RMS 放射性探測性能試驗方法缺陷分析與應對研究

柳繼坤

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

核電廠輻射監測系統 （Radiation Monitoring System， RMS） 為機組正常運行和事故響應提供用于放射性物質釋放評價的監測信息，是核電安全縱深防御體系中的重要環節，也是核電廠應急響應和決策的重要依據[1]。RMS 監測通道放射性探測性能(以下簡稱探測性能)的主要技術指標包括相對固有誤差和探測效率； 通過對RMS 監測通道在出廠前進行計量校準獲得相對固有誤差數據， 通過對RMS 監測通道執行探測效率檢查試驗獲得監測通道的探測效率。RMS 試驗技術程序中的試驗方法主要來源于設計、供貨技術文件，設計、供貨技術文件中的缺陷如果不能被有效地辨識并糾正，這些技術性缺陷通常會被輸入到試驗技術程序中，這種缺陷往往會對使用相同型號的RMS設備的核電機組產生影響，可能導致群廠性問題。

某電站核電機組RMS 主要由國內某供應商供貨（供應商-甲），RMS 定期試驗程序的探測性能試驗引用了供貨技術文件中提供的試驗方法， 定期試驗程序規定以RMS 通道在制造廠內的首次探測效率試驗結果為基準對后續探測效率試驗結果進行評價， 電廠試驗人員在試驗期間以RMS 通道調試啟動試驗獲得的探測效率為基準對定期試驗獲得的探測效率進行了評價，實際試驗方法與定期試驗程序規定不一致，違反了機組安全相關系統和設備定期試驗監督要求， 最終造成執照運行事件[2]。 事后分析發現供應商-甲在其供貨技術文件中提供的RMS 監測通道探測效率驗收方法存在缺陷， 即便試驗人員嚴格按照定期試驗程序執行試驗，因為試驗方法缺陷，最終對試驗結果的評價亦存在不確定性，可能導致試驗結果評價無效。 因此，有必要對RMS 監測通道探測性能試驗方法進行研究，辨識并糾正其中的缺陷， 避免因技術程序存在缺陷造成試驗結果無效，從而防止執照運行事件發生。

本研究基于RMS 有關的國家標準和檢定規程對RMS 監測通道放射性探測性能指標的物理意義進行了分析，并給出了解讀結果；分析了供應商-甲為核電機組供貨的RMS 監測通道探測性能試驗方法中存在的缺陷，并給出了應對措施。 對國產化RMS 設備產品一致性不高，以及計量校準的質量控制問題進行了討論， 給出了改進建議。 研究成果可供新建核電機組RMS 設計、 采購和調試工作以及在役核電機組RMS定期試驗和改造工作參考。

1 探測性能指標的物理意義

機組調試和運行期間， 把RMS 監測通道探測效率作為判斷通道的核輻射探測器能否繼續使用的主要技術指標。 某核電廠RMS 設備技術規格書中規定RMS 監測通道的相對固有誤差應在-20%～20%范圍內；部分RMS 監測通道探測效率的驗收標準也是-20%～20%。 由于上述兩個驗收標準在數值上一致，造成了部分試驗人員認為RMS 監測通道相對固有誤差與探測效率在物理意義上是相同的。

檢定規程《輻射防護用X、γ 輻射劑量當量（率）儀和監測儀》（JJG 393—2003） 中對相對固有誤差的定義為：在規定的參考條件下，儀器對指定參考輻射的指示值的相對誤差[3]。 相對固有誤差的計算式為：

式中，I 為相對固有誤差；Hi為被檢定儀器指示值；Ht為被測量約定真值。

國家標準《核科學技術術語第6 部分：核儀器儀表》（GB/T 4960.6—2008） 中對探測效率的定義為：在規定的幾何條件下，單位時間探測到的某類型粒子數與輻射源同類型粒子的表面發射率之比[4]。 國家標準《輻射防護儀器便攜式表面污染光子測量儀和監測儀》（GB/T 29788—2013）中對表面發射率（放射源用）的定義為：在單位時間內從放射源的表面或其窗口發射的能量大于一定給定值的給定類型的粒子數[5]。RMS 監測通道探測效率計算式為：

式中，E 為探測效率；Cb為 RMS 通道探測到的環境本底計數率，s-1；Cd為試驗用放射源放置到位后RMS 通道測得的穩定計數率，s-1；q2π為試驗用放射源的表面發射率，s-1·（2πsr）-1。

