核電站一回路介質非接觸式監測系統優化研究

謝衛平

（江蘇核電有限公司，連云港222000）

燃料元件包殼是核電站安全設計中對放射性物質包容的第一道屏障，它主要用于包覆核燃料芯體、容納裂變產物、給核燃料芯塊提供適當的剛度和強度，以防止冷卻劑對燃料的腐蝕和裂變產物進入一回路冷卻劑中。如果燃料元件包殼破損，就會有裂變產物泄漏到一回路冷卻劑中，同時冷卻劑的放射性水平就會升高，將會影響到主回路設備和電站工作人員的安全，在壓水堆核電站設計中規定了正常情況下燃料元件包殼破損率的允許值[1-3]。

一回路放射性監測系統是核電站工藝輻射監測的重要組成部分，它通過非接觸式的測量方式對一回路冷卻劑放射性體積活度進行在線連續監測，相應的監測數值作為堆芯燃料元件包殼是否破損的重要參數。當被測活度值超過允許值時，儀表將觸發相關信號并送到機組主控室[4-9]，由機組操縱員進行人為干預，保證機組的安全運行。

1 一回路放射性監測系統運行情況

1.1 系統簡介

一回路冷卻劑γ 放射性水平在線連續監測系統的組成原理如圖1所示。為了降低儀表測量本底，測量系統不僅設置了準直器（鉛材料），而且整個探頭（NaI（Tl）閃爍探頭）[10]也安放在10 cm 厚的鉛屏蔽室內。探測器輸出的信號經過二次（放大、成行、甄別、單道脈沖幅度甄別）處理后送至就地處理單元進行記錄和顯示，并且同步送至計算機房由中央處理器的專門軟件進行處理，當測量結果超過報警閾值時由報警系統給出聲光報警[11-13]。

圖1 一回路冷卻劑γ 放射性在線連續測量系統組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of composition of online continuous measurement system of coolant γ radioactivity in one circuit

1.2 運行現狀分析

以某核電站一回路放射性監測系統的設計和運行情況為例進行介紹。該核電站監測系統的設計方案為：取樣介質依靠系統壓差進行取樣，探測裝置采取非接觸式的安裝模式，并在一回路取樣管線上并行設置3 套互為冗余的探測裝置對取樣管線內γ 放射性進行連續實時的監測，監測系統現場設計示意圖如圖2所示。

圖2 某核電站一回路放射性監測系統現場設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of site design of a nuclear power plant one-loop radioactivity monitoring system

監測系統運行期間常見的超閾值報警原因有三種，分別為：一回路介質輻射水平真實升高、輻射水平較高的熱粒子短時間通過取樣管線、取樣管線放射性產物沉積。3 種報警原因的判斷方法主要是借助于電站水化學取樣分析數據，具體如表1所示。

表1 監測系統超閾值報警原因判斷方法Tab.1 Monitoring system over-threshold alarm cause judgment method

根據運行統計，因為取樣管線放射性產物沉積導致監測系統超閾值報警次數占20%左右。該類型報警不能如實反映一回路冷卻劑放射性體積活度，影響對燃料元件包殼完整性判斷，因此需要采取措施消除取樣管線內放射性產物的沉積，以保證監測系統測量結果的準確性。

2 解決方案及實施效果評價

由監測系統現場設計示意圖（圖2）可知，該核電站一回路放射性監測系統的取樣管線成U 型布置，U 型管線底部與介質的出口管線頂端有較大的高度差。在機組功率運行期間，取樣管線內壁和相關設備會沉積一定量的放射性產物，尤其是在機組停運時，由于系統壓差基本消失，取樣流量、流速等大大降低，沉積在取樣系統設備和管線內壁的放射性產物在設備運行操作等情況進入到下游管線，且容易轉移至U 型取樣管底部區域，而該區域正好是一回路放射性監測系統探測裝置的設置區域。為了解決取樣管線內放射性產物沉積[14-15]導致一回路放射性監測系統的監測數值上漲或者超閾值報警的問題，重點考慮從系統沖洗、系統運行優化和取樣管線布置設計優化3 個方面來解決。

2.1 系統沖洗方案及實施效果

在出現因為取樣管線放射性產物沉積導致監測系統數值上升或者出現超閾值報警時，通過將取樣管線的根閥及相關閥門打開并調節到最大開度，增加管線中介質的流速和流量來進行沖洗；或者借助于其它系統或者外接增壓泵對目標管線或者設備進行沖洗；與此同時，為了提升沖洗效果，還可以在沖洗過程中配合使用橡膠錘輕敲管線。

