核電廠燃料組件在線啜漏裝置實現放射性氣體標定方法的研發

崔 猛,陳 斌,劉主根,孫顯海,李玉婷,官慶波

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116000)

燃料包殼是核電站防止放射性泄漏到環境中的第一道屏障，起著包容裂變產物和防止二氧化鈾芯塊被冷卻劑腐蝕的作用。當燃料組件破損時，在機組卸料期間需要用在線啜漏設備持續監測燃料組件，檢測出破損組件。

目前核電站所使用的在線啜漏設備測量室體積為2L，探測器晶體類型為NaI(Tl)，通過測量探測器輸出的電壓脈沖信號來確定γ粒子的能量和計數率，根據計數率大小判斷燃料組件狀態。但是由于將在線啜漏設備第一次測量的標準放射源的計數率作為初始計數率，后續每次開展在線啜漏設備預檢時以該數據作為原始數據，利用放射源的衰變規律計算預檢時的理論計數率，以此來判斷在線啜漏設備的可靠性。由于該放射源是固體源，其體積、形狀等與實際測量的氣體不一致，因此無法給出該設備測量133Xe的檢測限和定量分析133Xe氣體的放射性活度，也無法模擬驗證在真實測量工況下在線啜漏設備的可用性。如果能夠采用真實的、已知活度的放射性氣體來實現在線啜漏設備的標定，將大大提高在線啜漏設備的可靠性、準確性。因此有必要研發一套放射性氣體取樣裝置，實現該裝置與在線啜漏設備的在線連接，并將該裝置內已知活度的放射性氣體注入在線啜漏設備，實現對在線啜漏設備測量部分的驗證和標定。

1 放射性氣體(133Xe)取樣裝置研發

要實現已知活度的放射性氣體能夠注入在線啜漏設備，需要一套放射性氣體的取樣裝置。結合實際需求，設計了如下的放射性氣體取樣裝置。該裝置采用不銹鋼材質，其有效體積為20 L，承壓能力為20 bar，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 放射性氣體(133Xe)取樣裝置Fig.1 The radioactive gas (133Xe) sampling device

A1、A2、A6、A8為快速接頭；

A8由可拆卸的快速接頭連接，兩種接頭可靈活切換，其可連接在線啜漏設備的AIR SUPPLY母接頭、AIR SUCTION母接頭處；

A4為壓力表，A7為流量計；

A3、A5為調節閥。

2 放射性氣體(133Xe)取樣裝置試驗方案

2.1 正常情況下燃料組件在線啜漏介紹

核電站反應堆正常運行時反應堆冷卻劑裂變產物133Xe<185 MBq/m3(稱之為凈堆)，同時在反應堆停堆瞬間無碘峰，并有燃料包殼完整的評價報告，則燃料組件在卸出壓力容器時不需要進行在線啜漏試驗。針對臟堆(133Xe>185 MBq/m3)如果反應堆冷卻劑裂變產物活度在燃料循環末期同時滿足以下四個條件且有燃料包殼完整的評價報告，則燃料組件在卸料時無需進行在線啜漏試驗。

1)反應堆穩定功率運行時133Xe/135Xe<0.9；

2)185 MBq<133Xe<1 000 MBq/t；

3)停堆瞬態無碘峰；

4)停堆降壓過程中無氙峰。

若不能滿足上述的條件，則在機組卸料過程中，需要對燃料組件進行在線啜漏，以查找可能存在的缺陷組件。

在線啜漏簡要流程：在卸料過程中，卸料機夾爪將燃料組件從壓力容器提升9 m至PMC換料套筒，同時在套筒底部鼓入壓縮空氣，燃料組件在水下由于高度的提升，導致燃料包殼內外壓差變化，進而導致放射性氣體從破損的組件中釋放出來，由壓縮空氣將釋放出來的裂變氣體133Xe帶入燃料組件在線啜漏探測器部分進行測量。根據無組件本底測量值和組件測量值數值的不同，最終給出燃料組件是否破損的評價。燃料組件在線啜漏流程如圖2所示。

