堆芯中子通量測量系統(tǒng)設(shè)備輻射劑量降低研究

唐 龍，高秉瀚，張建兵，祝偉健

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

堆芯中子通量測量系統(tǒng)的功能是提供反應(yīng)堆堆芯中子通量分布的數(shù)據(jù)。國內(nèi)M310 類型機組包括秦山一期、秦山二期、方家山、大亞灣、嶺澳一期、福清一期，通過對電動閥、止回閥進行清洗，降低輻射劑量的研究未曾涉及。

核電廠職業(yè)照射個人劑量監(jiān)測包括外照射個人劑量監(jiān)測和內(nèi)照射個人劑量監(jiān)測。外照射監(jiān)測主要通過佩戴在放射工作人員身體上的個人劑量計進行監(jiān)測，內(nèi)照射監(jiān)測主要是對其體內(nèi)或排泄物及其他生物樣品中放射性核素的種類和活度進行測量[1]。文獻[2]通過觀察長期低劑量電離輻射對醫(yī)務(wù)人員甲狀腺的影響，發(fā)現(xiàn)長期低劑量電離輻射影響放射工作者的甲狀腺功能。文獻[3]中通過對核電站放射工作人員的體檢分析，發(fā)現(xiàn)長期低劑量的職業(yè)核輻射對放射工作人員的健康有一定影響，需要進一步加強核電站工作場所的輻射防護。通過清洗，降低接觸劑量率，能夠減少工作人員外照射個人劑量，降低表面污染水平，能夠降低人員沾污風(fēng)險，避免內(nèi)照射，保護工作人員的安全。

秦山核電二期3/4 號機組堆芯儀表間，由于存在環(huán)境劑量偏高的問題，且房間的松散污染嚴重，迫切需要降低堆芯儀表間的環(huán)境劑量。通過對電動閥、止回閥的清洗，降低堆芯儀表間的環(huán)境劑量以及松散污染物，減少檢修工作人員的吸收劑量，降低人員沾污風(fēng)險。堆芯中子測量系統(tǒng)中的手動閥、止回閥和電動閥（閥體）屬于核級閥門[3]，與系統(tǒng)的安全息息相關(guān)。電動閥的失效可能會導(dǎo)致嚴重的核安全事故，美國三哩島核事故主要原因之一就是電動閥失效[4]，借助平臺對電動閥、止回閥的功能進行驗證，對電動閥的工作原理進行深入的研究，同時推動堆芯儀表間電動閥的自主檢修。

1 堆芯中子通量測量系統(tǒng)的功能及組成

1.1 堆芯中子通量測量系統(tǒng)的功能

堆芯中子通量由可移動的微型裂變室探測器進行測量，由測量系統(tǒng)獲得的中子通量數(shù)據(jù)信息分成兩種方式提供：一種是將被測通道中測得的曲線輸送到控制柜圖像顯示器上進行顯示；另一種是通量數(shù)據(jù)與電廠計算機系統(tǒng)（KIT）接收到的電廠其他數(shù)據(jù)相結(jié)合，經(jīng)過堆芯中子通量系統(tǒng)計算機處理后給出功率分布圖。以上信息用于啟堆期間和正常運行期間[5]。

堆芯中子通量測量系統(tǒng)在啟堆期間的功能：檢查壽期初堆芯功率分布是否與設(shè)計期望的功率分布相符；檢查用于事故工況設(shè)計的熱管因子是否保守；校準(zhǔn)堆外核測系統(tǒng)（RPN）；探測反應(yīng)堆在裝料中可能出現(xiàn)的差錯。正常運行時的功能：檢查與燃耗對應(yīng)的功率分布是否與設(shè)計所期望的功率分布相符；監(jiān)測各燃料組件的燃耗；校準(zhǔn)堆外核測量儀表；探測堆芯是否偏離正常運行[5]。

1.2 堆芯中子通量測量系統(tǒng)的組成

堆內(nèi)中子通量測量系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備有：①讀出控制柜；②分配柜；③驅(qū)動單元；④密封段、手動閥、電動閥；⑤導(dǎo)向管和指套管；⑥堆芯探測器。

秦二廠3/4 號機組，堆芯儀表間共有38 個用于進行堆芯中子通量測量的通道。如圖1 所示，在堆芯儀表間由驅(qū)動單元的三相二速異步電動機作為動力源，驅(qū)動中子通量探測器經(jīng)過組路選擇器（path group selector）、電動閥（motor-operated valve）、止回閥（check valve）、手動閥（manual valve），送入堆芯，完成中子通量分布數(shù)據(jù)的測量。測量完成后，探測器將被送入保存通道。

