第三代壓水堆核電站廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較

陳五星 張多飛 吳榮俊 賈靖軒 鄒 濤 李文博

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所， 武漢， 430064)

根據(jù)我國(guó)能源戰(zhàn)略規(guī)劃，核電作為清潔、安全、高效的能源在能源構(gòu)成中占據(jù)了非常重要的地位。核電站在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生電離輻射，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)核電站輻射水平是確保核電站反應(yīng)堆運(yùn)行安全，保障核電站廠區(qū)輻射安全的重要前提。我國(guó)現(xiàn)階段在運(yùn)、在建商業(yè)核電站除秦山三期和石島灣核電站分別采用重水堆和高溫氣冷堆堆型外，其余商用核電堆型都是壓水堆。2018年6月我國(guó)引進(jìn)的第三代核電技術(shù)：改進(jìn)型核電(EPR，臺(tái)山核電1號(hào)機(jī)組)和非能動(dòng)型核電(AP1000，三門(mén)核電1號(hào)機(jī)組)已實(shí)現(xiàn)首次并網(wǎng)發(fā)電。本文比較分析新型壓水堆電站廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及對(duì)在運(yùn)核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造提供參考。

1 核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

壓水堆核電站廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(KRT系統(tǒng))主要由工藝輻射監(jiān)測(cè)通道、區(qū)域γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)通道、排出流輻射監(jiān)測(cè)通道和事故后監(jiān)測(cè)通道等4部分組成。4部分實(shí)現(xiàn)的功能分別是：

核電站KRT系統(tǒng)中典型的監(jiān)測(cè)通道通常包括輻射探測(cè)裝置、就地處理和顯示裝置(LPDU)、接線盒以及供電箱，對(duì)于取樣監(jiān)測(cè)通道還包括取樣回路及相應(yīng)的電氣控制箱。探測(cè)裝置將探測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)絃PDU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到數(shù)字量或模擬量信息，LPDU再將數(shù)字量或模擬量送往上層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和相應(yīng)操作。

不同堆型核電站因設(shè)計(jì)理念、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，故不同堆型的輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)對(duì)象、探測(cè)方法到設(shè)備選型、信號(hào)傳輸?shù)确矫娑加胁煌?。本文以我?guó)目前采用的3種典型堆型為例，比較第三代壓水堆核電站不同堆型的廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)。

2 不同堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較

2.1 CPR1000堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

CPR1000堆型是中廣核集團(tuán)引進(jìn)后通過(guò)改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的“二代加”百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電技術(shù)。CPR1000核電廠輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“分散布置、就地處理、數(shù)據(jù)集中管理”的結(jié)構(gòu)，解決了二代核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法就地顯示和報(bào)警、通訊易受干擾、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)不便等缺陷。本文以防城港核電一期1、2號(hào)機(jī)組為例，介紹CPR1000堆型廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

防城港核電一期1、2號(hào)機(jī)組各自有45路監(jiān)測(cè)通道，兩機(jī)組公用監(jiān)測(cè)通道14路，共計(jì)104路監(jiān)測(cè)通道。每臺(tái)機(jī)組各自有一套輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息機(jī)柜，用于集中獲取下層監(jiān)測(cè)通道測(cè)量和報(bào)警信息。

防城港核電一期1、2號(hào)機(jī)組KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。系統(tǒng)分為上下兩層結(jié)構(gòu)，上層結(jié)構(gòu)包括KRT服務(wù)器、工作站、交換機(jī)和查詢機(jī)，兩臺(tái)機(jī)組各自擁有一臺(tái)服務(wù)器，且兩臺(tái)服務(wù)器互為冗余，當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障，另一臺(tái)服務(wù)器可以同時(shí)采集兩個(gè)機(jī)組輻射監(jiān)測(cè)信息，這種設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)可靠性。下層結(jié)構(gòu)為各路監(jiān)測(cè)通道。上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)通過(guò)RS-485總線相互通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和指令參數(shù)設(shè)置等相關(guān)操作。安全級(jí)通道通過(guò)硬接線方式可以將信號(hào)直接發(fā)送給電站控制系統(tǒng)(DCS)。

2.2 CEPR堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

臺(tái)山核電一期建造的中國(guó)先進(jìn)壓水堆(CEPR)通過(guò)增加安全系統(tǒng)冗余度提升其安全性。2臺(tái)機(jī)組共有監(jiān)測(cè)通道223個(gè)，取樣通道82個(gè)。

