一次側(cè)放射化學(xué)監(jiān)督報(bào)表內(nèi)容詳解

田風(fēng)龍

(山東核電有限公司，山東 煙臺(tái)　265116)

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一次側(cè)放射化學(xué)監(jiān)督報(bào)表內(nèi)容詳解

田風(fēng)龍

(山東核電有限公司，山東 煙臺(tái)265116)

摘要：一次側(cè)放射化學(xué)監(jiān)督報(bào)表反映了機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的放射性水平，放射性核素濃度，以及燃料狀態(tài)。并對(duì)放射性水平、核素濃度及燃料狀態(tài)進(jìn)行趨勢跟蹤，便于發(fā)現(xiàn)劑量水平異常和燃料發(fā)生破口。

關(guān)鍵詞：放射化學(xué)；監(jiān)督報(bào)表；DEI；DEX；活化產(chǎn)物；固體裂變產(chǎn)物

1前言

運(yùn)行人員了解燃料包殼狀態(tài)的唯一方法就是監(jiān)測一回路冷卻劑的放射性核素的放射性活度。一次側(cè)系統(tǒng)放射化學(xué)監(jiān)督報(bào)表中的數(shù)據(jù)反映了系統(tǒng)的化學(xué)運(yùn)行工況，燃料包殼狀態(tài)等。由于我們的機(jī)組是新技術(shù)，系統(tǒng)、設(shè)備以及燃料的供貨商不同，一次側(cè)系統(tǒng)放射化學(xué)監(jiān)督跟國內(nèi)其他電廠會(huì)有差別。下面的信息結(jié)合了國內(nèi)現(xiàn)在正在運(yùn)行機(jī)組放射化學(xué)監(jiān)督報(bào)表，總體反映了一次側(cè)系統(tǒng)放射化學(xué)監(jiān)督的內(nèi)容及其詳細(xì)信息，為我們能夠正確理解其中的參數(shù)信息提供基礎(chǔ)理論支持。

2機(jī)組狀態(tài)

Power%，機(jī)組當(dāng)前功率水平：

1) CVS t/h，CVS系統(tǒng)下泄流量，會(huì)用于FRI(燃料性能指數(shù))的計(jì)算當(dāng)中。關(guān)于FRI將在后面介紹；

2) Gamma T，總γ計(jì)數(shù)，能最快的監(jiān)測劑量率的異常變化。Alpha T，總alpha計(jì)數(shù)；

3) Alpha T，總alpha計(jì)數(shù)；

4) Beta T，總beta計(jì)數(shù)；

5) Tritium，氚液閃計(jì)數(shù)。

3放射性裂變產(chǎn)物

3.1　氣體放射性同位素

氣體反射性同位素主要包括Kr-85 m、Kr-85、Kr-87、Kr-88、Xe-131 m,Xe-133 m、Xe-133、Xe-135 m、Xe-135和Xe-138，是惰性氣體，能夠逃脫燃料和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的限制而進(jìn)入安全殼大氣。Xe-133是一種惰性氣體，能夠逃脫燃料和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的限制而進(jìn)入安全殼大氣，并且達(dá)到平衡狀態(tài)。由于Xe-133的存在，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間，人員不能進(jìn)入安全殼，而且由于Xe-133半衰期為5 d，所以在停堆后仍然存在人員不能進(jìn)入安全殼的問題。因此，安全殼大氣通過排風(fēng)來降低氣體濃度是正常停堆程序的一部分。

3.1.1DEX

重鉻酸鉀，天津市大茂化學(xué)試劑廠；硫酸，天津化學(xué)試劑三廠；硫酸鉀，天津市大茂化學(xué)試劑廠；硫酸銅，天津市北聯(lián)精細(xì)化工開發(fā)有限公司；氫氧化鈉，重慶茂業(yè)化學(xué)試劑有限公司；葡萄糖，天津市協(xié)和昊鵬色譜科技有限公司；乳酸，重慶川江化學(xué)試劑廠；甲醛，成都金山化學(xué)試劑有限公司；硼酸，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司等，以上試劑均為分析純（AR）。

DEX為氙等效劑量，定義為能產(chǎn)生與惰性氣體同位素混合氣體(Kr-85 m、Kr-85、Kr-87、Kr-88、Xe-131 m,Xe-133 m、Xe-133、Xe-135 m、Xe-135和Xe-138)共同產(chǎn)生的等效放射性劑量的Xe-133的濃度。DEX計(jì)算公式如下：

3.2　碘放射性同位素

碘放射性同位素主要包括I-130、I-131、I-132、I-133、I-134和I-135，有些同位素在機(jī)組正常功率運(yùn)行狀態(tài)可能監(jiān)測不到。131I是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中最重要的碘同位素，是因?yàn)樗纳镄?yīng)，相對(duì)較長的半衰期，8 d，以及在甲狀腺有積累的傾向。在反應(yīng)堆達(dá)到滿功率的穩(wěn)定工況后不久，碘活度就會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值。如果發(fā)現(xiàn)有任何的I-131活度或者碘等效劑量(DEI)的異常升高，監(jiān)測的頻率就要提高。另外，如果發(fā)現(xiàn)I-134活度或者131I/133I或者131I/134I比值異常升高，就有必要增加取樣和分析的頻次。

