳輸?shù)椒掌?。必要時，信號處理機柜還可通過模擬量、開關量的形式將信號傳輸?shù)狡渌到y(tǒng)。

上層結構主要包括了服務器以及信號處理機柜，信號處理機柜集中處理、顯示和傳輸大部分非安全級監(jiān)測通道的信號，服務器接收來自所有監(jiān)測通道的輻射量信號，并進行集中顯示、報警、存儲等，服務器通過以太網(wǎng)將輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦ぷ髡竟┻\行人員查詢、打印等，同時也通過以太網(wǎng)與電廠其他系統(tǒng)實現(xiàn)通訊。為確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性，服務器內配置雙冗余RS485CAN 總線、加固冗余容錯計算機系統(tǒng)、信息管理軟件、總線接口設備、網(wǎng)絡接口設備等，一般針對雙堆機組，配置2 臺完全冗余的服務器。

另外，控制區(qū)出入輻射監(jiān)測系統(tǒng)的全身γ 污染監(jiān)測設備（C1 門）、全身表面沾染監(jiān)測設備（C2 門）以及通道式行人放射性監(jiān)測設備本身具備就地顯示測量值并發(fā)出報警信號的功能，其報警信號還可通過以太網(wǎng)傳輸?shù)介T禁系統(tǒng)，當報警時觸發(fā)連鎖動作，禁止通過。以上信號還可通過以太網(wǎng)傳輸?shù)捷椛浔O(jiān)測系統(tǒng)的服務器進行統(tǒng)一存儲管理。

3 設備選型

依據(jù)海上浮動堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)功能及組成，充分考慮設備的小型化、集成化需求，結合陸上核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)設備選型經(jīng)驗，對海上浮動堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)設備進行選型，具體見表1。

表1 海上浮動堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)設備選型Tab.1 Selection of equipment for radiation monitoring systems for floating reactors

續(xù)表1

4 結 語

本文針對海上浮動堆的特點，進行了系統(tǒng)功能及組成設計、網(wǎng)絡結構設計以及設備選型，該系統(tǒng)與目前陸上主流核電廠輻射監(jiān)測系統(tǒng)相比，實現(xiàn)了小型化、集成化設計。

1）在安全級監(jiān)測通道及重要的非安全級監(jiān)測通道設計中，借鑒陸上核電系統(tǒng)設計經(jīng)驗，采用就地信號處理顯示報警方案，并將重要信號通過硬接線送到相關系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的核安全性能。

2）在非安全級監(jiān)測通道設計中，較大限度的采用集中信號處理方案，實現(xiàn)了集成化設計，在大幅降低設備體積的基礎上，還可有效降低運行人員巡檢維護工作量，進而減少運行人員數(shù)量。

3）與陸上核電站相比，將控制區(qū)出入輻射監(jiān)測及個人劑量監(jiān)測管理功能整和進輻射監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)集成設計。

4）與國內主流核電CPR1000 機組輻射監(jiān)測系統(tǒng)相比[3]，減少就地信號處理顯示設備及相應的接線箱約60%（單堆由40 多套降低到16 套），在不降低系統(tǒng)安全性的前提下，簡化了系統(tǒng)配置，降低了運行維護工作量，達到了系統(tǒng)小型化、集成化的要求。

本文提出的小型化集成化的輻射監(jiān)測系統(tǒng)方案，除應用于海上浮動堆外，還可應用于多種移動式核動力裝置或陸上小型核動力裝置。