臺(tái)山核電CEPR堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與CPR1000堆型相比差異較大，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[2]。與CPR1000堆型KRT系統(tǒng)相比，CEPR堆型取消了KRT服務(wù)器和工作站，所有通道輸出信號(hào)都通過(guò)硬接線方式直接與電站DCS系統(tǒng)連接，每個(gè)監(jiān)測(cè)通道的數(shù)據(jù)信息和設(shè)備狀態(tài)信息通過(guò)接線箱直接送給電廠DCS。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)避免了由于KRT服務(wù)器與電站DCS通訊中斷造成主控室大面積KRT報(bào)警的現(xiàn)象，提高了KRT系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。但是這種連接方式的缺點(diǎn)是操作人員無(wú)法方便查詢和監(jiān)視KRT數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息(只能在主控室查詢操作)。因此臺(tái)山核電站對(duì)KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造：將終端總線上采集的所有DCS數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)鏡像的方式將數(shù)據(jù)導(dǎo)入實(shí)時(shí)信息監(jiān)控系統(tǒng)(KNS)，再通過(guò)KNS應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組實(shí)現(xiàn)了將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)導(dǎo)入管理網(wǎng)絡(luò)。工作人員可以通過(guò)管理網(wǎng)絡(luò)查詢KRT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息，而且可通過(guò)KNS應(yīng)用軟件快速查詢到任意時(shí)間段KRT 數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及KRT 報(bào)警事件的數(shù)量。這種設(shè)計(jì)很好的解決了輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢不便的缺點(diǎn)，既提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性也實(shí)現(xiàn)了操作的便捷性。

圖1 防城港核電一期CPR1000堆型KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[1]

圖2 臺(tái)山核電CEPR堆型KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[2]

2.3 AP1000堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

AP1000堆型采用“非能動(dòng)型壓水堆核電技術(shù)”大幅減少了安全系統(tǒng)的設(shè)備和部件，因此與其它堆型相比其輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也簡(jiǎn)化很多[3]。以三門(mén)核電為例，AP1000堆型廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每臺(tái)機(jī)組有41套輻射監(jiān)測(cè)儀表，包括6套安全相關(guān)儀表和35套非安全相關(guān)儀表。安全級(jí)通道主要用于連續(xù)監(jiān)測(cè)主控室進(jìn)風(fēng)管道和安全殼內(nèi)放射性水平，當(dāng)放射性水平超閾值后，相應(yīng)通道會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通過(guò)安全聯(lián)鎖功能觸發(fā)相關(guān)安全措施，確保核電廠安全。

AP1000堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與CPR1000類似，分為上下兩層。下層兩種監(jiān)測(cè)通道與上層結(jié)構(gòu)的連接方式如圖3所示[4]。兩堆型主要區(qū)別在于AP1000輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)連續(xù)監(jiān)測(cè)主控室MCR進(jìn)風(fēng)管道放射性和連續(xù)監(jiān)測(cè)安全殼殼內(nèi)的高量程放射性水平的安全級(jí)通道有兩路輸出：一路通過(guò)硬接線方式與保護(hù)與安全控制系統(tǒng)(PMS)進(jìn)行通訊，PMS系統(tǒng)根據(jù)輸入信號(hào)判斷是否觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作；一路通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與輻射監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)通訊柜(CRPS)連接，但是CRPS不能控制就地的安全級(jí)設(shè)備，即安全級(jí)設(shè)備向CRPS數(shù)據(jù)傳輸是單向的，這種設(shè)計(jì)避免了安全級(jí)探測(cè)設(shè)備來(lái)自上層設(shè)備的干擾，實(shí)現(xiàn)了安全相關(guān)和非安全相關(guān)的通訊隔離提高可系統(tǒng)的安全性。35路非安全級(jí)通道的探測(cè)裝置被分配在6段通訊網(wǎng)絡(luò)，共12根現(xiàn)場(chǎng)RS-485總線上，每段現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)都是雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，形成了多總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與CRPS的通訊。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確保了監(jiān)測(cè)儀接口故障或一路通信總線中斷導(dǎo)致的故障，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。CRPS相當(dāng)于中樞神經(jīng)，對(duì)下層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)視和管理。同時(shí)CRPS通過(guò)光纖以太網(wǎng)與電站控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，將下層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給電廠控制系統(tǒng)，也可以傳遞電站控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)和工藝信息給下層的非安全級(jí)通道。

