梁燕

中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽，314300

0 引言

秦山30WMe機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的工作壓力、溫度為15.2MPa、297℃，承壓邊界內(nèi)涉及設(shè)備、管道、閥門以及連接管道的焊縫等,長期運(yùn)行在高溫、高壓的環(huán)境。在反應(yīng)堆冷卻劑的不斷沖蝕下,有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕或承壓邊界疲勞,進(jìn)而產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致一回路系統(tǒng)冷卻劑的泄漏。安全殼空氣輻射監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測壓力邊界完整性的重要系統(tǒng)，它的可靠性尤為重要，其系統(tǒng)可靠性和監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性必須要得到充分保障[1]。秦山30WMe機(jī)組的安全殼輻射監(jiān)測系統(tǒng)在最初設(shè)計中是由控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)通風(fēng)輻射監(jiān)測系統(tǒng)（R27系統(tǒng)）和安全殼空氣輻射監(jiān)測系統(tǒng)（R02系統(tǒng)）共同組成的，它們通過對氣溶膠微塵、碘131和惰性氣體連續(xù)監(jiān)測的組合來共同實現(xiàn)對一回路壓力邊界泄漏的監(jiān)測和判斷。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 R02系統(tǒng)介紹

R02系統(tǒng)主要監(jiān)測安全殼空氣中微塵（P）、碘（I）、惰性氣體（G）的放射性水平變化，以此來判斷一回路壓力邊界的完整性，并在R02系統(tǒng)的各通道（PIG）放射性指示高高值報警時，執(zhí)行安全殼通風(fēng)隔離。

1.2 R27系統(tǒng)介紹

R27系統(tǒng)屬非安全級系統(tǒng)，于1994年新增。是在功率運(yùn)行期間監(jiān)測反應(yīng)堆頂部的四臺控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)冷卻風(fēng)機(jī)X1-7排風(fēng)口處氣體中的微塵放射性，從而判斷控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)密封圈處的壓力邊界是否發(fā)生冷卻劑泄漏，當(dāng)系統(tǒng)RE-2701和RE-2702兩臺微塵檢測通道數(shù)據(jù)出現(xiàn)高-高信號時，主控室發(fā)出相應(yīng)報警。

2 系統(tǒng)優(yōu)化背景

R02和R27系統(tǒng)曾多次出現(xiàn)A通道、B通道、P通道和I通道數(shù)據(jù)異常波動，P通道數(shù)據(jù)多次異常上升，且每次數(shù)據(jù)持續(xù)時間較短。

在第17燃料循環(huán)內(nèi)I通道更是出現(xiàn)了13次之多的誤報警現(xiàn)象，I通道數(shù)據(jù)異常升高至1.00E+5Bq/m3，持續(xù)時間約2分鐘后，數(shù)據(jù)突降至量程下限0.1Bq/m3，且其余通道數(shù)據(jù)正常。報警期間上充下泄流量、安全殼地坑水位、安全殼溫濕度等參數(shù)均正常，在主汽門試驗期間進(jìn)入反應(yīng)堆廠房巡檢檢查時也未發(fā)現(xiàn)任何可見的壓力邊界泄漏，可以證明R02系統(tǒng)I通道多次的短暫性的高值報警為誤報警。此數(shù)據(jù)已經(jīng)不能為判斷壓力邊界的泄漏提供依據(jù)，監(jiān)測的數(shù)據(jù)無代表性。

3 通道誤報警原因分析

3.1 系統(tǒng)管線設(shè)計分析

R02和R27系統(tǒng)已運(yùn)行20多年，由于歷史原因取樣回路在取樣管線設(shè)計上參照的標(biāo)準(zhǔn)為1S02889-1975（氣載放射性物質(zhì)取樣的一般原則），較現(xiàn)在通用的以美標(biāo)ANSI N13.1-1969為藍(lán)本制定國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2889-2010落后，從取樣的角度，保證排放流進(jìn)入煙囪管道后能混合均勻[2]。取樣管路設(shè)計上存在無法滿足空氣活度監(jiān)測，取樣管道的布置應(yīng)使取樣管道盡可能地短，避免和減少彎頭數(shù)量，并選擇合適的材料，以減少空氣的阻力和放射性物質(zhì)的吸附和沉淀的要求[3]。根據(jù)美標(biāo)ANSI/HPS N13.1-999的規(guī)定，凡是涉及微塵取樣的管道應(yīng)盡可能縮短水平管道段的長度，彎頭的數(shù)量在滿足使用條件下盡可能少,以減少微塵在水平管道段和彎頭的內(nèi)管壁上的沉積損失[4]，提高微塵（氣溶膠）的貫穿率，即在從取樣管嘴到收集器或分析器的轉(zhuǎn)移和傳輸過程中，必須保證所取樣的氣載放射性物質(zhì)的濃度和粒度的變化為最小[5]?，F(xiàn)R02有21個取樣點，加上R27的4個取樣點在安全殼內(nèi)取樣點共有25個之多，這使得取樣管線過長，彎曲部位角度近90度的彎管過多，且部分取樣管內(nèi)徑只有10mm，這樣不能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中對10μm粒子從自由流到收集器或分析器的總傳輸率＞50%這一嚴(yán)格要求，兩個系統(tǒng)的各個取樣點最終要匯合到一路總的取樣管線，由于支路和交匯點較多，造成氣流不穩(wěn)，大直徑的氣溶膠粒子受到重力沉降、布朗擴(kuò)散、氣體湍流等運(yùn)動機(jī)制聯(lián)合作用從氣流中分離出來而沉積在管壁上，將沉積在管壁上，產(chǎn)生的損失通常稱為管道損失[6]。這種沉積物的脫落增大了測量結(jié)果的誤差和不確定性，造成短暫性高值誤報警。