圖1 堆芯儀表間機電設(shè)備運行圖Fig.1 Operation diagram of electromechanical equipment in the core instrument room

圖2 電動閥閥體結(jié)構(gòu)Fig.2 Electric valve body structure

電動閥由不銹鋼制成，是用電激勵的，通常是關(guān)閉的。電動閥設(shè)計成能在指套管破裂的情況下，防止從堆芯來的蒸汽和水的泄漏。止回閥設(shè)計成在指套管發(fā)生泄漏和驅(qū)動電纜抽出時，在上游壓力的作用下使球體進入球形閥底座，防止一回路冷卻劑通過電動閥進一步泄漏[5,6]。

止回閥位于密封段與電動閥之間，內(nèi)部小球正常情況下由于重力自然掉落在腔室內(nèi)，當(dāng)一回路發(fā)生泄漏時，壓力上升，止回閥阻斷一回路冷卻劑泄漏路徑。

2 電動閥、止回閥的清洗以及功能驗證

2.1 電動閥的清洗以及功能驗證

堆芯中子通量測量系統(tǒng)在運行期間，探測器通過電動閥，導(dǎo)致帶有放射性的粉塵沉積在電動閥的底部，形成輻射熱點設(shè)備。電動閥的清洗通過將電動閥進行解體、清洗、更換密封填料、回裝的方式，降低電動閥的劑量，同時對電動閥的承壓性能、響應(yīng)電流和響應(yīng)時間進行檢查和驗證。

圖3 止回閥閥體結(jié)構(gòu)Fig.3 Check valve body structure

圖4 電動閥內(nèi)部接線Fig.4 Internal wiring of electric valve

電動閥內(nèi)部金屬球與密封填料形成面密封，為了保證清洗后的密封性能完整，在清洗過程中，金屬小球采用專用的清潔布對其表面的污染物進行清潔。清洗回裝過程中，使用新的密封填料，同時電動閥兩端的回裝有力矩要求，需要使用專用的力矩扳手進行力矩緊固。

為了驗證電動閥的承壓性能，對電動閥進行打壓試驗：將電動閥置于關(guān)位，進行打壓操作。按照廠家要求，滿足壓力在175±3（bar）范圍內(nèi)保持15min；將電動閥置于45°位置，進行打壓操作，滿足壓力在175±3（bar）范圍內(nèi)保持15min。

為了對電動閥的響應(yīng)電流和響應(yīng)時間進行檢查，將電動頭與手操箱進行連接驅(qū)動電動閥，對電動閥的響應(yīng)電流和響應(yīng)時間進行測量，確保清洗回裝后的電動閥響應(yīng)性能滿足要求。

2.2 止回閥的清洗以及功能驗證

堆芯中子通量測量系統(tǒng)在運行期間，探測器通過止回閥也會導(dǎo)致部分放射性粉塵沉積在止回閥腔室。止回閥與電動閥通過石墨墊片進行連接，對止回閥的清洗一方面防止日常運行期間其內(nèi)部的放射性粉塵轉(zhuǎn)移至電動閥內(nèi)，另一方面也對止回閥的承壓性能進行驗證。

止回閥內(nèi)部的金屬小球與閥體內(nèi)部的槽口形成線性密封，金屬小球或者槽口部分的金屬損傷可能造成密封失效。在清洗過程中，對止回閥內(nèi)部進行清洗時，需要使用質(zhì)地柔軟的清洗工具。止回閥的螺絲緊固有力矩要求，需要使用專用的力矩扳手進行緊固。

為了驗證止回閥的承壓性能，對止回閥進行打壓試驗：將止回閥置于垂直位置，連接打壓設(shè)備至止回閥的上游。按照廠家要求，滿足壓力在175±（3bar）范圍內(nèi)保持15min，則認為承壓性能合格。

在進行止回閥的打壓試驗過程中，發(fā)現(xiàn)4 號止回閥出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)4 號止回閥的密封面出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，無法與內(nèi)部小球形成有效的線密封。在文獻[7]中提到升降式止回閥，如果出現(xiàn)閥瓣、閥座藍油試驗不合格或者密封面存在劃痕等缺陷，則需要對密封面進行研磨處理。升降式止回閥的閥瓣密封形式為球冠面，閥座密封面形式為錐面，貼合后為線性密封。針對該類型密封的研磨處理必須注意以下事項：①研磨前，對閥瓣、閥座密封面進行清理；②研磨時，使用專用研磨膏或研磨砂紙。針對該類閥門研磨，通常須使用自制或廠家提供的手動研磨專用工具。該專用工具一般分為閥瓣研磨工具和閥座研磨工具，分別與閥座球形密封面、閥座錐形密封面適配，要特別注意的是，該類型閥門的研磨要禁止采用閥瓣、閥座相互對研的方式；③由于閥門的密封要求較高，在完成閥瓣、閥座研磨時，先針對閥瓣、閥籠、閥座三者的組合件進行閥瓣、閥座藍油貼合試驗。該試驗合格后，可以使用專用打壓工具對閥瓣、閥座進行離線的單體打壓。全部符合要求，最終再進行回裝閥門。經(jīng)過現(xiàn)場驗證，升降式止回閥的密封面缺陷處理方法，同樣適用于堆芯儀表間球形止回閥密封面損傷的問題。