3.2.1DEI

DEI為碘等效劑量，定義為能產(chǎn)生與I-130、I-131、I-132、I-133、I-134和I-135等同位素聯(lián)合起來產(chǎn)生等效于I-131單獨(dú)產(chǎn)生的放射性劑量的濃度。計(jì)算公式如下：

4固體裂變產(chǎn)物

固體裂變產(chǎn)物主要有三個(gè)來源：一是燃料包殼表面痕量的游離鈾裂變產(chǎn)生的；二是前面燃料循環(huán)周期中，由于燃料包殼破口導(dǎo)致的泄露引起的裂變產(chǎn)物的殘留；三是當(dāng)前燃料循環(huán)周期中燃料包殼發(fā)生破口導(dǎo)致的裂變產(chǎn)物的泄露。所以分析跟蹤放射性裂變產(chǎn)物的過程就是要建立一種基線，并對(duì)基線的趨勢進(jìn)行跟蹤，以確定燃料是否發(fā)生破損，以及大致的破損狀況，從而決定是需要立即停堆呢，還是可以在現(xiàn)在的破口水平下繼續(xù)運(yùn)行堅(jiān)持到換料大修的時(shí)候再進(jìn)行啜漏檢查。在建立基線和趨勢跟蹤的過程中，我們主要針對(duì)長壽命的裂變產(chǎn)物，因?yàn)樗鼈冊谝粋€(gè)相對(duì)比較長的時(shí)間內(nèi)活度更為穩(wěn)定，更能說明燃料是否發(fā)生了破口。以上說明的是為什么要做長壽命固體裂變產(chǎn)物活度分析的原因。

當(dāng)燃料包殼存在微小的破口時(shí)，只有氣體裂變產(chǎn)物能夠進(jìn)入到冷卻劑當(dāng)中，隨著破口逐漸變大，長壽命的固體裂變產(chǎn)物就會(huì)在機(jī)組功率沒有發(fā)生瞬態(tài)的情況下進(jìn)入冷卻劑中，而出現(xiàn)固體裂變產(chǎn)物的峰值。在功率瞬態(tài)時(shí)，由于功率下降，燃料棒內(nèi)部壓力下降，導(dǎo)致冷卻劑水能夠進(jìn)入到燃料包殼內(nèi)，而長壽命的固體裂變產(chǎn)物可能會(huì)被水替代而進(jìn)入冷卻劑中，所以當(dāng)裂變產(chǎn)物出現(xiàn)峰值時(shí)，需要增加取樣頻率。

由于反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)非常復(fù)雜，產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物或者裂變碎片豐富多樣，所以在實(shí)際過程中，并不是對(duì)每種可能的裂變產(chǎn)物都進(jìn)行監(jiān)測跟蹤。下面就是一些常見的長壽命裂變產(chǎn)物，Zr-95、Nb-94、Ru-106、Cs-134、Cs-137、Cs-138、Ce-144、Ba-140等，它們都是高能gamma發(fā)射體，能夠在高純鍺探測器上進(jìn)行分析，其它的還有一些低能gamma發(fā)射體，一般電廠不做分析。對(duì)半衰期比較長的裂變產(chǎn)物我們要做長期的關(guān)注。

5活化產(chǎn)物

5.1　冷卻劑水和溶解于水中的化學(xué)物種

水的活化可以產(chǎn)生H-3(2H(n，γ)3H)和N-16(16O(n，p)16N)；由于系統(tǒng)補(bǔ)水、硼化、稀釋、反應(yīng)性調(diào)節(jié)和PH調(diào)節(jié)等引入的化學(xué)物種，產(chǎn)生的放射性核素主要有N-16、N-13、C-14、F-18、Zn-65、Na-24和Ar-41。氚的測定在前面已經(jīng)介紹過，這里主要檢測的核素為Na-24和Ar-41。其它的核素由于半衰期比較短，且是低能gamma發(fā)射體，不做分析；

5.2　一次側(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕活化產(chǎn)物

一次側(cè)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)材料主要有下面四種構(gòu)成：

(1)不銹鋼

(2)因科鎳合金

(3)鋯合金

(4)控制棒

由上面的來源產(chǎn)生的活化產(chǎn)物有：Cr-51、Mn-54、Fe-59、Co-57、Co-58、Co-60、Sb-122、Sb-124、Ag-108m、Ag-110m。對(duì)于系統(tǒng)的構(gòu)成，可能還有其他元素的引進(jìn)，而引入其它的活化產(chǎn)物，但是了解了這些之后我們就對(duì)一次側(cè)冷卻劑樣品中出現(xiàn)一些放射性核素就不覺得奇怪了。

