比林核研究中心輻射監測系統數字化升級改造技術方案設計

丁麗 徐鵬程 戴龍文 李華 王亞婷

摘 ? 要：研究阿爾及利亞比林核研究中心一、二期工程（B1/B2）項目升級改造中工藝輻射監測系統的升級改造技術，通過現場就地調研、參照現行適用的標準規范，結合具體系統及設備的情況，經研究分析，確定了101子項反應堆廠房、106子項通風中心和205子項考驗回路間的區域輻射監測、燃料破損監測、主換熱器泄漏輻射監測、工藝房間放射性氣溶膠監測、排出流輻射監測等工藝輻射監測系統的升級改造初步技術方案。

關鍵詞：比林重水研究堆 ?輻射監測系統 ?升級改造

中圖分類號：TH-3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0090-04

Abstract： This paper studies the upgrading technology of radiation monitoring system of Algeria Birine nuclear research center phaseⅠ and Ⅱ project（short for B1/B2 project）. Based on on-site investigation， by reference to current applicable standards and specifications， in view of the specific status of system and equipment， detailed research and analysis were done. Finally， The upgrading technology scheme of the radiation monitoring system in 101subitem，106 sub item and 205 subitems is determined which consists of Area ? Radiation Monitoring， Fuel Failure Radiation Monitoring， Main Exchanger Leakage Radiation Monitoring， Radiative Gas Monitoring and Effluents Radiation Monitoring，

Key Words： Birine nuclear research center; Radiation monitoring system; Upgrading and modification

1 ?B1/B2項目背景介紹

20世紀80年代，中國與阿爾及利亞兩國政府簽署了《關于和平利用核能合作議定書》。中方為阿方設計建造了一座15MW重水研究堆（即比林一期工程）、燃料和材料輻照后檢驗熱室及燃料元件考驗回路（即比林二期工程）。自建成后迄今，已有20多年，設備老化、備品不足及與現行標準規范不相符等問題突出，2014年12月，中阿雙方簽署了比林核研究中心一、二期升級改造合同。本文主要論述輻射監測系統數字化升級改造的技術方案設計。

2 ?改造目標、范圍與內容

本工程的升級改造目標是，遵照我國現行標準和國際通用標準，實現比林堆輻射監測系統的現代化和數字化[1]。改造范圍包括反應堆廠房、通風中心和考驗回路工藝間的輻射監測儀表和全廠輻射監測系統。改造內容包括區域輻射監測、燃料破損監測、主換熱器泄漏輻射監測、工藝房間放射性氣溶膠監測、排出流輻射監測等系統。

3 ?改造技術方案

3.1 總體方案設計

將原就地一次儀表/二次數據處理儀表均拆除，部分系統保留部分原系統管道，更新輻射監測儀，重新設計輻射監控系統。輻射監測儀能量及測量范圍需滿足使用要求，具有至少一個RS232端口和兩個獨立RS485通訊口，可提供兩路獨立的0/4～20mA模擬量輸出及一路獨立模擬量輸入，具有就地三級聲光報警功能。

輻射監測儀的探測器輸出模擬信號至就地處理箱，經處理后輸出開關量信號及數字信號，其中開關量信號送報警裝置，數字信號通過485信號線送至101子項輻射監測控制室內的專用計算機，輻射監測值班員可在專用計算機上實時查詢各輻射監測系統設備運行狀態及監測數據，并可授權對相應輻射監測回路中的動力設備進行控制。同時，專用計算機通過TCP/IP網線將信號傳送給反應堆監控系統，實現在主控室進行顯示和報警。

輻射監測專用計算機系統完成對各子項內輻射監測參數的統一監控，監測結構如圖1所示。計算機監控系統設置主機一臺，通訊機柜一臺，以及相應的配套電纜等。各就地輻射監測儀將測量信號傳送至輻射監測專用計算機，配置專用軟件，用以實現各工藝房間、工藝流程中放射性水平的實時監測和控制，輻射監測專用計算機與反應堆監控系統的數據傳輸采用TCP/IP方式接口通訊，其系統配置如圖2所示。

