核電廠燃料組件在線啜漏裝置實現(xiàn)放射性氣體標定方法的研發(fā)

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(huán)境中的第一道屏障，起著包容裂變產(chǎn)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(shè)備持續(xù)監(jiān)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(shè)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(shù)率，根據(jù)計數(shù)率大小判斷燃料組件狀態(tài)。但是由于將在線啜漏設(shè)備第一次測量的標準放射源的計數(shù)率作為初始計數(shù)率，后續(xù)每次開展在線啜漏設(shè)備預(yù)檢時以該數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，利用放射源的衰變規(guī)律計算預(yù)檢時的理論計數(shù)率，以此來判斷在線啜漏設(shè)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(shè)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(shè)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(xiàn)在線啜漏設(shè)備的標定，將大大提高在線啜漏設(shè)備的可靠性、準確性。因此有必要研發(fā)一套放射性氣體取樣裝置，實現(xiàn)該裝置與在線啜漏設(shè)備的在線連接，并將該裝置內(nèi)已知活度的放射性氣體注入在線啜漏設(shè)備，實現(xiàn)對在線啜漏設(shè)備測量部分的驗證和標定。

1 放射性氣體(133Xe)取樣裝置研發(fā)

要實現(xiàn)已知活度的放射性氣體能夠注入在線啜漏設(shè)備，需要一套放射性氣體的取樣裝置。結(jié)合實際需求，設(shè)計了如下的放射性氣體取樣裝置。該裝置采用不銹鋼材質(zhì)，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(shè)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(diào)節(jié)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(yīng)堆正常運行時反應(yīng)堆冷卻劑裂變產(chǎn)物133Xe<185 MBq/m3(稱之為凈堆)，同時在反應(yīng)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(yīng)堆冷卻劑裂變產(chǎn)物活度在燃料循環(huán)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(yīng)堆穩(wěn)定功率運行時133Xe/135Xe<0.9；

2)185 MBq<133Xe<1 000 MBq/t；

3)停堆瞬態(tài)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(nèi)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(jù)無組件本底測量值和組件測量值數(shù)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(shè)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(tǒng)(TEG系統(tǒng))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(nèi)的放射性氣體通過在線啜漏設(shè)備的suction連接口注入在線啜漏裝置，待計數(shù)穩(wěn)定后關(guān)閉133Xe取樣裝置氣源出口閥并記錄啜漏設(shè)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(shù))，將133Xe取樣裝置內(nèi)的放射性氣體通過在線啜漏設(shè)備的supply連接口接入在線啜漏裝置，待計數(shù)穩(wěn)定后關(guān)閉133Xe取樣裝置氣源出口閥并記錄啜漏設(shè)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(shù))，并再次通過suction回路注入在線啜漏裝置，待計數(shù)穩(wěn)定后關(guān)閉133Xe取樣裝置氣源出口閥并記錄不同稀釋倍數(shù)下的測量值。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

通過上述的測試，得到試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

3.1 在線啜漏裝置的校正系數(shù)和測量活度計算

可根據(jù)未稀釋的放化數(shù)據(jù)計算133Xe活度的校正系數(shù)。

校正系數(shù)ε計算公式為：

活度計算公式為：A=(Ns-Nb)/ε

式中：ε——校正系數(shù)；

NT——標準源計數(shù)率；

Nb——本底計數(shù)率；

AT——Xe133標準源比活度；

λ——常數(shù)(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(shù)率。

代入數(shù)值計算，ε為26.36。根據(jù)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(nèi)(見表1)。

3.2 在線啜漏裝置的效率和133Xe檢測限

根據(jù)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(shù)率；

A——標準源活度；

LLD——核素檢測限；

Kα、Kβ——常數(shù)，在95%的置信度下Kα=Kβ=1.645；

Nb——測量時間內(nèi)本底計數(shù)(0.77×100)；

tb——本底測量時間(此次為100 s)。

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

4 結(jié)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?qū)υ诰€啜漏設(shè)備驗證以下功能：

1)能夠?qū)崿F(xiàn)在線啜漏設(shè)備探頭的標定以及133Xe氣體的定量分析；

2)根據(jù)測試數(shù)據(jù)以及本底計數(shù)率，能夠得出在線啜漏設(shè)備探測器的檢出限。根據(jù)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(jù);

3)能夠模擬驗證在真實測量工況下在線啜漏設(shè)備的可用性。