一種基于濱海核電站海上γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計

劉占陽，胡 澄，孫雪峰，張啟明，陳 謙，楊立濤，賀一凡

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

我國目前的放射性污染監(jiān)測制度規(guī)定，從事伴有電離輻射實踐活動的單位必須開展輻射環(huán)境監(jiān)測，對放射性流出物的排放情況進行監(jiān)督性監(jiān)測，獨立、客觀、公正地反映核電廠周圍輻射環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化趨勢，預測和預警核與輻射事件或事故。

日本福島核事故后，國家核安全局于 2012年6月發(fā)文《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求(試行版)》，其中，在第七項“輻射環(huán)境監(jiān)測及應急改進的技術要求”第四條“設備要求”中對環(huán)境輻射水平連續(xù)監(jiān)測站點位設置和傳輸功能提出了如下要求：①站址布點：核電廠監(jiān)測站點應考慮與監(jiān)督性監(jiān)測站點互補的原則，保證核電廠周圍 16 個方位的陸域原則上都布設至少 1 個自動監(jiān)測站房。在核電廠煙羽計劃應急區(qū)范圍內(nèi)，核電廠各堆址主導風向的下風向、居民密集區(qū)應適當增加布點；沿海核電廠應具備一定的海域方向監(jiān)測能力，并對其合理性進行論證。②數(shù)據(jù)傳輸功能：應具有備用通信方式，保證各監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳送到自動監(jiān)測中央站；在失去外部電源的情況下，自動監(jiān)測中央站應能保證較長時間(≥72 h)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸[1]。

對核電站周邊水域的γ輻射劑量水平進行監(jiān)測是核電站監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)的重要補充，完善了陸地監(jiān)督性監(jiān)測站點無法對液態(tài)放射性流出物監(jiān)測的短板，是核電站運行、核安全監(jiān)管、環(huán)境保護及公眾關注的重要內(nèi)容，可以有效地提升核電站海域方向的氣、液放射性流出物的日常監(jiān)測能力，實時反映核電廠海域方向的輻射環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化曲線，進而達到預測和預警核與輻射事件或事故[2-5]。

1 海上γ輻射劑量率的監(jiān)測現(xiàn)狀

當前國內(nèi)在運行的核電站均已在陸地方向建設了針對放射性流出物、氣象等要素監(jiān)督性監(jiān)測站點，但是針對海域方向的放射性流出物監(jiān)測尚處于空白狀態(tài)，缺乏針對海域方向放射性流出物的監(jiān)督性監(jiān)測能力，尤其是針對液態(tài)放射性流出物的監(jiān)測尚處于人工監(jiān)測的狀態(tài)。

在應急條件或事故狀態(tài)下，目前國內(nèi)所有的濱海核電廠在例行的應急演習過程中對周邊海域進行輻射監(jiān)測時，大部分都是采取在地圖上確定測量位置或是按照既定的監(jiān)測路線，然后由應急監(jiān)測小組人員駕駛載有便攜式儀器的船只進行實地測量。在核電廠發(fā)生大量放射性核素泄漏的情況下，這種方式存在的主要問題：①人員易受照射，心理負擔重，船只易受污染；② 測量和傳輸技術方法落后，數(shù)據(jù)不及時，不連續(xù)，不能實現(xiàn)無人化、快速、大面積區(qū)域組網(wǎng)監(jiān)測，影響評價和決策指揮；③ 只能做到定點監(jiān)測或既定路線的巡測，無法做到日常監(jiān)測；④ 技術保障復雜，行動代價高；⑤ 受天候和海況條件影響大。

針對核電廠周邊海域的γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)，在非事故情況下，是對核電廠監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)的重要補充和完善，能夠?qū)崟r監(jiān)測核電廠海域方向的氣態(tài)放射性流出物和液態(tài)放射性流出物的排放情況，實時反映核電廠海域方向的輻射環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化，進而達到核與輻射事件或事故預警的目的。

2 基于濱海核電廠γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)

