謝衛(wèi)平

（江蘇核電有限公司，連云港222000）

燃料元件包殼是核電站安全設(shè)計(jì)中對(duì)放射性物質(zhì)包容的第一道屏障，它主要用于包覆核燃料芯體、容納裂變產(chǎn)物、給核燃料芯塊提供適當(dāng)?shù)膭偠群蛷?qiáng)度，以防止冷卻劑對(duì)燃料的腐蝕和裂變產(chǎn)物進(jìn)入一回路冷卻劑中。如果燃料元件包殼破損，就會(huì)有裂變產(chǎn)物泄漏到一回路冷卻劑中，同時(shí)冷卻劑的放射性水平就會(huì)升高，將會(huì)影響到主回路設(shè)備和電站工作人員的安全，在壓水堆核電站設(shè)計(jì)中規(guī)定了正常情況下燃料元件包殼破損率的允許值[1-3]。

一回路放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是核電站工藝輻射監(jiān)測(cè)的重要組成部分，它通過非接觸式的測(cè)量方式對(duì)一回路冷卻劑放射性體積活度進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)值作為堆芯燃料元件包殼是否破損的重要參數(shù)。當(dāng)被測(cè)活度值超過允許值時(shí)，儀表將觸發(fā)相關(guān)信號(hào)并送到機(jī)組主控室[4-9]，由機(jī)組操縱員進(jìn)行人為干預(yù)，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 一回路放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

一回路冷卻劑γ 放射性水平在線連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成原理如圖1所示。為了降低儀表測(cè)量本底，測(cè)量系統(tǒng)不僅設(shè)置了準(zhǔn)直器（鉛材料），而且整個(gè)探頭（NaI（Tl）閃爍探頭）[10]也安放在10 cm 厚的鉛屏蔽室內(nèi)。探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過二次（放大、成行、甄別、單道脈沖幅度甄別）處理后送至就地處理單元進(jìn)行記錄和顯示，并且同步送至計(jì)算機(jī)房由中央處理器的專門軟件進(jìn)行處理，當(dāng)測(cè)量結(jié)果超過報(bào)警閾值時(shí)由報(bào)警系統(tǒng)給出聲光報(bào)警[11-13]。

圖1 一回路冷卻劑γ 放射性在線連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of composition of online continuous measurement system of coolant γ radioactivity in one circuit

1.2 運(yùn)行現(xiàn)狀分析

以某核電站一回路放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況為例進(jìn)行介紹。該核電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為：取樣介質(zhì)依靠系統(tǒng)壓差進(jìn)行取樣，探測(cè)裝置采取非接觸式的安裝模式，并在一回路取樣管線上并行設(shè)置3 套互為冗余的探測(cè)裝置對(duì)取樣管線內(nèi)γ 放射性進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 某核電站一回路放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of site design of a nuclear power plant one-loop radioactivity monitoring system

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行期間常見的超閾值報(bào)警原因有三種，分別為：一回路介質(zhì)輻射水平真實(shí)升高、輻射水平較高的熱粒子短時(shí)間通過取樣管線、取樣管線放射性產(chǎn)物沉積。3 種報(bào)警原因的判斷方法主要是借助于電站水化學(xué)取樣分析數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)超閾值報(bào)警原因判斷方法Tab.1 Monitoring system over-threshold alarm cause judgment method

根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，因?yàn)槿庸芫€放射性產(chǎn)物沉積導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)超閾值報(bào)警次數(shù)占20%左右。該類型報(bào)警不能如實(shí)反映一回路冷卻劑放射性體積活度，影響對(duì)燃料元件包殼完整性判斷，因此需要采取措施消除取樣管線內(nèi)放射性產(chǎn)物的沉積，以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 解決方案及實(shí)施效果評(píng)價(jià)

