電廠核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)放射性異常的響應(yīng)分析及對(duì)策處理

□劉志遠(yuǎn)

一、引言

安全導(dǎo)則HAF0213《核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及其有關(guān)系統(tǒng)》規(guī)定中間冷卻系統(tǒng)的安全功能是：1)將熱量從“冷卻劑系統(tǒng)”或其他安全重要熱源傳輸?shù)阶罱K熱阱；2)對(duì)放射性彌散或?qū)瘜W(xué)污染物進(jìn)入冷卻劑起屏障作用。某電廠的重要用戶(hù)中間回路冷卻水系統(tǒng)安全功能同導(dǎo)則中的中間冷卻系統(tǒng)。

某電廠重要用戶(hù)中間回路冷卻水系統(tǒng)由四個(gè)相互獨(dú)立(工藝和供電)的通道組成。40系列是向反應(yīng)堆廠房以及核輔助廠房中正常運(yùn)行的用戶(hù)提供冷卻水以及向安全廠房中第四系列的安全系統(tǒng)用戶(hù)提供冷卻水。目前已經(jīng)多次出現(xiàn)系統(tǒng)大于1.0E+04Bq/m3放射性報(bào)警事件，升級(jí)為機(jī)組十大缺陷之一。

二、冷卻水放射性異常時(shí)的原因分析

在放射性報(bào)警時(shí)化學(xué)取樣分析可知最主要的核素是42K和24Na。42K放射性核素是一回路的活化產(chǎn)物，只存在于一回路，其半衰期只有12.36小時(shí)，所以存在泄漏的用戶(hù)一定是和一回路相關(guān)的。24Na與42K是某類(lèi)型機(jī)組一回路冷卻劑獨(dú)有的核素，所以冷卻水出現(xiàn)以上核素，并長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定或者上漲，說(shuō)明是一回路冷卻劑持續(xù)的進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)。

一回路燃料在某些循環(huán)燃料組件出現(xiàn)缺陷，使得在功率運(yùn)行期間一回路總碘、惰性氣體等核素的比活度明顯上漲。某循環(huán)燃料出現(xiàn)氣密性缺失時(shí)，一回路冷卻劑出現(xiàn)較高活度的惰性氣體、碘和銫等裂變產(chǎn)物，冷卻水系統(tǒng)的放射性報(bào)警升級(jí)到二級(jí)閾值報(bào)警，同時(shí)出現(xiàn)碘、惰性氣體等一回路冷卻劑燃料氣密性缺失的特征核素。而且133Xe的活度濃度要高于42K的活度濃度，此時(shí)一回路冷卻劑中42K活度濃度為1.0E+07Bq/L水平，133Xe為2.0E+06Bq/L水放射性報(bào)警時(shí)一回路向核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)泄漏量的計(jì)算。

(一)利用42K示蹤計(jì)算一回路向核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)泄漏量(平衡狀態(tài))。系統(tǒng)放射性持續(xù)報(bào)警時(shí)，總γ活度濃度處于相對(duì)平衡狀態(tài)，一回路的42K的活度濃度為A0Bq/L，對(duì)應(yīng)泄露時(shí)的核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)42K活度濃度為A1Bq/L。核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)水裝量為90m3；換水流量為F(L/h)。凈化系統(tǒng)流量為40m3/h。以t(h)的時(shí)間為例，計(jì)算泄露量Q(L/h)：

B1為一回路向核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的泄露42K的原子個(gè)數(shù)：

B1=Q*A0/λ

B2為核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)中因衰變而減少的42K的原子個(gè)數(shù)：

B2=V冷卻水系統(tǒng)*A1(1-e-0.056*t)/λ

B3為因換水而減少的42K的個(gè)數(shù)：

B3=F換水*t*A1/λ

B4為凈化而減少的42K的原子個(gè)數(shù)：

B4=F凈化流量*t*A1/λ

根據(jù)物料守恒原則，利用同位素42K示蹤計(jì)算一回路向核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)泄露量：

B1=B2+B3+B4

化簡(jiǎn)為

放化實(shí)驗(yàn)室的高純鍺γ譜儀42K的檢測(cè)下限為1.0E+04Bq/m3，一回路冷卻劑的42K活度濃度為1.0E+06～2.0E+07Bq/L，按照公式計(jì)算理論的計(jì)算的最小泄漏量為0.006L/h，考慮放化儀器的誤差要求≤20%，按照此模型計(jì)算可以得出準(zhǔn)確的最小泄漏量為0.01L/h的水平。