系統沖洗作為核電站放射性取樣監測系統降低放射性沉積產物的常用手段。根據運行經驗，通過對取樣管線沖洗可以有效地降低取樣管線內的放射性沉積產物，沖洗后監測系統重新投運時監測數據恢復正常，但經過一段時間的運行后，取樣管線內將再次沉積放射性產物。除此之外，系統管線在沖洗時，往往需要經過多次反復沖洗才能達到預期的效果。

2.2 系統運行優化方案及實施效果

在系統停運時，先將監測系統出口閥關閉，并在一段時間后關閉進口閥，由于取樣隔離管道內殘存一定的壓力，因此需要進行泄壓操作。而在進行泄壓操作時可能會使沉積在上游管線內的一回路放射性產物轉移到取樣管線U 型底部（監測裝置設置位置），從而造成監測裝置數值升高或者超闕值報警。因此，可考慮通過改變閥門的操作順序來避免上游取樣管線或者設備內的放射性沉積產物轉移至U 型底部。即在系統停運時，首先將一回路取樣進口閥關閉，并沿著取樣管道介質流向依次逐個關閉后續閥門。

通過改變閥門的操作順序后，可以有效避免取樣管道殘存壓力泄壓時造成上游沉積的放射性產物轉移至U 型底部的可能性，避免系統在重新投運時出現監測數據上升/超閾值報警。根據運行經驗，通過改變閥門的操作順序仍然無法消除日常運行期間已經沉積在U 型底部的放射性產物，且無法避免放射性產物沉積。

2.3 系統取樣管線布置優化方案及實施效果

通過小范圍優化改進取樣管道的走向和布置，將容易造成放射性產物沉積的U 型取樣管線優化為一定傾斜度的管線。同時，為了確保優化前后短半衰期核素測量的精度不發生變化，需要確保優化前后取樣管線的長度保持一致。取樣管線優化布置示意圖如圖3所示。

圖3 某核電站一回路放射性監測系統取樣管線優化示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimization of sampling line of first-loop radioactivity monitoring system of a nuclear power plant

從圖3 可以看出，該設計方案優化了取樣介質的走向，取樣管線底部與取樣管線出口已不存在上升的高度差，從設計原理上降低了放射性產物沉積的可能性，保證了監測系統對堆芯燃料元件包殼完整性實時監測的有效性。通過該優化方案的實施，監測系統沒有再次出現因為取樣管線內放射性產物沉積導致超閾值報警的情況，從根本上避免了放射性產物在取樣管道內的大量沉積。

2.4 優化方案對比分析

系統沖洗方案具有操作簡單、適用性強等優點，常用于核電站管線、測量腔室沉積放射性產物的消除，也可用于降低相關區域輻射水平而對附近高劑量率相關設備管線的沖洗。但系統沖洗也具有明顯的缺點，就是沖洗只能消除已沉積的放射性產物，不能預防放射性產物的沉積。系統運行優化方案的使用具有較大的局限性，其一般只用于避免系統隔離后放射性沉積產物的轉移，且該方案依然不能預防放射性產物的沉積。系統取樣管線布置優化方案通過對相關管線、設備的合理布局，可從設計上避免放射性產物的沉積，該方案實施后可以達到一勞永逸的效果，最具有推廣價值。

3 系統取樣管線布置優化主要性能測試

3.1 系統壓力測試

根據系統運行要求，需要在系統壓力24.5 MPa時，關閉取樣系統的進出口閥，檢測取樣系統的密封線，具體情況如表2所示。

表2 取樣系統壓力試驗Tab.2 Sampling system pressure test

從表2 可以看出，優化后的取樣系統密封性滿足要求。

3.2 監測裝置的監測數據測試

對取樣管線優化后監測裝置的數據與一回路化學取樣數據進行比對，發現監測裝置的測量值與一回路化學取樣分析值較為接近，相應的數值處于同一個數量級。數據存在一定偏差是因為二者儀表測量的幾何條件不同導致儀表的效率特性存在差異，以及兩種儀表的可探測能量范圍也存在差異。

4 結語

為了消除放射性產物沉積對監測裝置的影響，本文介紹了3 種優化方案，并對相應方案的實施效果進行了驗證和評價。根據實施效果可知，系統沖洗和系統運行優化方案無法從根本上避免放射性產物在取樣管道內的沉積，而系統取樣管線布置優化方案實施后的各項性能測試滿足要求且能從根本上避免放射性產物在取樣管道內的沉積，其設計方案可供同類型或者其它用途的取樣管線在避免物項沉積的設計時提供借鑒和參考。