由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)示意圖（圖2）可知，該核電站一回路放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的取樣管線成U 型布置，U 型管線底部與介質(zhì)的出口管線頂端有較大的高度差。在機(jī)組功率運(yùn)行期間，取樣管線內(nèi)壁和相關(guān)設(shè)備會(huì)沉積一定量的放射性產(chǎn)物，尤其是在機(jī)組停運(yùn)時(shí)，由于系統(tǒng)壓差基本消失，取樣流量、流速等大大降低，沉積在取樣系統(tǒng)設(shè)備和管線內(nèi)壁的放射性產(chǎn)物在設(shè)備運(yùn)行操作等情況進(jìn)入到下游管線，且容易轉(zhuǎn)移至U 型取樣管底部區(qū)域，而該區(qū)域正好是一回路放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)裝置的設(shè)置區(qū)域。為了解決取樣管線內(nèi)放射性產(chǎn)物沉積[14-15]導(dǎo)致一回路放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)值上漲或者超閾值報(bào)警的問題，重點(diǎn)考慮從系統(tǒng)沖洗、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化和取樣管線布置設(shè)計(jì)優(yōu)化3 個(gè)方面來解決。

2.1 系統(tǒng)沖洗方案及實(shí)施效果

在出現(xiàn)因?yàn)槿庸芫€放射性產(chǎn)物沉積導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)值上升或者出現(xiàn)超閾值報(bào)警時(shí)，通過將取樣管線的根閥及相關(guān)閥門打開并調(diào)節(jié)到最大開度，增加管線中介質(zhì)的流速和流量來進(jìn)行沖洗；或者借助于其它系統(tǒng)或者外接增壓泵對(duì)目標(biāo)管線或者設(shè)備進(jìn)行沖洗；與此同時(shí)，為了提升沖洗效果，還可以在沖洗過程中配合使用橡膠錘輕敲管線。

系統(tǒng)沖洗作為核電站放射性取樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)降低放射性沉積產(chǎn)物的常用手段。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)取樣管線沖洗可以有效地降低取樣管線內(nèi)的放射性沉積產(chǎn)物，沖洗后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重新投運(yùn)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，但經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，取樣管線內(nèi)將再次沉積放射性產(chǎn)物。除此之外，系統(tǒng)管線在沖洗時(shí)，往往需要經(jīng)過多次反復(fù)沖洗才能達(dá)到預(yù)期的效果。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案及實(shí)施效果

在系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，先將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出口閥關(guān)閉，并在一段時(shí)間后關(guān)閉進(jìn)口閥，由于取樣隔離管道內(nèi)殘存一定的壓力，因此需要進(jìn)行泄壓操作。而在進(jìn)行泄壓操作時(shí)可能會(huì)使沉積在上游管線內(nèi)的一回路放射性產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到取樣管線U 型底部（監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置位置），從而造成監(jiān)測(cè)裝置數(shù)值升高或者超闕值報(bào)警。因此，可考慮通過改變閥門的操作順序來避免上游取樣管線或者設(shè)備內(nèi)的放射性沉積產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至U 型底部。即在系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，首先將一回路取樣進(jìn)口閥關(guān)閉，并沿著取樣管道介質(zhì)流向依次逐個(gè)關(guān)閉后續(xù)閥門。

通過改變閥門的操作順序后，可以有效避免取樣管道殘存壓力泄壓時(shí)造成上游沉積的放射性產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至U 型底部的可能性，避免系統(tǒng)在重新投運(yùn)時(shí)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上升/超閾值報(bào)警。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過改變閥門的操作順序仍然無法消除日常運(yùn)行期間已經(jīng)沉積在U 型底部的放射性產(chǎn)物，且無法避免放射性產(chǎn)物沉積。

2.3 系統(tǒng)取樣管線布置優(yōu)化方案及實(shí)施效果

通過小范圍優(yōu)化改進(jìn)取樣管道的走向和布置，將容易造成放射性產(chǎn)物沉積的U 型取樣管線優(yōu)化為一定傾斜度的管線。同時(shí)，為了確保優(yōu)化前后短半衰期核素測(cè)量的精度不發(fā)生變化，需要確保優(yōu)化前后取樣管線的長(zhǎng)度保持一致。取樣管線優(yōu)化布置示意圖如圖3所示。

