LBB泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在三代壓水堆核電廠的應(yīng)用研究

蔣天植　沈峰　楊戴博　王銀麗　黃有駿　袁彬

【摘 要】LBB（Leak-Before-Break）技術(shù)是保證核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)安全和可靠的一種重要分析方法，廣泛應(yīng)用于三代核電堆型中。該技術(shù)降低了核電廠設(shè)計(jì)、建造及維護(hù)的復(fù)雜性，提升了核電廠的經(jīng)濟(jì)性。本文對(duì)LBB技術(shù)在三代核電堆型中的應(yīng)用情況進(jìn)行了研究，并對(duì)各堆型中基于LBB技術(shù)的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理、技術(shù)特點(diǎn)及性能指標(biāo)進(jìn)行了介紹和分析。最后，對(duì)各種探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】LBB；壓水堆；泄漏監(jiān)測(cè)；三代核電廠

Study on Application of LBB （Leak Before Break） Detection System in Third Generation PWR Nuclear Plant

JIANG Tian-zhi SHEN Feng YANG Dai-bo WANG Yin-li HUANG You-jun YUAN Bin

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China，

Chengdu Sichuan Prov. 610041， China）

【Abstract】LBB （Leak-Before-Break） is an important analysis method for insuring the structure safety and reliability of nuclear reactor， which is widely used in the third generation of PWR. By using LBB technology， the complexity of design， construction and operational of nuclear power plant is reduced， which improves the economic efficiency. This paper investigates the application of LBB technology in the third generation PWR， and gives a description and analysis of the principle， technology characteristic and performance index of the leak detection systems based on LBB technology. Finally， this paper gives a summary of the leak detection systems.

【Key words】LBB；Pressurized water reactor； Leak detection system； Third generation nuclear power plant

0 引言

三代核電總體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求：對(duì)安全重要的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件必須被設(shè)計(jì)成能夠承受正常運(yùn)行、預(yù)期瞬態(tài)和假定事故工況的影響。當(dāng)分析證明流體系統(tǒng)管道破裂的概率極低時(shí)，由于管道破裂引起的動(dòng)力效應(yīng)的影響可以不考慮[1]。

LBB（Leak Before Break）簡(jiǎn)稱“破前漏”，其主要原理是在管道裂紋擴(kuò)展到發(fā)生突然破裂的臨界裂紋尺寸前，其泄漏量已大到可以監(jiān)測(cè)出來，以提醒操作員進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，避免突然破裂的發(fā)生，從而在設(shè)計(jì)中可以不考慮管道破裂引起的動(dòng)力效應(yīng)的影響。

目前世界上各種三代核電堆型都采用了LBB技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用在管道上用來取消管道破裂動(dòng)力效應(yīng)的評(píng)估，主要包括以下四方面的內(nèi)容：材料選擇、分析、檢查和泄漏監(jiān)測(cè)。本文主要研究LBB泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在各種三代核電堆型中的應(yīng)用情況。

1 泄漏監(jiān)測(cè)方法介紹

1.1 泄漏的分類

核電廠的泄漏主要分為三大類，可識(shí)別泄漏、不可識(shí)別泄漏及系統(tǒng)間泄漏：

（1）可識(shí)別泄漏：流入收集系統(tǒng)的泄漏流，例如被收集和測(cè)量的從泵密封或者閥填料漏出的泄漏流；從已明確規(guī)定其位置并已明確識(shí)別的泄漏源進(jìn)入安全殼內(nèi)大氣的泄漏，這種泄漏既不妨礙未確定泄漏探測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，也不是來自反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的裂縫。

（2）不可識(shí)別泄漏：泄漏位置沒有被發(fā)現(xiàn)，或雖已找到泄漏部位但其泄漏率仍是未確定的泄漏。

（3）系統(tǒng)間泄漏：泄漏發(fā)生在系統(tǒng)之間。

基于LBB技術(shù)的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)不可識(shí)別的泄漏并對(duì)其進(jìn)行定位、定量分析，并產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警。