3.2 區域輻射監測系統改造

區域輻射監測系統探測射線類型分為區域γ輻射監測和區域中子輻射監測。區域輻射監測系統由多個測量通道組成，其中每個測量通道由探測裝置、測量裝置、報警裝置等組成。

更新全部區域γ和區域中子輻射監測儀。對于γ輻射水平存在高、低不同狀況的工藝房間，分別設置高、低量程兩種區域γ輻射監測儀表，采用硅半導體探測器監測較低輻射水平，采用電離室探測器監測較高輻射水平。在運行期間禁止入內的強輻射區域，采用墻嵌式電離室探測儀，探測裝置安裝于就地工藝房間，測量裝置安裝于隔壁工藝房間，以便于維修和更換。區域γ監測儀測量范圍為0.1～1×107Gy/h，能量范圍為60keV～3MeV[8]。區域中子監測儀測量范圍為1.0～1.0×105Sv/h[2]。當探測值超過預設報警值時，觸發報警裝置發出聲光報警信號。

3.3 燃料破損監測系統改造

3.3.1 燃料破損氣放輻射監測系統

拆除原監測儀及其前后段取樣管線，更換監測回路中主要監測設備。采用不銹鋼引出管從氦氣回路中引出少量氦氣（100L/h），經冷凝器，流量計、過濾盒、兩臺低、中量程探測器后返回氦氣回路，形成“氣放”監測小回路。一臺低量程監測儀采用硅半導體探頭，測量范圍10-6～10Gy/h，另一臺中量程監測儀采用電離室探頭，測量范圍10-5～103Gy/h。當連續監測儀表的讀數升高時，初步判燃料元件可能有破損，通過對監測數據的變化趨勢進行分析，進一步確認破損的程度。在取樣回路前端設置過濾盒，用以進行氣體雜質過濾及氣溶膠取樣，并設有短接支路，用以旁通取樣過濾盒，便于過濾盒的更換及檢修。取樣過濾盒的尺寸與現有實驗室測量儀器測量標準相匹配。

3.3.2 燃料破損液放輻射監測系統

本監測儀利用回路內不同位置的壓力差，由壓力較高的主換熱器出口處取主冷卻劑水樣至取樣監測回路，經前端蛇形管將16N衰變后，取樣水進入帶屏蔽的探測裝置，測量水中γ放射性，經取樣管線流入壓力較低的冷卻泵入口，實現對重水液放連續監測。

拆除原監測儀及其進出口附近管線，更新后的監測儀測量液體進出口管線口徑與原有測量系統進出口管線相匹配，進入監測儀內部的測量管線采用4П鉛屏蔽體;監測儀探測裝置安裝在就地支架上，測量裝置可就近安裝[7]。采用NaI（Tl）探頭+光電倍增管（內置241Am源，用以補償由溫度引起的譜峰漂移）的監測儀，配套4П鉛屏蔽包覆，測量射線能量范圍為100keV～7MeV，測量范圍為3.7×103Bq/m3～3.7×109Bq/m3，探測裝置配套安裝有檢查源及其承載器。

3.4 主換熱器泄漏輻射監測系統改造

主熱交換器重水泄漏輻射監測系統主要用于二次水回路中放射性物質的監測。當主熱交換器內管或內管兩端焊縫破裂時，重水將滲入二次水回路中，造成二次水污染。因此連續監測二次水回路中放射性物質濃度，可以判斷主熱交換器的完整性。

拆除原系統供電及信號控制電纜，保留原系統取樣回路部分，更換輻射監測儀、流量計及排放和取樣截止閥。選用碘化鈉監測儀，探測裝置安裝于屏蔽室內，有效測量范圍為3.7×103～3.7×109Bq/m3。

3.5 放射性氣溶膠輻射監測系統改造

本監測系統主要用于連續監測反應堆正常運行期間35個取樣點區域內氣體的放射性活度。設置有8個空氣放射性氣體輻射監測通道，采用巡檢方式監測。取樣點的選擇由電磁閥控制，可在輻射監測與控制計算機系統操作。該系統主要由取樣回路、探測裝置、控制測量裝置組成。取樣回路包括電磁閥、過濾盒、抽氣泵等設備。系統采用取樣管路通過抽氣泵抽取各個取樣點的空氣送入帶屏蔽的探測裝置，測量總β放射性活度。

拆除原系統供電及信號控制電纜，保留部分取樣管道，更換放射性氣體監測儀，更換取樣口位置處的電磁閥及過濾盒。監測儀有效測量范圍為104～3.7×108Bq/m3。

3.6 通風中心排出流輻射監測系統

通風中心排出流輻射監測系統實時監測比林堆煙囪氣態放射性氣體濃度，為判斷和評價正常運行工況及異常時，反應堆氣態流出物對環境的影響提供基礎數據。

拆除原放射性氣體監測儀、微粒取樣器、碘取樣器、氚取樣器、流量計及其管線和閥門，僅保留進出口取樣管線。增加在線微粒監測儀、碘監測儀、氚取樣器和惰性氣體監測儀，增加系統取樣泵及相應連接管線、干燥箱、快速接頭及閥門等。