圖3 某核電站一回路放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取樣管線優(yōu)化示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimization of sampling line of first-loop radioactivity monitoring system of a nuclear power plant

從圖3 可以看出，該設(shè)計(jì)方案優(yōu)化了取樣介質(zhì)的走向，取樣管線底部與取樣管線出口已不存在上升的高度差，從設(shè)計(jì)原理上降低了放射性產(chǎn)物沉積的可能性，保證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)堆芯燃料元件包殼完整性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效性。通過該優(yōu)化方案的實(shí)施，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有再次出現(xiàn)因?yàn)槿庸芫€內(nèi)放射性產(chǎn)物沉積導(dǎo)致超閾值報(bào)警的情況，從根本上避免了放射性產(chǎn)物在取樣管道內(nèi)的大量沉積。

2.4 優(yōu)化方案對(duì)比分析

系統(tǒng)沖洗方案具有操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于核電站管線、測(cè)量腔室沉積放射性產(chǎn)物的消除，也可用于降低相關(guān)區(qū)域輻射水平而對(duì)附近高劑量率相關(guān)設(shè)備管線的沖洗。但系統(tǒng)沖洗也具有明顯的缺點(diǎn)，就是沖洗只能消除已沉積的放射性產(chǎn)物，不能預(yù)防放射性產(chǎn)物的沉積。系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案的使用具有較大的局限性，其一般只用于避免系統(tǒng)隔離后放射性沉積產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移，且該方案依然不能預(yù)防放射性產(chǎn)物的沉積。系統(tǒng)取樣管線布置優(yōu)化方案通過對(duì)相關(guān)管線、設(shè)備的合理布局，可從設(shè)計(jì)上避免放射性產(chǎn)物的沉積，該方案實(shí)施后可以達(dá)到一勞永逸的效果，最具有推廣價(jià)值。

3 系統(tǒng)取樣管線布置優(yōu)化主要性能測(cè)試

3.1 系統(tǒng)壓力測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求，需要在系統(tǒng)壓力24.5 MPa時(shí)，關(guān)閉取樣系統(tǒng)的進(jìn)出口閥，檢測(cè)取樣系統(tǒng)的密封線，具體情況如表2所示。

表2 取樣系統(tǒng)壓力試驗(yàn)Tab.2 Sampling system pressure test

從表2 可以看出，優(yōu)化后的取樣系統(tǒng)密封性滿足要求。

3.2 監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試

對(duì)取樣管線優(yōu)化后監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)與一回路化學(xué)取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量值與一回路化學(xué)取樣分析值較為接近，相應(yīng)的數(shù)值處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。數(shù)據(jù)存在一定偏差是因?yàn)槎邇x表測(cè)量的幾何條件不同導(dǎo)致儀表的效率特性存在差異，以及兩種儀表的可探測(cè)能量范圍也存在差異。

4 結(jié)語

為了消除放射性產(chǎn)物沉積對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的影響，本文介紹了3 種優(yōu)化方案，并對(duì)相應(yīng)方案的實(shí)施效果進(jìn)行了驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。根據(jù)實(shí)施效果可知，系統(tǒng)沖洗和系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案無法從根本上避免放射性產(chǎn)物在取樣管道內(nèi)的沉積，而系統(tǒng)取樣管線布置優(yōu)化方案實(shí)施后的各項(xiàng)性能測(cè)試滿足要求且能從根本上避免放射性產(chǎn)物在取樣管道內(nèi)的沉積，其設(shè)計(jì)方案可供同類型或者其它用途的取樣管線在避免物項(xiàng)沉積的設(shè)計(jì)時(shí)提供借鑒和參考。