核電站PING監測系統

張杰

【摘 要】根據國家戰略需要，近年來核電產業在我國迅猛發展，同時核電的安全性也隨著提升到重要的高度。PING監測儀用于監測核電站反應堆廠房一回路泄漏的輻射劑量并向主控室提供報警信息，供操作人員按照相關章程采取相應措施，是核電站不可缺少的重要設備。

【關鍵詞】核電站；PING監測儀；取樣氣體

1 綜述

壓水堆核電站一回路由反應堆、蒸汽發生器、反應堆冷卻劑泵、穩壓器等設備以及連接管路組成，如果一回路壓力邊界完整性被破壞了，就會引起反應堆冷卻劑異常泄漏。不但影響核電站的正常運行和安全同時還造成對周圍環境的污染。因此對壓力邊界泄漏的監測十分重要。通過對反應堆廠房內空氣中氣溶膠顆粒（Particulate）、碘131（Iodine131）和惰性氣體（Noble gas）放射性的測量來判斷一回路壓力邊界是否發生泄漏，可實現上述功能的儀器稱為PING監測儀，是核電站重要設備。如下圖所示，氣溶膠顆粒、碘131和惰性氣體的測量共用一個取樣點和取樣泵，采樣氣體依次經過氣溶膠顆粒、碘131和惰性氣體測量單元。因為在同一點取的樣品，、通過對三個監測單元的測量結果進行比較，可以更加可靠和準確的判斷泄漏率。

2 氣溶膠顆粒監測

反應堆運行時會產生裂變產物和腐蝕活化產物，當壓力邊界破損造成裂變產物和腐蝕活化產物以微小固體顆粒或液體粒子的形式懸浮在空氣中，我們將之稱為氣溶膠顆粒（顆粒直徑范圍在10-3和103μm）。氣溶膠顆粒監測單元可連續監測微塵α/β的體積活度（測量范圍α為10-3-5x104Bq/m3；β為1-106Bq/m3），組成包括：取樣管路、取樣容器、過濾紙盒、探測器、氣體質量流量計、壓力開關就地處理單元、就地顯示單元、供電單元、隔離閥和旁路隔離閥、旁路去塵過濾器和真空泵。互為備用的兩臺氣體取樣泵抽取安全殼內的空氣，取樣氣體首先經過取樣容器，取樣容器是一個不銹鋼的部件，特殊的曲線形狀可使放射性氣溶膠顆粒盡可能的不損耗粘在壁上同時均勻的分布在濾紙上，隨著時間的增長，顆粒逐漸收集沉積在過濾紙上。一對硅探測器【第一個探測器用于測量α-β-γ輻射，第二個探測器只用于測量γ（微塵和環境本底）】及前置放大器置于鉛室內，其正對著過濾紙上收集的氣溶膠，探測氣溶膠的α和β放射性。探測器的輸出脈沖計數率與過濾紙上的α和β放射性成正比，脈沖幅度與測量的α和β射線能量成正比。探測器輸出信號至就地處理單元，經處理和計算后將測量結果在就地顯示并送主控制室計算機系統。測量結果與流量、脈沖計數率、測量時間、探測效率和濾紙的過濾效率有關。

過濾紙走紙有就地處理單元控制，濾紙長度大約10m，每次走紙長度約50mm，因此一卷濾紙大約可走紙200次，正常情況下一卷紙可用2個月時間，走紙是勻速的。導致走紙的原因：

正常走紙：周期性走紙（可設置，一般為168h）；

升降器抬起后

手動驅動走紙

非正常走紙：ΔP（ΔP 為濾紙上、下的氣壓差）過高（阻塞濾紙即濾紙上灰塵太多）

ΔP過低（濾紙破了或已走完）

流量過高或過低（通常是取樣空氣流量計的問題）

Cps計數率過高（通常是探頭被粘污）

3 碘131監測

碘131監測系統包括：探測器、活性碳盒、鉛屏蔽外罩、氣體質量流量計、壓力開關就地處理單元、就地顯示單元、供電單元、隔離閥和旁路隔離閥。活性碳盒可以有效地從取樣空氣中把元素碘收集下來，只要不超過活性炭對碘的吸附容量。所謂吸附容量是指活性炭采集碘時，當達到這個容量時，活性炭就失去了進一步采集碘的能力。NaI閃爍探測器對著碳盒，外面罩有5cm厚鉛屏蔽，可確保了4π的保護以避免環境的γ本底影響。NaI閃爍探測器探測活性炭濾筒上沉積物的總γ放射性，測量范圍為3.7-3.7x106Bq/m3，241。碳盒和探測器之間很近的距離可使探測效率最優化并且避免任何的效率損失。Am源嵌于NaI閃爍體中與溫度探頭一起使能量譜穩定并對溫度變化造成的潛在的漂移/損失進行補償，溫度探頭安裝在距閃爍體很近的地方，探測器輸出脈沖和溫度信號由測量單元處理、計算。測量單元由電荷前置放大器、主放大器、多道脈沖幅度分析器和單道脈沖幅度分析器等組成。它們將探測器輸出的γ脈沖放大、分類和成形，僅由I131產生的γ脈沖才被數字式率表記錄。數字式率表配有專用的線性回歸軟件。數字式率表上顯示出相應于取樣點的實時放射性，而不是過濾器上沉積物的放射性。

4 惰性氣體監測

U235核裂變產生裂變氣體，根據安全殼內空氣中取樣氣體流動時間和惰性氣體的半衰期選擇氙和氪作為連續監測的對象，連續在線監測其β放射性，測量范圍為104-1010Bq/m3。系統包括：探測器、活性碳盒、鉛屏蔽外罩、氣體質量流量計、壓力開關就地處理單元、就地顯示單元、供電單元、隔離閥和旁路隔離閥。系統取樣點與氣溶膠顆粒測量和碘131測量共用。取樣容器為不銹鋼材質，體積為300cm3。進氣口和出氣口位置交錯，以使取樣氣體在容器內更好的混合便于監測。為了盡可能減少干擾，取樣氣體在被探測前還要再經過一次過濾。過濾后的含有惰性氣體的取樣空氣由差分電離室（即補償電離室）探測惰性氣體的β放射性。差分電離室外面罩有5cm厚鉛屏蔽以避免外界的影響，其與取樣容器之間隔著一層鈦膜，起到密封隔離作用。差分電離室由兩個電離室組成，其中的主電離室對β射線和γ射線都靈敏。主電離室加正高壓，取樣氣體流經主電離室，由主電離室探測取樣氣體的放射性，其輸出電流為Iβ+Iγ；補償電離室是密封式的，加負高壓，它只對γ射線靈敏，它的輸出電流為-Iγ。Iγ主要是環境本底形成的。兩個電離室有同一個收集電極，所以差分電離室輸出電流為Iβ+Iγ-Iγ=Iβ。差分電離室輸出的電流信號傳送到測量單元，測量單元將電流信號轉換成電壓脈沖信號，電壓脈沖經過放大、整形后傳送到信號處理單元。

5 結束語

福島核事故后，能否處理好核電安全問題，是核電產業未來能否繼續發展的關鍵問題。PING監測儀作為涉及到核電站安全的設備，是核電站保護系統的重要一環。由于國外設備對領域的壟斷，對國內采購價格、使用運行和備件的提供都十分不便，因此國產PING監測儀的研究與開發工作迫在眉睫。

【參考文獻】

[1]凌球，郭蘭英，等.核電站輻射測量技術[M].北京：原子能出版社，1998：57-71.

[責任編輯：張濤]