鈉冷快堆工藝輻射監測設計要素

馬強+潘君艷

【摘 要】通過對鈉冷快堆輻射源和安全分析，結合CEFR輻射監測系統的設計經驗，進一步從工藝系統設備的密封性和工藝系統操作的合規性方面探討工藝輻射監測的設計要素。

【關鍵詞】鈉冷快堆；工藝輻射監測；輻射源

【Abstract】The radiation source features and the safety analysis for sodium cooled fast reactor were described.Based on the design experience of China Experimental Fast Reactor，the design factors of process radiation monitoring systems were presented in detail，which focused on the equipment tightness and operation compliance for fast reactor process systems.

【Key words】Sodium cooled fast reactor；Process radiation monitoring；Radiation source

核電廠工藝輻射監測用于安全屏障和某些設備和系統狀態監測，測量通道主要包括監測廠房內重要設備或其附近的γ輻射、空氣放射性或工藝流放射性[1]。國內壓水堆廠房輻射監測技術已經較為成熟，現已發布的相關標準對輻射監測設備的布置和測量通道的要求都做了具體的規定。

中國實驗快堆（CEFR）輻射監測系統自完成自主設計、安裝、調試和運行后，目前已經過運行驗證。本文將著重闡述快堆工藝輻射監測系統的設計要素。

1 輻射源

快堆的工藝系統主要包括主熱傳輸系統、輔助系統和燃料操作系統等。主熱傳輸系統由一次鈉系統、二次鈉系統和蒸汽系統組成。核輔助系統主要包括一回路鈉輔助系統，一次氬氣系統，一次氬氣吹掃與衰變系統等。燃料操作系統包括堆內換料系統，堆外換料系統和乏組件清洗系統[2-3]。

反應堆運行期間，主熱傳輸系統中的放射性核素主要是冷卻劑鈉的活化產物24Na和22Na。其中24Na由（n，γ）反應產生，半衰期15.0h，發射1.4MeV和2.8MeV的γ光子；22Na由（n，2n）反應產生，半衰期2.6a，發射1.3MeV的γ光子。二次鈉中24Na和22Na的活度濃度遠低于一次鈉的放射性水平。CEFR主系統冷卻劑中的放射性活度濃度如表1所示。

一回路鈉輔助系統包括一回路鈉凈化系統和一回路鈉充排系統。其輻射源與主熱傳輸系統基本相同。反應堆運行期間一次氬氣中的主要放射性核素為23Ne，41Ar和24Na以及燃料元件破損引入的133Xe，135Xe和85Kr等。其余氬氣系統的主要放射性核素為133Xe、85Kr和137Cs等[4]。

乏組件清洗過程中產生的廢液主要為一次鈉的清洗溶液，放射性水平較高，可能達到中放水平。

2 安全分析

2.1 鈉火

快堆安全分析指出，在局部事故中，首當其沖的是鈉泄漏及鈉火，鈉火的特點是在房間內產生大量的濃煙，并有較大的比例形成氣溶膠懸浮物。而在反應堆運行期間，一次鈉火產生的氣溶膠也具有較強的放射性。

2.2 放射性氣體釋放

快堆核島廠房的放射性氣體釋放主要包括一回路覆蓋氣體系統泄露和一次氬氣衰變罐泄漏[4]。此類氣體泄漏后，會導致相應工藝間的放射性水平上升。

2.3 燃料操作

燃料操作事故中的典型事故為高功率燃料組件誤提到轉運室：達到預定燃耗的燃料組件，由于操作錯誤，在還未經過充分冷卻的情況下提出到轉運室，因燃料組件失去對余熱的冷卻可能造成損壞。未經冷卻乏燃料的γ劑量率水平遠高于經過冷卻的乏燃料。