由此可知，RMS 監測通道的相對固有誤差與探測效率是兩個完全不同的技術指標， 其物理意義也不同。 國產化RMS 設備出廠前普遍按照JJG 393—2003檢定規程進行校準，相對固有誤差應由資質合格的計量檢定實驗室完成對RMS 設備校準后，在RMS 設備校準證書中給出；RMS 通道在核電機組現場安裝完成后，通過執行調試試驗獲得通道在機組現場的探測效率，后期通過執行定期試驗可跟蹤、評價通道探測效率的變化， 根據變化趨勢為RMS 設備老化和機組備件管理提供參考。 因此，不能以現場試驗期間獲得的RMS 監測通道探測效率等效或替代相對固有誤差。

2 探測性能試驗方法缺陷分析

2.1 試驗方法描述

供應商-甲在RMS 設備運行與維修手冊中給出的RMS 監測通道探測性能試驗方法如下：

根據試驗測量數據計算RMS 監測通道的當前探測效率，計算式為：

式中，Et為監測通道安裝到現場后的探測效率；Md為試驗過程中監測通道指示值的平均值；Mb為監測通道測量環境本底指示值的平均值；A 為放射源的當前活度。

計算RMS 監測通道當前探測效率與出廠試驗測得探測效率的偏差，計算式為：

式中，ε 為探測效率偏差；E0為監測通道出廠試驗測得的探測效率。

試驗驗收標準為-20%≤ε≤20%， 探測效率偏差滿足驗收標準要求， 則RMS 監測通道的放射性探測性能合格。

2.2 探測效率計算方法缺陷分析

基于前文分析可知式（3）的計算結果與式（2）計算結果存在差異。選擇使用137Cs 固體放射源作為試驗放射源的γ 監測通道為分析對象，圖1 為137Cs 的衰變綱圖。 放射源的活度單位是Bq，其物理意義為1Bq 等于每秒發生1 次核躍遷或1 次核蛻變[6]。 使用137Cs 放射源對γ 監測通道進行探測效率試驗時的有效射線是能量為0.661 7 MeV 的γ 射線，從137Cs 的衰變綱圖中可以得出其衰變產生能量為0.661 7 MeV，γ 射線的產額約80.5%，該計算結果與文獻[7]中給出的結果（84.99%）相近。因此放射源活度與放射源表面發射率除了物理意義不同外，在數值上也存在差異。

圖1 137Cs 衰變綱圖

若要獲得相對準確的探測效率計算結果，放射源表面發射率的數據必須足夠準確。RMS 監測通道探測性能試驗使用的放射源只有少數幾顆α、β 源是立體角為2π 的平面源， 大多數試驗用放射源是圓柱狀放射源， 對于難以給出準確表面發射率的放射源，RMS監測通道探測效率近似值可使用式（5）進行計算，式（5）也是法國MGP 公司供貨的RMS 監測通道探測效率的主要計算式。

式中，E*為探測效率近似值，s-1·Bq-1。

假定使用137Cs 平面源為一個RMS γ 監測通道執行探測性能試驗，由0.661 7 MeV 的γ 射線產額可知基于同一次試驗數據使用式（5）計算得出的探測效率值約為使用式（2）計算值的 0.805 0～0.849 9 倍。

使用式（5）時RMS 監測通道必須具備顯示射線粒子計數率的功能。以供應商-甲為某核電廠供貨的蒸汽發生器排污水γ 活度監測通道為例， 該通道沒有設計射線粒子計數率顯示窗口， 從設備顯示器上只能獲得體積活度（單位為 Bq·m-3），使用式（3）計算得到試驗結果的量綱為Bq·m-3·Bq-1，這只是一個在數值上與探測效率存在一定關系的計算結果 （通道γ 計數率與體積活度的換算關系屬于供應商技術保密內容， 暫時無法評估由γ 計數率與體積活度換算對探測性能試驗結果造成的影響）。由前文分析可知，使用供應商-甲給出的RMS 監測通道探測效率計算方法無法計算得到國家標準中定義的探測效率；相比較而言，式（5）的計算結果更接近國家標準中定義的探測效率。

2.3 探測效率驗收方法缺陷分析

RMS 設備安裝到核電現場后的環境本底差異、試驗放射源差異（個別機組已發現制造廠與現場試驗用放射源不是同一顆放射源）都會對探測效率的試驗結果產生影響， 放射性統計漲落等特點決定了RMS 設備在制造廠內試驗測得的E0 本身就存在一定誤差，因此基于式（4）評價RMS 監測通道探測效率變化的方法存在會引入誤差的缺陷，嚴重時會造成評價結果失效。

假定某RMS 監測通道初始探測效率的約定真值（E0，T）已知，核電現場測得探測效率 Et相對 E0，T的誤差會受 E0與 E0，T之間的誤差和 Et與 E0之間的誤差的影響而發生變化，從表1 的誤差傳遞計算示例中可以發現當誤差的疊加達到一定程度時會造成Et相對E0，T的誤差超出-20%～20%的范圍， 因此這種誤差跟蹤與評價方法用于判斷RMS 監測通道的放射性探測性能是不恰當的。