1.2 泄漏監(jiān)測(cè)方法對(duì)比

各種泄漏監(jiān)測(cè)方法見表1。表1對(duì)每種監(jiān)測(cè)技術(shù)的泄漏監(jiān)測(cè)靈敏度，泄漏量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性及泄漏定位三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了分析，表中A代表如果設(shè)計(jì)合理該方法可廣泛適用，B代表如果設(shè)計(jì)合理在部分范圍可適用，C代表如果設(shè)計(jì)合理除了一些特定的泄漏一般不推薦使用。

從表1的對(duì)比分析中可知，沒有哪一種方法能夠完全滿足電廠泄漏監(jiān)測(cè)靈敏度，泄漏量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性及泄漏定位三個(gè)指標(biāo)。目前，專用的LBB泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有基于聲發(fā)射的泄漏監(jiān)測(cè)方法和基于溫濕度測(cè)量的泄漏監(jiān)測(cè)方法。

1.2.1 基于溫濕度測(cè)量的泄漏監(jiān)測(cè)方法

基于溫濕度測(cè)量的泄漏監(jiān)測(cè)方法是基于管道泄漏后周圍環(huán)境中空氣的濕度與溫度變化來判斷泄漏量，以及通過兩個(gè)濕度探測(cè)器探測(cè)到濕度的變化率來判定其泄漏位置。在實(shí)際的電廠運(yùn)行中，如果管道發(fā)生破裂其泄漏出來的液體或蒸汽將逐漸擴(kuò)散到周圍空間中，考慮到在泄漏點(diǎn)兩邊探測(cè)器距離泄漏點(diǎn)的距離不同，因此不同探測(cè)器的信號(hào)變化率會(huì)有所不同，在這個(gè)原理上可以確定泄漏量及泄漏位置。

1.2.2 基于聲發(fā)射的泄漏監(jiān)測(cè)方法

由于被測(cè)管道內(nèi)外存在較大的壓力差，這樣在管道出現(xiàn)泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，該噪聲的聲波會(huì)改變管道周圍聲波場(chǎng)的分布，聲波值（dB）的大小與探測(cè)器距離泄漏點(diǎn)的位置及泄漏量的大小成比例，ALMS就是利用這種原理在被測(cè)管道或設(shè)備上布置相應(yīng)規(guī)模的聲波探測(cè)器用來確定泄漏的位置及泄漏量。

在ALMS系統(tǒng)中認(rèn)為聲波場(chǎng)在泄漏點(diǎn)附近的數(shù)值分布符合高斯分布，每個(gè)聲發(fā)射噪聲信號(hào)由兩部分組成：來自泄漏點(diǎn)的噪聲（UT）及背景噪聲（UΦ）：

噪聲探頭的信號(hào)將送往信號(hào)放大器轉(zhuǎn)化為uV信號(hào)，通過以下的公式將采集到的uV信號(hào)轉(zhuǎn)換為dB值：

M：轉(zhuǎn)換后的dB數(shù)值。

轉(zhuǎn)換后泄漏點(diǎn)的噪聲值可由以下公式計(jì)算：

上述公式須在相鄰探測(cè)器噪聲值持續(xù)增長(zhǎng)至少3dB的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，該原則也是噪聲探測(cè)器布置的重要原則。

從泄漏點(diǎn)到第一個(gè)探測(cè)器的距離由以下公式獲得：

L：泄漏點(diǎn)到第一個(gè)探測(cè)器的距離

l1：兩個(gè)噪聲探測(cè)器之間的距離

a：噪聲沿管道的衰減參數(shù)

U1T、U2T：噪聲探測(cè)器1及噪聲探測(cè)器2的平均信號(hào)

噪聲探測(cè)器測(cè)得信號(hào)的強(qiáng)弱與泄漏量大小的關(guān)系如下：

G=kUγ

γ：根據(jù)泄漏口形式及其他情況，該值在1～2之間取值

G：泄漏量

2 國內(nèi)外三代核電中LBB技術(shù)及LBB泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