3.2 設(shè)備性能、技術(shù)局限原因分析

R02系統(tǒng)主要采用MGP公司的第一代產(chǎn)品，如今設(shè)備嚴(yán)重老化，不能滿足探測技術(shù)不斷發(fā)展而提出的技術(shù)要求。設(shè)備技術(shù)的局限主要體現(xiàn)在PIG監(jiān)測通道。

3.2.1 P通道

微塵（P）測量通道探測器采用塑料閃爍探測器測量濾紙上總的β輻射水平，由于氣溶膠中天然放射性核素氡釷衰變子體占比很大，而電路中的甄別器為積分式工作方式，這樣使得測量通道在硬件上沒有對氡釷子體的甄別能力，氡釷衰變子體由于環(huán)境變化而發(fā)生濃度變化將導(dǎo)致測量值的變化，大的濃度變化會直接導(dǎo)致異常而引發(fā)報警進(jìn)而發(fā)生安全殼通風(fēng)隔離風(fēng)險。

3.2.2 I通道

在對涉及能譜測量和對一定能量范圍中某種射線給出的總計數(shù)進(jìn)行測量時，為了保證核測儀器的測量精度和穩(wěn)定性，這就要求經(jīng)過長時間后以及環(huán)境條件發(fā)生改變時核測儀器依然能對固定能量射線輸出能譜峰位不變。然而閃爍晶體的發(fā)光效率、光電倍增管的增益、放大器的放大倍數(shù)及探頭工作高壓等都隨溫度而改變，這些因環(huán)境變化而改變的因素都將影響儀器對固定能譜的穩(wěn)定輸出。另外，光電倍數(shù)增管的增益變化等也會導(dǎo)致峰位漂移（具體原因因子分析如圖1）。PIG監(jiān)測回路中NaI通道不帶穩(wěn)峰功能，如果在取樣氣體中含有γ射線能量在364keV附近的其他放射性核素時，會導(dǎo)致測量的計數(shù)來自大于或小于364kev的γ射線，其中反應(yīng)堆中常見的51Cr、125Sb、214Bi、87Kr、135Xe等發(fā)射的γ射線能量都在364keV左右，特別是含有如135Xe這樣的高原子量的核素時，因其在管壁上的吸附力大，易沉積達(dá)一定濃度，更容易使測量能譜漂移進(jìn)而導(dǎo)致測量數(shù)值的異常變化，增大測量結(jié)果的誤差和不確定性。

圖1 PIG誤報原因因子分析圖

4 系統(tǒng)可改造的其他原因分析

在最初設(shè)計時，安全殼空氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，包含了安全殼空氣監(jiān)測和安全殼清洗排風(fēng)監(jiān)測功能，使系統(tǒng)具有多種運(yùn)行狀態(tài)。R27測量氣溶膠活度濃度，R02也包含一個氣溶膠活度濃度測量通道，他們的目的都是測量和判斷一回路冷卻劑的泄漏，由此可見由于最初設(shè)計原因R02和R27在系統(tǒng)功能上有部分重疊。由于I通道的誤報警頻出，容易造成對放射性事故的誤判，給運(yùn)行和維修工作帶來負(fù)擔(dān)，需要長時間地建立運(yùn)行決策，切除PIG至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)鎖開關(guān)，降低了系統(tǒng)可靠性和安全保護(hù)能力。

5 系統(tǒng)具體變更方案

5.1 取樣管線的優(yōu)化

為了解決“管壁損失”以保證樣品具有代表性，新R02系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備取樣管的敷設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參考ISO 2889-2010（核設(shè)施煙囪與管道中的氣載放射性物質(zhì)取樣專對：煙囪與管道）中關(guān)于防止氣溶膠取樣沉積損失的要求，新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，在事故或非正常工作條件下，排放物中的粒子大小的上限值考慮為10μm，粒度分布參數(shù)考慮為AMAD=4.0μm，這樣對重新設(shè)計敷設(shè)的部分取樣管路擴(kuò)大，并使取樣管線的水平長度盡可能短，盡可能地減少彎頭個數(shù)，保證氣溶膠粒子的傳輸率，以減少氣溶膠在取樣管線中的沉積損失，從而期望徹底解決沉積損失即“管壁損失”和這些沉積物脫落引發(fā)的儀表誤報警[7]。