表1 誤差傳遞計算示例

2.4 分析結果

基于上述分析， 供應商-甲在供貨技術文件中提供的RMS 監測通道探測效率計算方法與國家標準給出的探測效率計算方法存在差異，其計算結果不是嚴格意義上的探測效率；供應商-甲給出的以E0為基準的RMS 監測通道探測效率評價方法存在缺陷， 因E0可能存在誤差或因制造廠與核電機組現場試驗條件差異造成E0不能作為比較基準，有導致現場RMS 監測通道探測效率試驗結果評價存在不確定性或無效缺陷， 因此不建議在RMS 試驗技術程序中使用供應商-甲在供貨技術文件中提供的RMS 監測通道探測效率驗收方法。

3 應對措施

由前文分析可知供應商-甲給出的RMS 監測通道探測效率驗收方法存在缺陷， 參考法國MGP 公司RMS 設備的成熟應用經驗，RMS 監測通道探測效率是否合格應根據具體RMS 監測通道探測效率的驗收范圍進行評價，RMS 設備安裝到核電機組現場后的試驗結果只需與約定的驗收范圍進行比較評價即可；當前已在陽江核電廠、紅沿河核電廠的5、6 號機組RMS調試環節完成了這項改進。

為了實現在現場試驗期間能夠相對準確地計算RMS 監測通道探測效率的目標，即以式（2）計算探測效率或以式（5）計算探測效率近似值，應在RMS 監測通道中設計射線粒子計數率顯示功能， 已向RMS 供應商提出了此項改進意見。

4 討論與建議

4.1 國產RMS 產品一致性現狀與建議

國產RMS 設備的運行穩定性已接近國外主流RMS 供應商的產品，但從近三年交付核電現場的國產RMS 設備實際性能分析， 產品一致性還有待提高；文獻[8]中亦指出了國產RMS 產品一致性的不足。 RMS監測通道探測效率主要受核輻射探測器性能影響，如果相同型號RMS 監測通道的產品一致性不高， 容易造成同一臺機組的同型號RMS 監測通道探測效率驗收標準不統一問題， 即相同型號RMS 監測通道存在多個驗收標準， 目前已有數臺核電機組遇到了此問題； 上述問題會導致RMS 監測通道因隨機設備故障更換新的核輻射探測器后現場試驗人員無法準確確定探測效率驗收標準的問題，驗收標準不準確存在造成試驗結果評價無效的風險。

某核電廠的RMS 設備技術規格書中未對RMS產品一致性做出約束，因此，建議后續新建機組設計或運行機組采購備件時應對RMS 產品一致性給出明確要求。

4.2 RMS 出廠前校準質控現狀與建議

文獻[9]提供的檢查結果顯示40 個型號的用于輻射防護監測的γ 輻射監測儀中相對固有誤差絕對值在10%～20%范圍的有24 型（占比為60%），相對固有誤差在-10%～10%范圍的有 11 型 （占比 27.5%），超出-20%～20%范圍的有5 型（占比12.5%）。 當前RMS設備出廠前的校準環節存在下列3 種常見不規范問題：（1）部分 RMS 設備到貨后缺少校準證書；（2）個別核電機組RMS 設備的校準證書中批次性缺少相對固有誤差的校準結果；（3）一部分RMS 設備的校準證書中給出的相對固有誤差結果為0 或約為0，從當前民用RMS 設備的實際探測性能分析， 這種校準結果不可靠。 因此，后續應從核電廠設備質保管理環節加強對RMS 設備出廠前校準工作的監督。

5 結論

研究得出如下結論：

（1）RMS 監測通道探測效率與相對固有誤差的物理意義完全不同，是兩個不同的技術指標，不能等效或互相替代。

（2）供應商-甲在其供貨技術文件中提供的RMS監測通道探測效率的計算方法與國標規定不一致，且其探測效率驗收方法存在導致試驗結果評價存在不確定性或無效的缺陷， 不建議RMS 試驗技術程序使用該供應商提供的探測效率驗收方法。

（3）應對RMS 監測通道的產品一致性做出約束，相同型號通道應使用相同的探測效率驗收標準，避免通道更換探測器后發生無法確定驗收標準的問題。

（4） 核電用戶應對RMS 設備出廠前的校準工作加強質保監督，確保設備的出廠質量滿足設備技術規格書要求。

本研究給出的分析結果、結論，以及應對措施、建議可供RMS 設計、采購、調試及維修工作參考。