2.1 AP1000 堆型

基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2和30分別對(duì)廠址周圍自然災(zāi)害的防護(hù)及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的泄漏質(zhì)量及泄漏定位提出了要求。結(jié)合RG1.45[2]，AP1000為反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界（RCPB）泄漏監(jiān)測(cè)提供一種適用的探測(cè)方法。

AP1000沒有設(shè)置專用的LBB泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過其他系統(tǒng)的信息和報(bào)警，綜合判斷泄漏情況，以支持安全殼內(nèi)高能管道LBB準(zhǔn)則的應(yīng)用。

RG1.45要求至少采用三種獨(dú)立的方法對(duì)不可識(shí)別泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，AP1000采用了安全殼地坑液位監(jiān)測(cè)，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)裝量平衡，安全殼大氣輻射監(jiān)測(cè)儀，安全殼壓力、溫度和濕度監(jiān)測(cè)儀對(duì)不可識(shí)別泄漏進(jìn)行探測(cè)。

反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界和其他設(shè)備泄漏到安全殼內(nèi)的不可識(shí)別泄漏會(huì)冷凝并在重力作用下，通過地面疏水和其他疏水途徑流入安全殼地坑。安全殼地坑液位傳感器能夠監(jiān)測(cè)液位的變化，電廠數(shù)據(jù)顯示和處理系統(tǒng)（DDS）根據(jù)傳感器信號(hào)計(jì)算不可識(shí)別泄漏的泄漏總量和泄漏率（不可識(shí)別泄漏由總泄漏量減去可識(shí)別泄漏）。最小的可檢測(cè)泄漏率是0.007m3/h（0.03gpm），如果泄漏率大于0.114m3/h（0.5gpm），則在主控制室中產(chǎn)生報(bào)警。

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)裝量平衡可對(duì)0.030m3/h（0.13gpm）的泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)；安全殼大氣輻射監(jiān)測(cè)儀可對(duì)0.114m3/h（0.5gpm）的泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)；安全殼壓力、溫度和濕度監(jiān)測(cè)儀可以用來幫助確定和定位泄漏，但不能用來確定泄漏量。綜合上述系統(tǒng)的信息，AP1000能夠?qū)Σ豢勺R(shí)別的泄漏進(jìn)行定位定量監(jiān)測(cè)，并產(chǎn)生相應(yīng)的信息和報(bào)警。

2.2 VVER堆型

田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組采用了VVER堆型，在設(shè)計(jì)階段，基于俄羅斯GAN批準(zhǔn)的LBB準(zhǔn)則，“破前漏”（LBB）準(zhǔn)則被應(yīng)用于一回路管道。俄羅斯導(dǎo)則中的方法與國際慣例普遍采用的方法相符。

為了滿足“破前漏”（LBB）方案應(yīng)用的要求，采用不同冷卻劑泄漏檢測(cè)的物理方法和原理來建立復(fù)雜泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。VVER堆型采用了兩個(gè)專用的LBB泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：基于聲發(fā)射的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)ALMS（Acoustic leak monitoring systems）和基于溫濕度的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)HLMS（Humidity leak monitoring systems）。同時(shí)，通過與輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交互情況對(duì)泄漏進(jìn)行綜合分析。

ALMS系統(tǒng)能夠?qū)朔磻?yīng)堆裝置一回路設(shè)備以及管道大于等于3.8升/分鐘的泄漏進(jìn)行定位定量判斷。泄漏發(fā)生時(shí)信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測(cè)以及泄漏量的估算延遲不應(yīng)超過10分鐘。泄漏量估算的相對(duì)誤差不超過±50%，泄漏位置檢測(cè)的相對(duì)誤差不超過已經(jīng)檢測(cè)到泄漏的相鄰指示器之間區(qū)域長(zhǎng)度的±50%。