5.3　燃料活化放射性產(chǎn)物

核燃料的構(gòu)成主要為U-235和U-238，所以這些活化的放射性核素主要是U-235和U-238吸收一個(gè)中子或者更多中子而形成的超鈾元素，Pu238、Pu239、Pu240、Pu241、Am241、Cm242、Cm244和Np237。這些超鈾元素既可能來自于燃料包殼表面的游離的燃料鈾，也可能來自于燃料包殼破口之后的泄露，所以對(duì)他們的長期關(guān)注并建立基線跟蹤，可以很好的發(fā)現(xiàn)燃料發(fā)生破口。

6放化分析對(duì)燃料破損的簡易判斷

Gamma譜分析是正常運(yùn)行階段檢測一回路冷卻劑中所含放射性核素的重要工具。再用gamma譜分析判斷有誤燃料包殼破損時(shí)，通常對(duì)下述的核素比較關(guān)注：

6.1　碘同位素

碘是一種可直接由固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的元素。從燃料包殼破口轉(zhuǎn)移到冷卻劑中比惰性氣體困難，但是比其他固態(tài)的裂變產(chǎn)物要容易的多。如果在功率運(yùn)行時(shí)，惰性氣體的改變量不大，而碘同位素的比活度在增加，可以認(rèn)為發(fā)生包殼破損的燃料根數(shù)不變，但是破口的尺寸在變大。

在碘同位素中131I和133I的半衰期差異較大。前者半衰期為8.021d，后者為20.8h，當(dāng)燃料包殼破口小時(shí)，碘同位素從包殼內(nèi)轉(zhuǎn)移到冷卻劑的時(shí)間長，由于兩者的半衰期的差別，131I/133I大，則說明破口較小，131I/133I小，則說明破口在變大。因此從131I/133I也可以得到一些燃料包殼破口的信息。

134I是幾個(gè)放射性碘同位素中半衰期最短的，它的半衰期為52.6min，可用來做UO2的靈敏指示劑。新燃料投入運(yùn)行時(shí)，如果134I的比活度比其它碘同位素高出很多，可以判斷在包殼外有鈾粉污染，但在反應(yīng)堆運(yùn)行的中、后期，134I的活度增加，則可能是燃料包殼有較大破口，使UO2從包殼內(nèi)沖刷到堆芯中。

6.2　固體裂變產(chǎn)物

在一回路冷卻劑中最容易得到的固體裂變產(chǎn)物是Cs，其次是Ba、La等核素。有這些裂變產(chǎn)物存在，說明破口比單有惰性氣體和碘同位素是更大，因?yàn)楣腆w裂變產(chǎn)物更不容易從小破口進(jìn)入一回路冷卻劑中。由于燃料外表面存在燃料粉塵，所以在我們長期對(duì)一些固體裂變產(chǎn)物進(jìn)行基線跟蹤的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)哪一次的裂變產(chǎn)物的劑量發(fā)生了異常突越，那么可以表明燃料發(fā)生了破口或者破口在變大。

7總結(jié)

主回路放射化學(xué)監(jiān)測的目的就在于控制主回路總體放射性劑量水平。通過對(duì)特定放射性核素的定期監(jiān)測和趨勢跟蹤，建立基線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)放射性濃度出現(xiàn)異常，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的燃料破口，對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行和換料運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。放射性氣體很容易進(jìn)入安全殼大氣，造成在停堆后人員進(jìn)入安全殼的問題。活化腐蝕產(chǎn)物，例如Co-58和Co-60，都是高能gamma發(fā)射體，它們的存在也會(huì)造成維修人員工作的障礙。放射化學(xué)監(jiān)測就是要確定放射性核素的劑量水平，根據(jù)它們的半衰期，來確定停機(jī)后進(jìn)入安全殼的時(shí)間延遲。根據(jù)放射性核素的劑量水平來驗(yàn)證停機(jī)、啟機(jī)期間化學(xué)運(yùn)行對(duì)放射性雜質(zhì)去除的有效性，期望將堆芯外輻射場降至最低。

參考文獻(xiàn)：

[1]EPAFederalGuidanceReportNo. 11:LimitingValuesofIntakeandAirConcentrationandDoseConversionFactorsforInhalation,Submersion,andIngestion.

[2]Eckerman,K.F.andJ.C.Ryman.1993, "ExternalExposuretoRadionuclidesinAir,Water,andSoil,"FederalGuidanceReportNo. 12,EPA-402-R-.

The primary radiochemical supervision report content Comments

TIANFeng-long

(Shandong Nuclear Power Co., Ltd., Shandong Yantai 265116,China)

Abstract：The primary side radiochemical supervision report reflects the radioactivity level of the unit normal operation, the concentration of radionuclides, as well as fuel status. And levels of radioactivity, radionuclide concentration and fuel status for trend tracking, easy to find abnormal dose levels and fuel break occurs.

Key words：Radiation chemistry; supervision reports; DEI; DEX; activation products; solid fission products.

中圖分類號(hào)：O615.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1003-6490(2015)06-0011-03

作者簡介：田風(fēng)龍(1985.7)男，回族，寧夏人，學(xué)位學(xué)士，研究方向：化學(xué)分析工作。

收稿日期：2015-12-08