通風中心排出流輻射監測通道取樣口設在離煙囪5m遠的總風道內的中心部位上，取樣氣體經管線進入工藝測量房間，經放射性微粒監測儀、放射性碘監測儀、放射性惰性氣體監測儀、氚取樣器，然后匯入排出總管，接至通風系統管道的風機吸入口[3]。在通道的取樣管線中預留快速接頭，必要時，可進行氣體取樣送實驗室測量。

惰性氣體監測儀[5]：測量射線類型為β、γ，測量射線能量范圍為80keV～2.5MeV，測量范圍為3.7×104Bq/m3～3.7×1011Bq/m3。

碘監測儀[6]：測量射線類型為γ，測量射線能量范圍為100keV～3MeV，測量范圍為3.7Bq/m3～3.7×105Bq/m3，探頭選型為NaI（Tl）+光電倍增管且配有4П鉛屏蔽包覆，碘盒的俘獲效率大于99%。

氣溶膠監測儀[4]：測量射線類型為α、β，測量射線能量范圍為2MeV～10MeV（α射線），80keV～2.5MeV（β射線），測量范圍為10-2Bq/m3～104Bq/m3（α射線），1.0Bq/m3～3.7×107Bq/m3（β射線）。

系統測量流程如圖3所示。

4 ?遇到的主要問題及解決方案

原區域輻射監測系統采用模擬量信號，報警信號統一傳送至反應堆主廠房地下室60號房間，通過60號房間的控制柜實現報警和定期檢查等功能。本次改造后，60號房間的控制柜拆除，各輻射監測儀的就地測量裝置將信號傳送至位于廠房三層的輻射監測專用計算機，不再經過控制柜，這需要重新設計電纜敷設方式。

同時，原通風中心和考驗回路的各監測儀信號僅分別送至各自的監控點，本次改造后，需分兩路，一路送至子項監控站，另一路送至輻射監測專用計算機，這就需要重新設計電纜敷設方式。

依據就近原則，將改造涉及的輻射監測系統設備按子項分為三大組，充分利用原預埋的電纜貫穿件，每組采用“串接并聯”方式連接入輻射監測專用計算機。即信號線接線是串接的，但線內是并聯的，這樣可以避免當其中一臺設備出現故障時不影響其它設備的正常通訊。

5 ?結語

改造項目與新建項目不同，其具體的改造方案，必須考慮原有運行條件和現場建設條件的限制，最大程度的利用現有配套設施和條件，同時遵照現行標準滿足現代化數字化功能的實現，技術難度比新建項目大。比林堆一、二期工程升級改造項目已于2019年3月13日實現15MW滿功率運行72h的驗收目標。調試和運行實踐證明，比林堆輻射監測控制系統的數字化升級改造設計是成功的，系統儀器設備性能和運行特性達到了設計預期。

參考文獻

[1] 《比林核研究中心一、二期工程現有核設施及輔助系統設計改造項目合同》的《技術說明書》2013.6.

[2] EJ/T 1011-96，固定式中子劑量當量儀、報警裝置與監測儀[S].1996-04-18.

[3] GB/T12726.2-2013《核電廠安全重要儀表事故及事故后輻射監測 第2部分：氣態排出流及通風中放射性離線連續監測設備》[S].中國國家標準化管理委員會.2013.12.17.

[4] GB/T 7165.1-2005，《氣態流出物（放射性）活度連續監測設備 第一部分 一般要求》[S].中國國家標準化管理委員會.2005.

[5] GB7165.3-2008，《氣態排出流（放射性）活度連續監測設備 第三部分：放射性惰性氣體監測儀的特殊要求》[S].中國國家標準化管理委員會.2008.

[6] GB 7165.4-2008，《氣態排出流（放射性）活度連續監測設備 第四部分：碘監測儀的特殊要求》[S].中國國家標準化管理委員會.2008.

[7] EJ/T 708-92，《輕水堆正常工況和預計運行事件下的工藝流輻射監測設備 一般要求》[S].CN-EJ.1992.12.07.

[8] GB14054-2013，《輻射防護用固定式X，γ輻射劑量率儀、報警裝置和監測儀》[S].中國國家標準化管理委員會.2013.