基于濱海核電廠γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)作為一種全天候、無人值守的輻射監(jiān)測裝備，是海洋環(huán)境長期定點實時立體監(jiān)測的基本手段，由浮標體、航標燈、監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、錨系系統(tǒng)、浮標接收岸站及數(shù)據(jù)平臺組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、傳輸、報警及自動定位等功能，為指定用戶提供實時在線的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

2.1 總體設計

整個系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測平臺、無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊和監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務平臺三大部分組成，如圖1所示。

圖1 總體設計Fig.1 Overall design of the monitoring system

設計說明：①現(xiàn)場監(jiān)測平臺：獲取海水表面γ劑量率、海水中放射性核素的γ劑量率；②無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊：由專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊(GPRS/4G)和北斗衛(wèi)星兩種無線鏈路將現(xiàn)場監(jiān)測的傳感器數(shù)據(jù)上傳至中央站服務器。通信以移動公網(wǎng)為主，北斗衛(wèi)星為冗余備份；③監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務平臺：由中央站作為海上輻射安全智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)的指控中樞。接收海上監(jiān)測浮標上傳的數(shù)據(jù)并對其進行測控；通過有線或無線網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至中心機房，并可根據(jù)要求調(diào)整現(xiàn)場監(jiān)測的工作模式。

在實體設計上，該系統(tǒng)由浮體(儀表艙)、塔架、錨鏈等組成，浮標體上安裝水溫、氣象儀、輻射監(jiān)測儀表(水體輻射NaI探頭、空氣輻射NaI探頭)、北斗數(shù)傳模塊；儀表艙內(nèi)裝有數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、太陽能供電系統(tǒng)、漏水傳感器、艙內(nèi)溫濕度、GPS模塊等，浮體下系結(jié)有錨碇設備。在數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容中，包含有儀表艙的溫濕度和是否水浸，GPS系統(tǒng)的時間、經(jīng)緯度，氣象儀的風速、風向、大氣壓力、溫度、濕度、露點，空氣和水體輻射探頭的γ劑量率及核素能譜等。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要包括： ①測量水體表面以及空氣中的γ劑量率；②測量水中和空氣中γ能譜數(shù)據(jù)，進行核素識別并計算活度濃度；③自動標識測量位置和測量時間；④無人值守、在線實時自動上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)；⑤位移報警，夜間以燈光標示測點位置和監(jiān)測范圍；⑥抗鹽霧和海水腐蝕 ；⑦多點位區(qū)域組網(wǎng)，實時連續(xù)測量，多鏈路自動傳輸數(shù)據(jù)；⑧滿足應急輻射監(jiān)測需要，及時為決策指揮服務，為后果評價實時提供依據(jù)；⑨能夠在復雜氣象和高海況條件下使用，具有抗風浪能力；⑩具有良好防腐蝕性能，適于在海水中長期使用。

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測平臺

現(xiàn)場監(jiān)測平臺為一個直徑為3 m的浮標(圖2)，浮體材質(zhì)是抗腐蝕、耐碰撞、重量輕、服役期長、不易為海洋生物附著的低表面能聚合物通體材質(zhì)，其耐用性比傳統(tǒng)鋼鐵浮標更小、更輕、更佳的搬運性。其主要特點有：①防風浪：配置整體重心下移，形成類似不倒翁原理，增加設備的穩(wěn)定性，有防風抗浪的功能；②結(jié)實耐用、存活力強：低維護量與長使用壽命代表在整個生命周期間的成本低廉，浮標結(jié)構(gòu)緊湊，儀表艙內(nèi)配置溫度傳感器實時監(jiān)測艙溫，非法打開倉蓋可報警；③浮標的水密裝置應保證標體不變形，儀器艙內(nèi)配置漏水傳感器，可漏水報警；④配置GPS定位模塊，浮標漂移200 m以上可報警處理。

其中浮體呈圓盤形的結(jié)構(gòu)，能載有多種類型傳感器，能自動、長期、連續(xù)地進行常規(guī)的水文氣象參數(shù)測量，數(shù)據(jù)采集、處理后通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)/GPRS/CDMA等方式實時傳輸。