(二)利用3H示蹤計(jì)算一回路向核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)泄漏量(非平衡狀態(tài))。放射性報(bào)警總γ活度濃度處于上漲狀態(tài)時(shí)，因系統(tǒng)內(nèi)的42K沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)，無(wú)法利用物料守恒計(jì)算。而3H的半衰期長(zhǎng)達(dá)12.3年，所以利用3H示蹤計(jì)算泄漏量，就不需要考慮衰變引入的變化量，且凈化床對(duì)3H核素沒(méi)有凈化效果。3H活度濃度的損失量只有因換水F(L/h)減少。一回路的3H的活度濃度為A3Bq/m3(3H活度比較穩(wěn)定)，對(duì)應(yīng)泄露開(kāi)始，放射性上漲時(shí)核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的初始3H活度濃度為A4Bq/m3，經(jīng)過(guò)t時(shí)間，核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)3H活度濃度為A5。以t時(shí)間段內(nèi)，計(jì)算平均泄漏量Q：

但是由于3H使用的液體閃爍儀測(cè)量，與高純鍺γ譜儀原理不同，靈敏度比較高但是測(cè)量的重現(xiàn)性比較差。會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)上有一定的波動(dòng)，所以3H示蹤計(jì)算一回路向核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的泄漏量，適合總γ活度濃度處于上漲狀態(tài)時(shí)，無(wú)法利用42K示蹤計(jì)算泄露量的替代手段。

三、降低核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)放射性的控制方法

一回路燃料沒(méi)有出現(xiàn)破損的時(shí)候，冷卻水出現(xiàn)放射性報(bào)警時(shí)，總γ的貢獻(xiàn)一般為42K、24Na兩種核素。由于一回路24Na一般比42K小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以泄漏量較小，冷卻水放射性觸發(fā)報(bào)警時(shí)，核素分析一般只有42K、3H。而3H為純?chǔ)滤プ儯瑢?duì)總γ沒(méi)有影響。

以上情況時(shí)，降低核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)放射性的最佳方法是投運(yùn)凈化床循環(huán)凈化冷卻水，系統(tǒng)放射性會(huì)迅速降低，最終達(dá)到平衡。由于系統(tǒng)換水流量為一般為300L/h，而投運(yùn)凈化床流量為40m3/h。以上兩種方式相比，投床效果更有效。

在確認(rèn)機(jī)組有燃料氣密性缺失的情況下，一回路Xe、Kr等氣體裂變產(chǎn)物會(huì)增大，那么相應(yīng)的，冷卻水中的Xe、Kr等核素也會(huì)占據(jù)很大比重，而Xe等惰性氣體無(wú)法去除；同時(shí)碘同位素衰變會(huì)導(dǎo)致Xe活度的上漲和積累。當(dāng)133Xe的累計(jì)量大于42K的去除量時(shí)，核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)將不能通過(guò)床進(jìn)行凈化。

以上情況時(shí)，考慮到一回路燃料氣密性缺失的情況下，核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)放射性在處于上漲且較高水平，為有效降低放射性，采取投運(yùn)凈化床的同時(shí)加大換水流量是有效控制和維持放射性的手段。

四、結(jié)語(yǔ)

電站重要用戶(hù)中間回路冷卻水系統(tǒng)由于設(shè)備老化、缺陷等問(wèn)題，造成一回路冷卻劑向冷卻系統(tǒng)泄露的嚴(yán)重危害。通過(guò)依據(jù)物料守恒的模型和源項(xiàng)篩查的方法，成功的從實(shí)踐中歸納出一回路向核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)泄露觸發(fā)放射性報(bào)警時(shí)的有效處理方法。一是利用某類(lèi)型電廠一回路冷卻劑的特征核素42K、3H做為特征核素，通過(guò)建模計(jì)算較準(zhǔn)確地獲知一回路向中間回路冷卻系統(tǒng)的泄露量，即時(shí)判系統(tǒng)斷缺陷狀態(tài)。二是根據(jù)中間冷卻回路的核素特征，合理利用投混床凈化和換水兩種手段，可對(duì)核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)放射性的上漲起到明顯抑制作用。三是歸納總結(jié)出設(shè)備冷卻水系統(tǒng)放射性異常時(shí)的通用相應(yīng)措施。