3 電動閥的工作原理分析

電動閥主要由閥門部分和電傳動裝置兩部分組成。部分回轉(zhuǎn)的電傳動裝置位于金屬密封球閥的上方，是驅(qū)動閥門啟閉的動力源。閥門部分主要由閥體、球體、閥座、軸承等組成，電傳動裝置由電機、減速器、軸承等組成[8]。

正常供電狀態(tài)下，801PJ 的5、6 針腳供電48V 電壓，此時電機801MO 不轉(zhuǎn)動；當(dāng)電動閥接受到轉(zhuǎn)動命令時，針腳5 提供48V 電壓變?yōu)?V，此時電機801MO 轉(zhuǎn)動。由于電機中含有電感元件，電路中加入二極管，起到續(xù)流和釋放線圈能量作用，防止電路突然斷開導(dǎo)致的高電壓損壞電路元器件。

電動閥的轉(zhuǎn)動為順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)接收到開閥命令情況下，電機順時針轉(zhuǎn)過90°；將閥門置于開位，接收到關(guān)閥命令情況下，電機順時針轉(zhuǎn)過90°，將閥門置于關(guān)位。閥門與電動頭的搭配工作，采用電壓的形式完成電動閥當(dāng)前的狀態(tài)反饋。在響應(yīng)電流測試過程中發(fā)現(xiàn)電動閥沒有置于關(guān)閥位置與電動頭形成連接，而是轉(zhuǎn)過了一定角度。在這種情況下，電動頭給電動閥動作命令，電動閥動作后，反饋的狀態(tài)與所給命令不一致。將電動閥重新轉(zhuǎn)至反饋的狀態(tài)，與電動頭進行正確連接后，電動閥按照所給的命令正確工作。

4 電動閥、止回閥的輻射降低效果

放射性去污是指采用各種手段從被污染物表面去除放射性污染，以減少對人員的照射、使污染區(qū)可以重新利用。去污的目的是把放射性沾污降低到某種可接受的水平，防止沾污擴散，并使個人照射和廢物沉積降到最低[9]。從圖5、圖6 中可以看出，通過將電動閥、止回閥從堆芯儀表間拆卸轉(zhuǎn)運至放射性物品去污車間進行專項清潔，實現(xiàn)了電動閥、止回閥的接觸劑量率以及表面污染水平的有效降低。從去污前后的對比可以看出，去污后電動閥、止回閥的松散污染物基本消除，接觸劑量率降低效果明顯，具體見表1。堆芯儀表間的環(huán)境劑量問題與松散污染物的積累有很大關(guān)系，經(jīng)過清洗后，松散污染物基本消除，接觸劑量率也下降明顯。這也說明通過松散污染物的清理，實現(xiàn)堆芯儀表間的環(huán)境劑量降低的可行性，為后續(xù)的輻射劑量降低工作提供了參考數(shù)據(jù)。

圖5 去污前后電動閥、止回閥接觸劑量率折線圖Fig.5 Broken line of contact dose rate of electric valve and check valve before and after decontamination

圖6 去污前后電動閥、止回閥表面污染折線圖Fig.6 Line graph of surface contamination of electric valve and check valve before and after decontamination

表1 電動閥、止回閥去污前后接觸劑量率、表面污染水平數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of contact dose rate and surface contamination leveldata before and after decontamination of electric valves and check valves

5 總結(jié)

國內(nèi)現(xiàn)有百萬千瓦級壓水堆核電機組的設(shè)計壽命為40年，隨著對于安全殼結(jié)構(gòu)研究的深入，正向著設(shè)計壽命60年不斷邁進[10]。熱點設(shè)備的問題亟待解決，本文為核電廠熱點設(shè)備的解決提供了一種可行的思路，同時也對堆芯儀表間的電動閥、止回閥的承壓性能進行了驗證。在對電動閥、止回閥的拆解、清洗過程中，對電動閥、止回閥的不同密封理解更加深刻，通過清洗后的電動閥、止回閥的輻射劑量有效降低，松散污染物基本消除，承壓性能得到驗證，確保了核電廠一回路壓力邊界的完整性。