圖2 浮標示意圖Fig.2 Schematic diagram of a buoy

2.4 供電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成。各部分的作用為：①太陽能電池板。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作，太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。②太陽能控制器。太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關、時控開關都應當是控制器的可選項。③蓄電池。一般為鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。

本系統(tǒng)使用太陽能為儀器儀表供電，不需要外接電源，利于偏遠環(huán)境安裝。按每5 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，理論供電持續(xù)時間可達20 d。

2.5 無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊

海上γ輻射監(jiān)測浮標和監(jiān)控中心之間除了采用無線通訊模式外，還配有衛(wèi)星通訊模塊，可在無線通訊故障情況下自動切換到衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

數(shù)字采集傳輸儀設備按照工業(yè)級標準設計，同時具備數(shù)據(jù)采樣、報警控制輸出、實時在線數(shù)據(jù)遠傳功能。支持GPRS/GSM網(wǎng)絡，具備RS232、RS485端口，可以通過本地通訊端口或GPRS/GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程參數(shù)配置和實時數(shù)據(jù)召測。支持標準Modbus、HJ/T 212協(xié)議。可跟水分儀表、在線分析儀表等對接，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集、管理及傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

2.6 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務平臺

中央站監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務平臺具有系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計的功能，它是架構(gòu)在PC之上的自動化控制系統(tǒng)，運行于Windows Server、XP、Win7等操作系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)聽軟件、大屏顯示系統(tǒng)、報表管理系統(tǒng)等多個軟件系統(tǒng)，為實現(xiàn)遠距離水體輻射水平、空氣輻射水平、氣象等數(shù)據(jù)的采集、瀏覽及發(fā)布提供了一個開放性的、可擴展的系統(tǒng)平臺，具備顯示實時數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、超標報警等功能。

軟件采用先進的B/S結(jié)構(gòu)體系，用戶WEB瀏覽器方式操作，數(shù)據(jù)采集傳輸、報表分析圖形化、動態(tài)化，報表報文可自動生成，應用工具組態(tài)化，開放的動態(tài)工具方便用戶自行維護，具有很好的異構(gòu)兼容性和可擴展性，系統(tǒng)配有IPAD移動終端可以隨時隨地查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)維護及設備故障維修的響應時間，確保維護維修人員及時跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 核電廠海上輻射劑量監(jiān)測設備及測試

3.1 監(jiān)測設備

SpetroTracer NaI是一種輻射探測器，能夠測量空氣、土壤或是水中的非常低的污染。該款設備能夠?qū)y量的放射性能量進行光譜分析，從而識別監(jiān)測到的核素，并區(qū)分人工放射性核素和天然放射性核素，也能夠進行半定量核素濃度水平分析，進行環(huán)境γ空氣吸收劑量率的連續(xù)監(jiān)測。

3.2 NaI海洋水體輻射劑量率測量結(jié)果

經(jīng)測量，監(jiān)測浮標所在海域海平面上方1.5 m處的空氣NaI測量值為6.4±0.2 nSv/h，海平面下方1.0 m處的水體NaI測量值為7.6±0.1 nSv/h。扣除儀器本底干擾后，監(jiān)測結(jié)果依次為2.4、3.7 nSv/h，結(jié)果見圖3。

3.3 現(xiàn)場海洋NaI譜儀已測數(shù)據(jù)情況

2017年10月監(jiān)測浮標上的空氣NaI譜儀和水體NaI譜儀測量結(jié)果見圖4，從圖中可以看到水體NaI輻射劑量率測量結(jié)果穩(wěn)定性好，受環(huán)境干擾極小；空氣NaI輻射劑量率測量結(jié)果受環(huán)境影響較大，導致輻射劑量率的變化的因素較為復雜，降雨對輻射劑量率有一定的影響，但影響情況與陸地情況有所不同；從圖中可以看到2017年10月14日—16日輻射劑量率有明顯的升高，通過對周圍環(huán)境情況識別，這應該為臺風“卡奴”所導致的影響。