圖2 燃料組件在線啜漏簡圖Fig.2 The schematic of the online fuel assembly leakage

2.2 在線啜漏設備放射性氣體性能試驗

1)用放射性氣體(133Xe)取樣裝置從核電站廢氣處理系統(TEG系統)運行接收箱取出含133Xe的放射性氣體，該裝置氣體體積為20 L，氣體絕對壓力為5.8 bar)。

2)同時采用體積為2 L的TEG專用取樣瓶從同一TEG接收箱取放射性氣體，并通過γ譜儀測量該氣體的133Xe核素活度(實際測得133Xe放射性活度為47.6 MBq/m3)。

3)將133Xe取樣裝置內的放射性氣體通過在線啜漏設備的suction連接口注入在線啜漏裝置，待計數穩定后關閉133Xe取樣裝置氣源出口閥并記錄啜漏設備NaI探頭測量值以及133Xe取樣裝置的壓力值。見圖3。

圖3 suction注入133Xe試驗流程圖Fig.3 The test flow chart of the suction injection into 133Xe

4)通過向133Xe取樣裝置多次注入氮氣稀釋該放射性氣體(記錄壓力值，通過壓力計算稀釋倍數)，將133Xe取樣裝置內的放射性氣體通過在線啜漏設備的supply連接口接入在線啜漏裝置，待計數穩定后關閉133Xe取樣裝置氣源出口閥并記錄啜漏設備NaI探頭測量值以及133Xe取樣裝置的壓力值。見圖4。

圖4 SUPPLY注入133Xe試驗流程圖Fig.4 The test flow chart of SUPPLY injection into 133Xe

5)通過向133Xe取樣裝置多次注入氮氣稀釋該放射性氣體(記錄壓力值，通過壓力計算稀釋倍數)，并再次通過suction回路注入在線啜漏裝置，待計數穩定后關閉133Xe取樣裝置氣源出口閥并記錄不同稀釋倍數下的測量值。

3 試驗數據分析

通過上述的測試，得到試驗數據如表1所示。

表1 試驗數據

3.1 在線啜漏裝置的校正系數和測量活度計算

可根據未稀釋的放化數據計算133Xe活度的校正系數。

校正系數ε計算公式為：

活度計算公式為：A=(Ns-Nb)/ε

式中：ε——校正系數；

NT——標準源計數率；

Nb——本底計數率；

AT——Xe133標準源比活度；

λ——常數(0.693)；

Δt——放射源衰變的時間；

T——Xe133放射源的半衰期；

A——實際活度；

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Ns——樣品計數率。

代入數值計算，ε為26.36。根據活度計算公式A=(Ns-Nb)/ε，計算所得的活度均和理論活度值偏差在5%以內(見表1)。

3.2 在線啜漏裝置的效率和133Xe檢測限

根據效率和檢測限計算公式：

式中：η——儀器檢測效率；

NT——標準源計數率；

A——標準源活度；

LLD——核素檢測限；

Kα、Kβ——常數，在95%的置信度下Kα=Kβ=1.645；

Nb——測量時間內本底計數(0.77×100)；

tb——本底測量時間(此次為100 s)。

經過計算，在線啜漏裝置檢測效率η=1 256×103/(2×47.62×106)=1.32%。

在線啜漏裝置檢測限0.013 2×2)=15 465 Bq/m3=0.015 5 MBq/m3。

計數率為LLD×η×V=0.41 cps，說明當在線啜漏設備本底計數率為0.77 cps時，燃料組件測量計數率比本底值大0.41 cps即可判斷該燃料組件存在缺陷。

4 結論

通過放射性氣體133Xe取樣裝置，取可知活度的放射性氣體，能夠對在線啜漏設備驗證以下功能：

1)能夠實現在線啜漏設備探頭的標定以及133Xe氣體的定量分析；

2)根據測試數據以及本底計數率，能夠得出在線啜漏設備探測器的檢出限。根據所計算出的檢出限，可進一步為判斷燃料組件是否存在缺陷提供依據;

3)能夠模擬驗證在真實測量工況下在線啜漏設備的可用性。