LBB泄漏監測系統在三代壓水堆核電廠的應用研究

蔣天植　沈峰　楊戴博　王銀麗　黃有駿　袁彬

【摘 要】LBB（Leak-Before-Break）技術是保證核反應堆結構安全和可靠的一種重要分析方法，廣泛應用于三代核電堆型中。該技術降低了核電廠設計、建造及維護的復雜性，提升了核電廠的經濟性。本文對LBB技術在三代核電堆型中的應用情況進行了研究，并對各堆型中基于LBB技術的泄漏監測系統的原理、技術特點及性能指標進行了介紹和分析。最后，對各種探測技術進行了總結。

【關鍵詞】LBB；壓水堆；泄漏監測；三代核電廠

Study on Application of LBB （Leak Before Break） Detection System in Third Generation PWR Nuclear Plant

JIANG Tian-zhi SHEN Feng YANG Dai-bo WANG Yin-li HUANG You-jun YUAN Bin

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China，

Chengdu Sichuan Prov. 610041， China）

【Abstract】LBB （Leak-Before-Break） is an important analysis method for insuring the structure safety and reliability of nuclear reactor， which is widely used in the third generation of PWR. By using LBB technology， the complexity of design， construction and operational of nuclear power plant is reduced， which improves the economic efficiency. This paper investigates the application of LBB technology in the third generation PWR， and gives a description and analysis of the principle， technology characteristic and performance index of the leak detection systems based on LBB technology. Finally， this paper gives a summary of the leak detection systems.

【Key words】LBB；Pressurized water reactor； Leak detection system； Third generation nuclear power plant

0 引言

三代核電總體設計準則要求：對安全重要的結構、系統和部件必須被設計成能夠承受正常運行、預期瞬態和假定事故工況的影響。當分析證明流體系統管道破裂的概率極低時，由于管道破裂引起的動力效應的影響可以不考慮[1]。

LBB（Leak Before Break）簡稱“破前漏”，其主要原理是在管道裂紋擴展到發生突然破裂的臨界裂紋尺寸前，其泄漏量已大到可以監測出來，以提醒操作員進行及時修復，避免突然破裂的發生，從而在設計中可以不考慮管道破裂引起的動力效應的影響。

目前世界上各種三代核電堆型都采用了LBB技術，該技術應用在管道上用來取消管道破裂動力效應的評估，主要包括以下四方面的內容：材料選擇、分析、檢查和泄漏監測。本文主要研究LBB泄漏監測系統在各種三代核電堆型中的應用情況。

1 泄漏監測方法介紹

1.1 泄漏的分類

核電廠的泄漏主要分為三大類，可識別泄漏、不可識別泄漏及系統間泄漏：

（1）可識別泄漏：流入收集系統的泄漏流，例如被收集和測量的從泵密封或者閥填料漏出的泄漏流；從已明確規定其位置并已明確識別的泄漏源進入安全殼內大氣的泄漏，這種泄漏既不妨礙未確定泄漏探測系統的運行，也不是來自反應堆冷卻劑壓力邊界的裂縫。

（2）不可識別泄漏：泄漏位置沒有被發現，或雖已找到泄漏部位但其泄漏率仍是未確定的泄漏。

（3）系統間泄漏：泄漏發生在系統之間。

基于LBB技術的泄漏監測系統主要監測不可識別的泄漏并對其進行定位、定量分析，并產生相應的報警。

1.2 泄漏監測方法對比

各種泄漏監測方法見表1。表1對每種監測技術的泄漏監測靈敏度，泄漏量監測準確性及泄漏定位三個指標進行了分析，表中A代表如果設計合理該方法可廣泛適用，B代表如果設計合理在部分范圍可適用，C代表如果設計合理除了一些特定的泄漏一般不推薦使用。

從表1的對比分析中可知，沒有哪一種方法能夠完全滿足電廠泄漏監測靈敏度，泄漏量監測準確性及泄漏定位三個指標。目前，專用的LBB泄漏監測系統有基于聲發射的泄漏監測方法和基于溫濕度測量的泄漏監測方法。