HLMS系統(tǒng)能夠?qū)朔磻?yīng)堆裝置一回路設(shè)備以及管道大于等于1升/分鐘的泄漏進(jìn)行定位定量判斷。泄漏發(fā)生時(shí)信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測(cè)以及泄漏量的估算延遲不應(yīng)超過10分鐘。泄漏量估算的相對(duì)誤差不超過±50%，泄漏位置檢測(cè)的相對(duì)誤差不超過已經(jīng)檢測(cè)到泄漏的相鄰指示器之間區(qū)域長(zhǎng)度的±50%。

輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是機(jī)組儀表與控制系統(tǒng)的一部分，通過連續(xù)監(jiān)測(cè)房間中惰性氣體體積活度來實(shí)現(xiàn)冷卻劑泄漏檢測(cè)。當(dāng)一回路中惰性氣體體積活度取決于燃料棒包殼的表面污染時(shí)，靈敏度不小于3.8升/分鐘。輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠保證檢測(cè)到泄漏并可以將泄漏位置定位到各個(gè)房間。

2.3 “華龍1號(hào)”堆型

“華龍1號(hào)”在主管道和波動(dòng)管上采用LBB技術(shù)，為保證該技術(shù)的實(shí)施，設(shè)置了專用的主管道和波動(dòng)管LBB泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于聲發(fā)射的泄漏監(jiān)測(cè)方法，在機(jī)組正常運(yùn)行工況的不同功率水平下和停堆工況下，監(jiān)測(cè)主管道和波動(dòng)管的密封性能，以便早期發(fā)現(xiàn)冷卻劑的泄漏，并對(duì)泄漏進(jìn)行定位和定量分析。

主管道和波動(dòng)管LBB泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)χ鞴艿篮筒▌?dòng)段大于等于3.8升/分鐘的泄漏進(jìn)行定位定量判斷。泄漏發(fā)生時(shí)信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測(cè)以及泄漏量的估算延遲不應(yīng)超過10分鐘。泄漏量估算的相對(duì)誤差不超過±100%，泄漏位置檢測(cè)的相對(duì)誤差不超過已經(jīng)檢測(cè)到泄漏的相鄰指示器之間區(qū)域長(zhǎng)度的±50%。

2.4 EPR堆型

EPR堆型在設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)論證、制造檢查、在役監(jiān)控等各個(gè)階段采取預(yù)防措施，以強(qiáng)調(diào)不可能發(fā)生管道破裂及論證在整個(gè)電站壽期內(nèi)一回路管道的完整性。泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在管道發(fā)生破口斷裂（臨界裂紋）之前探測(cè)到泄漏，從而保證“破前漏”（LBB）準(zhǔn)則的實(shí)施。

在安全殼內(nèi)，利用對(duì)濕度、冷凝裝置中冷凝物流量和地坑液位的測(cè)量來探測(cè)泄漏率，可以探測(cè)到安全殼內(nèi)部任何部位的泄漏。安全殼外部的蒸汽發(fā)生器管線泄漏依靠定期的巡視和泄漏探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。為了進(jìn)行靈敏度分析，上述系統(tǒng)的最小可探測(cè)泄漏率至少要達(dá)到3.8升/分鐘。

3 總述

通過以上分析，“破前漏”（LBB）技術(shù)廣泛應(yīng)用于各三代核電堆型中，不同堆型基于自身的技術(shù)特點(diǎn)，采用了不同的方法、原理來實(shí)現(xiàn)LBB泄漏監(jiān)測(cè)。在后續(xù)項(xiàng)目中，可參考各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，選擇合適的方法實(shí)現(xiàn)LBB泄漏監(jiān)測(cè)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]United States Nuclear Regulatory Commission， Appendix A Part 50， General Design Criteria for Nuclear Power Plant，US NRC，Washington.

[2]United States Nuclear Regulatory Commission， Regulatory Guide 1.45， Guidance on Monitoring and Responding to Reactor Coolant System Leakage， US NRC， Washington， （2008）.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]