圖3 NaI海洋水面空氣中和水體中輻射劑量率測量結(jié)果Fig.3 NaI radiation dose rate measured of in air and in surface water on sea

圖4 2017年10月海洋NaI譜輻射劑量測量結(jié)果Fig.4 Marine NaI spectrum by radiation dose measurements in October 2017

3.4 監(jiān)測浮標附件海域的空氣NaI和水體NaI輻射劑量率測量結(jié)果差異分析

根據(jù)已測數(shù)據(jù)，監(jiān)測浮標附件海域的空氣NaI和水體NaI輻射劑量率測量結(jié)果依次為2.4、3.7 nSv/h，相差約40%。海洋中天然核素分布較為平均，我國近岸海域天然226Ra、232Th、40K平均值依次為0.076、0.004和10.32 Bq/L，通過模擬計算得到的海洋水體中和水面輻射劑量率分別為0.3、0.8 nSv/h。測量結(jié)果高于模擬計算結(jié)果。經(jīng)分析海洋中NaI測量譜數(shù)據(jù)(圖5)，水面空氣中和水體中40K對劑量率的貢獻幾乎一致，而水體中大量核素衰變退激產(chǎn)生的低能X射線對劑量率明顯大于水面空氣。另外，受海洋水體中懸浮物的影響，可導致水體中輻射劑量率測量結(jié)果比理論計算結(jié)果偏高。

3.5 NaI譜儀的連續(xù)測量在海域環(huán)境中的應用

相對于傳統(tǒng)的輻射劑量率測量方法，NaI譜儀測量最大的優(yōu)點就是具備核素識別能力，典型本底測量譜圖見圖6，常規(guī)測量時可通過各感興趣區(qū)域計數(shù)變化情況分析導致環(huán)境輻射劑量率變化的原因。

NaI譜測量時本底劑量極低(約為4.0 nSv/h)，因此系統(tǒng)具備較高的探測能力和探測靈敏度。在應急條件下，根據(jù)NaI譜圖信息，可及時識別排放到環(huán)境中的人工放射性核素，為及時計算排放源項和計算核設施周圍人員可能受照劑量提供數(shù)據(jù)支持。

圖5 海水水面和水體中NaI測量譜圖對比Fig.5 Comparison of NaI spectrum measured in surface seawater and in water column

圖6 NaI譜儀海洋水體測量譜圖Fig.6 NaI spectrum obtained from sea water column by spectrometer

4 結(jié)論

(1)基于濱海核電站海上γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)作為一種全天候、無人值守的輻射監(jiān)測裝備，是海洋環(huán)境長期定點實時立體監(jiān)測的基本手段，可全天候、長時間、在線組網(wǎng)、連續(xù)自動測量水面和空氣中的γ劑量率、獲取γ能譜數(shù)據(jù)并進行核素識別和計算活度濃度，實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線通信鏈路和北斗短報文兩種形式上傳至中央站服務器，可以有效地提升海域方向的氣、液態(tài)放射性流出物的監(jiān)測能力。

(2)在應急條件或發(fā)生重大核安全事故的情況下，該系統(tǒng)為核電廠實施海上應急輻射監(jiān)測提供了一種有效的解決方案，同時也提供了一種新的方法和手段，能夠有效避免傳統(tǒng)的派船巡測時方法不標準、數(shù)據(jù)不及時不連續(xù)、人員受照風險大、船只易受污染和行動代價高等問題。

(3)該系統(tǒng)在非事故情況下是對核電廠監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)的重要補充和完善，能夠?qū)穗姀S海域方向的氣態(tài)放射性流出物和液態(tài)放射性流出物的排放情況進行監(jiān)督性監(jiān)測，尤其是在極端環(huán)境條件下無人值守的海上環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)依然可以持續(xù)地為核電站提供輻射環(huán)境監(jiān)測能力，對核電站運行期間整體的安全性和可靠性具有積極意義。