5.2 監(jiān)測設(shè)備更新?lián)Q型

采用 MGP公司先進(jìn)的PIG一體機(jī)PING206S-1E級設(shè)備，抗震I類。一體機(jī)將微塵、碘、惰性氣體探測器，微塵和碘取樣裝置以及相應(yīng)的閥門、流量和壓力儀表等都集中安裝在一個機(jī)架內(nèi)。部分通道使用了成套的集成設(shè)備，更加便于安裝和日常的維修、取樣工作。P通道采用的半導(dǎo)體探測器分辨率高、噪音低，能更好地除去空氣中氡、釷子體對測量結(jié)果的影響；I通道為NaI閃爍體光電倍增管并帶溫度測量的探測器，內(nèi)嵌70Bq Am-241穩(wěn)峰源。它是能譜已知的參考峰，當(dāng)譜儀γ能譜發(fā)生漂移時，首先在漂移后的能譜中找出參考峰，把它校正到參考峰的理論值位置，然后將其他能區(qū)也參照參考峰的校正量按照一定規(guī)律校正。這樣就能夠有效遏制由于樣品沉積使能譜漂移帶來的測量值異常；G通道探測器也是雙硅半導(dǎo)體，工作原理與P通道探測器一樣，唯一的不同是在探測器和取樣容器之間有一個鈦合金薄片，用來密封、隔離取樣容器和探測器，β、γ射線可以正常穿透薄片到達(dá)探測器，但是α卻無法穿透，具有較強(qiáng)的抗擾能力。另外，PIG一體機(jī)的數(shù)值測量范圍較之前覆蓋更加全面。

5.3 優(yōu)化取樣點

新R02系統(tǒng)增加了原R27系統(tǒng)的在X1-7四臺風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處的4個取樣點，并將R02系統(tǒng)原來的21個取樣點優(yōu)化為13個；將原安全殼清洗排風(fēng)風(fēng)機(jī)P1-1四臺風(fēng)機(jī)出口管線上的4個取樣點從原Gβ02系統(tǒng)中獨立出來命名為安全殼清洗排風(fēng)輻射監(jiān)測系統(tǒng)（R28）。新R02系統(tǒng)功能主要有：①投運(yùn)PIG通道連續(xù)監(jiān)測來自安全殼內(nèi)的空氣中氣溶膠、碘和惰性氣體的放射性活度濃度，其中G2高放惰性監(jiān)儀作為G1惰性監(jiān)測儀的備用在G1高報時投運(yùn)；②PI通道一用一備正常運(yùn)行通過取樣回路組合裝置對安全殼空氣中的氣溶膠、碘，氚通道定期投運(yùn)。③當(dāng)接收到安全殼內(nèi)高壓和高輻射信號時，通過事故取樣裝置R02-08對安全殼內(nèi)的氣溶膠、碘和惰性氣體進(jìn)行連續(xù)取樣。R28由原R02惰性氣體探測器更換的RE-28監(jiān)測來自四臺安全殼清洗風(fēng)機(jī)P1-1出口的排氣放射性活度濃度，探測到高放射性和高-高放射性時，輻射監(jiān)測儀在劑量控制室發(fā)出報警信號。

6 總結(jié)

改造后的R02為安全級系統(tǒng)，增加了原R27系統(tǒng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)通風(fēng)輻射監(jiān)測功能，運(yùn)行期間新系統(tǒng)測量通道不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，測量通道各個不同的分部件和各種電子設(shè)備不需要特殊的維護(hù)，廠房環(huán)境滿足對設(shè)備防爆炸物、防化學(xué)試劑、灰塵和顆粒物的有效防護(hù)要求。R28系統(tǒng)為非安全級系統(tǒng)，在安全殼掃氣排風(fēng)時啟動運(yùn)行，新R02和R28系統(tǒng)的功能分工更加明確且相對獨立，優(yōu)化了原R02系統(tǒng)由安全殼空氣PIG監(jiān)測轉(zhuǎn)向清洗排風(fēng)監(jiān)測的轉(zhuǎn)換過程，使R02和R28的系統(tǒng)投運(yùn)和退出操作方便。

現(xiàn)R02系統(tǒng)和R28系統(tǒng)運(yùn)行期間穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)真實穩(wěn)定，徹底消除了變更改造前的高值誤報警缺陷，使得系統(tǒng)在最新燃料循環(huán)中新增缺陷數(shù)量大幅減少，可靠性顯著提高，提高了系統(tǒng)設(shè)備的響應(yīng)速度、靈敏度和可靠性。監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化能夠及時為反應(yīng)堆運(yùn)行及決策人員提供有效的決策依據(jù)，徹底解決了機(jī)組多個燃料循環(huán)以來由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常誤報而面臨的巨大安全隱患，同時使得R02系統(tǒng)和R28系統(tǒng)各自的功能分工更加獨立、明確，大大減輕了運(yùn)行和維護(hù)的壓力。