1.2.1 基于溫濕度測量的泄漏監測方法

基于溫濕度測量的泄漏監測方法是基于管道泄漏后周圍環境中空氣的濕度與溫度變化來判斷泄漏量，以及通過兩個濕度探測器探測到濕度的變化率來判定其泄漏位置。在實際的電廠運行中，如果管道發生破裂其泄漏出來的液體或蒸汽將逐漸擴散到周圍空間中，考慮到在泄漏點兩邊探測器距離泄漏點的距離不同，因此不同探測器的信號變化率會有所不同，在這個原理上可以確定泄漏量及泄漏位置。

1.2.2 基于聲發射的泄漏監測方法

由于被測管道內外存在較大的壓力差，這樣在管道出現泄漏時會產生噪聲，該噪聲的聲波會改變管道周圍聲波場的分布，聲波值（dB）的大小與探測器距離泄漏點的位置及泄漏量的大小成比例，ALMS就是利用這種原理在被測管道或設備上布置相應規模的聲波探測器用來確定泄漏的位置及泄漏量。

在ALMS系統中認為聲波場在泄漏點附近的數值分布符合高斯分布，每個聲發射噪聲信號由兩部分組成：來自泄漏點的噪聲（UT）及背景噪聲（UΦ）：

噪聲探頭的信號將送往信號放大器轉化為uV信號，通過以下的公式將采集到的uV信號轉換為dB值：

M：轉換后的dB數值。

轉換后泄漏點的噪聲值可由以下公式計算：

上述公式須在相鄰探測器噪聲值持續增長至少3dB的基礎上進行計算，該原則也是噪聲探測器布置的重要原則。

從泄漏點到第一個探測器的距離由以下公式獲得：

L：泄漏點到第一個探測器的距離

l1：兩個噪聲探測器之間的距離

a：噪聲沿管道的衰減參數

U1T、U2T：噪聲探測器1及噪聲探測器2的平均信號

噪聲探測器測得信號的強弱與泄漏量大小的關系如下：

G=kUγ

γ：根據泄漏口形式及其他情況，該值在1～2之間取值

G：泄漏量

2 國內外三代核電中LBB技術及LBB泄漏監測系統應用研究

2.1 AP1000 堆型

基本設計準則2和30分別對廠址周圍自然災害的防護及反應堆冷卻劑系統壓力邊界的泄漏質量及泄漏定位提出了要求。結合RG1.45[2]，AP1000為反應堆冷卻劑壓力邊界（RCPB）泄漏監測提供一種適用的探測方法。

AP1000沒有設置專用的LBB泄漏監測系統，通過其他系統的信息和報警，綜合判斷泄漏情況，以支持安全殼內高能管道LBB準則的應用。

RG1.45要求至少采用三種獨立的方法對不可識別泄漏進行監測，AP1000采用了安全殼地坑液位監測，反應堆冷卻劑系統裝量平衡，安全殼大氣輻射監測儀，安全殼壓力、溫度和濕度監測儀對不可識別泄漏進行探測。

反應堆冷卻劑壓力邊界和其他設備泄漏到安全殼內的不可識別泄漏會冷凝并在重力作用下，通過地面疏水和其他疏水途徑流入安全殼地坑。安全殼地坑液位傳感器能夠監測液位的變化，電廠數據顯示和處理系統（DDS）根據傳感器信號計算不可識別泄漏的泄漏總量和泄漏率（不可識別泄漏由總泄漏量減去可識別泄漏）。最小的可檢測泄漏率是0.007m3/h（0.03gpm），如果泄漏率大于0.114m3/h（0.5gpm），則在主控制室中產生報警。

反應堆冷卻劑系統裝量平衡可對0.030m3/h（0.13gpm）的泄漏進行監測；安全殼大氣輻射監測儀可對0.114m3/h（0.5gpm）的泄漏進行監測；安全殼壓力、溫度和濕度監測儀可以用來幫助確定和定位泄漏，但不能用來確定泄漏量。綜合上述系統的信息，AP1000能夠對不可識別的泄漏進行定位定量監測，并產生相應的信息和報警。