3 工藝輻射監測設計要素

根據工藝系統輻射監測需求及安全分析結果，快堆工藝輻射監測的具體功能主要包括如下方面：

-工藝設備密封性監測

-乏燃料更換過程監測

-清洗廢液監測

-放射性氬氣排放監測

3.1 工藝設備密封性監測

通過放射性監測來判斷工藝設備密封性主要包括兩個方面：放射性覆蓋氣體設備密封性監測和放射性鈉設備密封性監測。

3.1.1 放射性覆蓋氣體密封性監測

對于有放射性覆蓋氣體泄漏風險的工藝間需要進行監測，考慮因素包括：

1）監測對象主要為惰性氣體；

2）采用掃描式取樣進行監測；

3）對有工作人員長期停留工藝間的取樣頻率應高于普通工藝間。

3.1.2 放射性鈉設備密封性監測

工藝輻射監測僅考慮因設備泄漏而造成鈉火的放射性監測。鈉燃燒后變成氣溶膠的份額為0.12～0.15；房間內鈉燃料時，鈉氣溶膠濃度可達20g/m3；在鈉燃料期間，多數顆粒的粒徑分布在5～6μm范圍內[5-6]。根據一回路冷卻劑的輻射源分析和鈉氣溶膠的特性，用輻射監測來判斷鈉火的發生是一種有效而可靠的手段。監測通道設計需考慮到如下因素：

1）監測對象為鈉氣溶膠中的典型核素為24Na和22Na；

2）采用取樣方式進行連續監測；

3）選用針對特定核素探測且更為靈敏的探測器；

4）過濾材料耐用。由于鈉火事故發生概率極低，卻有著強放射性，強腐蝕性等特點，為了運行維護方便，宜選用結實耐用的過濾材料，從而不致浪費過多的人力去更換過濾材料。

3.2 燃料更換過程和貯存監測

快堆的燃料更換過程是在密閉的環境下進行的。首先，經達到一定燃耗的從堆芯移至特定區域進行衰變和冷卻，待冷卻一定時間后從鈉池中取出并清洗、漂洗，去除燃料組件表面附著的鈉后移至乏燃料貯存水池保存。

在此過程中的如下環節需要設置輻射監測：

1）乏燃料卸料過程

在燃料操作過程中存在誤將未經衰變冷卻的高功率燃料組件提至轉運室的事故工況，為了有效避免這種情況的發生，可在乏燃料運輸路徑上設置相應的探測器，當乏燃料組件的放射性水平超過設定閾值時，觸發報警信號，從而限制該換料操作的進行。

2）乏燃料清洗過程

乏燃料清洗可分為吹掃、清洗和漂洗3個基本過程，其中在清洗過程中使用的水蒸氣，經冷凝后形成放射性廢液，該廢液可能達到中放水平，因此需要在廢液排放管線上設置放射性監測裝置，使得中、低放廢液排至不同的廢液收集罐中。

3）乏燃料貯存

經漂洗后的乏燃料組件被送至貯存水池保存，為了監視乏燃料的安全情況，應在貯存水池周邊設置放射性監測裝置。

3.3 放射性氬氣排放監測

對于氬氣衰變罐內貯存的一次氬氣，經放化專業對其進行品質分析，當品質不符合復用要求后需排放。在排放之前，為了避免污染環境，需對一次氬氣中的典型放射性核素含量進行分析，確保短壽命核素已經過充分衰變后方可排放。

4 結束語

鈉冷快堆與壓水堆在工藝輻射監測方面有諸多不同，主要是由于工藝系統的差別造成的。本文通過對鈉冷快堆輻射源和安全分析的研究，針對工藝設備密封性監測，燃料更換和貯存監測和放射性氬氣排放監測等鈉冷快堆工藝輻射監測的主要方面進行了闡述，完成了工藝輻射監測設計要素的初步分析。

【參考文獻】

[1]EJ/T 1180-2005 壓水堆核電廠房固定式輻射監測系統設計準則.

[2]蘇著亭，葉長源，閻鳳文，等.鈉冷快增殖堆[M].北京：原子能出版社，1991：348-384.

[3]馬子云，駱學軍.快堆主熱傳輸系統及輔助系統[M].北京：中國原子能出版傳媒有限公司，2011：84.

[4]趙郁森.快堆輻射防護[M].北京：中國原子能出版傳媒有限公司，2011：132-144.

[5]張東輝，任麗霞.快堆安全分析[M].北京：中國原子能出版傳媒有限公司，2011：63-93.

[6]洪順章.鈉工藝基礎[M].北京：中國原子能出版傳媒有限公司，2011：100-101.

[責任編輯：田吉捷]