2.2 VVER堆型

田灣核電站1、2號機組采用了VVER堆型，在設計階段，基于俄羅斯GAN批準的LBB準則，“破前漏”（LBB）準則被應用于一回路管道。俄羅斯導則中的方法與國際慣例普遍采用的方法相符。

為了滿足“破前漏”（LBB）方案應用的要求，采用不同冷卻劑泄漏檢測的物理方法和原理來建立復雜泄漏監測系統。VVER堆型采用了兩個專用的LBB泄漏監測系統：基于聲發射的泄漏監測系統ALMS（Acoustic leak monitoring systems）和基于溫濕度的泄漏監測系統HLMS（Humidity leak monitoring systems）。同時，通過與輻射監測系統的信息交互情況對泄漏進行綜合分析。

ALMS系統能夠對核反應堆裝置一回路設備以及管道大于等于3.8升/分鐘的泄漏進行定位定量判斷。泄漏發生時信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測以及泄漏量的估算延遲不應超過10分鐘。泄漏量估算的相對誤差不超過±50%，泄漏位置檢測的相對誤差不超過已經檢測到泄漏的相鄰指示器之間區域長度的±50%。

HLMS系統能夠對核反應堆裝置一回路設備以及管道大于等于1升/分鐘的泄漏進行定位定量判斷。泄漏發生時信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測以及泄漏量的估算延遲不應超過10分鐘。泄漏量估算的相對誤差不超過±50%，泄漏位置檢測的相對誤差不超過已經檢測到泄漏的相鄰指示器之間區域長度的±50%。

輻射監測系統是機組儀表與控制系統的一部分，通過連續監測房間中惰性氣體體積活度來實現冷卻劑泄漏檢測。當一回路中惰性氣體體積活度取決于燃料棒包殼的表面污染時，靈敏度不小于3.8升/分鐘。輻射監測系統能夠保證檢測到泄漏并可以將泄漏位置定位到各個房間。

2.3 “華龍1號”堆型

“華龍1號”在主管道和波動管上采用LBB技術，為保證該技術的實施，設置了專用的主管道和波動管LBB泄漏監測系統。該系統采用基于聲發射的泄漏監測方法，在機組正常運行工況的不同功率水平下和停堆工況下，監測主管道和波動管的密封性能，以便早期發現冷卻劑的泄漏，并對泄漏進行定位和定量分析。

主管道和波動管LBB泄漏監測系統能夠對主管道和波動段大于等于3.8升/分鐘的泄漏進行定位定量判斷。泄漏發生時信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測以及泄漏量的估算延遲不應超過10分鐘。泄漏量估算的相對誤差不超過±100%，泄漏位置檢測的相對誤差不超過已經檢測到泄漏的相鄰指示器之間區域長度的±50%。

2.4 EPR堆型

EPR堆型在設計、設計論證、制造檢查、在役監控等各個階段采取預防措施，以強調不可能發生管道破裂及論證在整個電站壽期內一回路管道的完整性。泄漏監測系統能夠在管道發生破口斷裂（臨界裂紋）之前探測到泄漏，從而保證“破前漏”（LBB）準則的實施。

在安全殼內，利用對濕度、冷凝裝置中冷凝物流量和地坑液位的測量來探測泄漏率，可以探測到安全殼內部任何部位的泄漏。安全殼外部的蒸汽發生器管線泄漏依靠定期的巡視和泄漏探測系統實現檢測。為了進行靈敏度分析，上述系統的最小可探測泄漏率至少要達到3.8升/分鐘。

3 總述

通過以上分析，“破前漏”（LBB）技術廣泛應用于各三代核電堆型中，不同堆型基于自身的技術特點，采用了不同的方法、原理來實現LBB泄漏監測。在后續項目中，可參考各種技術的優點，選擇合適的方法實現LBB泄漏監測。

【參考文獻】

[1]United States Nuclear Regulatory Commission， Appendix A Part 50， General Design Criteria for Nuclear Power Plant，US NRC，Washington.

[2]United States Nuclear Regulatory Commission， Regulatory Guide 1.45， Guidance on Monitoring and Responding to Reactor Coolant System Leakage， US NRC， Washington， （2008）.

[責任編輯：朱麗娜]