2.4 3種堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比較

2.4.1監(jiān)測(cè)通道數(shù)量

3種堆型KRT系統(tǒng)監(jiān)測(cè)通道數(shù)量如表1所列。從監(jiān)測(cè)通道數(shù)量也可以體現(xiàn)出各核電站KRT系統(tǒng)的特點(diǎn)：CPR1000基本沿用了第二代壓水堆KRT系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)通道數(shù)量；CEPR遵循增加安全系統(tǒng)冗余度的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)增加劑量率、氣載放射性監(jiān)測(cè)和事故后監(jiān)測(cè)通道的數(shù)量，在第二代的基礎(chǔ)上對(duì)部分監(jiān)測(cè)通道做了冗余設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)通道最多；AP1000基于非能動(dòng)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了KRT系統(tǒng)，減少了監(jiān)測(cè)設(shè)施，監(jiān)測(cè)通道數(shù)量最少。

各堆型監(jiān)測(cè)通道具體監(jiān)測(cè)方式、監(jiān)測(cè)對(duì)象及實(shí)現(xiàn)功能在文獻(xiàn)[1,2,5]中有詳細(xì)描述。

圖3 三門(mén)核電AP1000堆型KRT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[4]

2.4.2輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CPR1000堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，通過(guò)“分散布置、就地處理、數(shù)據(jù)集中管理”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便工作人員隨時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并可以對(duì)所有通道實(shí)現(xiàn)指令和參數(shù)設(shè)置。

AP1000堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與CPR1000堆型結(jié)構(gòu)類似，但通信方式和通道設(shè)置有所不同，AP1000采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過(guò)隔離安全相關(guān)和非安全相關(guān)通訊方式增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性，同時(shí)AP1000堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從通訊網(wǎng)絡(luò)、供電、輻射監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)等多方面進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

CEPR堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，這種設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，降低了誤報(bào)警率，并且通過(guò)添加信息監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，方便監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢和管理。但CEPR堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)通道數(shù)目較多，建造成本較高。

2.4.3設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

不同堆型核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)體系、監(jiān)測(cè)通道的安全分級(jí)以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目也有不同[6]。表2、表3、表4對(duì)比了不同堆型廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系、安全分級(jí)和鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目。

表1 3種堆型監(jiān)測(cè)通道數(shù)量比較

表2 不同堆型核電站廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)比[6]

表3 不同堆型核電站廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全分級(jí)對(duì)比[6]

表4 不同堆型核電站廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)比[6]

3 輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累，輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)也從簡(jiǎn)單的模擬率表形式發(fā)展到今天的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在逐漸簡(jiǎn)化，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性在逐步提高。并且輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)大大的提高了工作人員的操作效率和準(zhǔn)確率，保證了系統(tǒng)的安全性。然而隨著人們核安全意識(shí)的逐步提升，對(duì)輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度、探測(cè)靈敏度提出了更高的要求。以下從3個(gè)方面分析壓水堆核電廠輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

(1) 離線取樣監(jiān)測(cè)通道。該類監(jiān)測(cè)通道是將測(cè)量對(duì)象取樣到特定容器中利用探測(cè)器測(cè)量其放射性，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高，靈敏度高，但存在無(wú)法克服的缺點(diǎn)：取樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)復(fù)雜度增大，取樣過(guò)程需要較多時(shí)間，這大大的減慢了響應(yīng)速度。嵌入在線式監(jiān)測(cè)通道不存在取樣過(guò)程，它是直接將探測(cè)器嵌入相應(yīng)管道進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測(cè)量，因此在保證測(cè)量精度的同時(shí)有較快的響應(yīng)時(shí)間，但探測(cè)裝置長(zhǎng)期嵌入被測(cè)介質(zhì)當(dāng)中不可避免會(huì)受到一定腐蝕和污染，因此這種探測(cè)方式要求探測(cè)器耐腐蝕并且表面疏水。綜合比較，為兼顧測(cè)量準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度，未來(lái)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，嵌入式監(jiān)測(cè)方式將會(huì)發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

(2) 氣態(tài)流出物監(jiān)測(cè)。氣態(tài)流出物的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)一直是核電站輻射監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)，雖然國(guó)內(nèi)國(guó)外對(duì)于氣態(tài)排出流的監(jiān)測(cè)制定了全面、系統(tǒng)和嚴(yán)格的要求，但是由于氣體取樣過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生放射性沉積、取樣不均、放射性物質(zhì)在管路中損失等現(xiàn)象，會(huì)直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此在未來(lái)的輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要對(duì)氣態(tài)放射性流出流的取樣方式、監(jiān)測(cè)方式都要做更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

(3) 不同核電站應(yīng)當(dāng)結(jié)合自身特點(diǎn)在輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮每路監(jiān)測(cè)通道的必要性和合理性，對(duì)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行合理布置，在關(guān)鍵位置應(yīng)當(dāng)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)冗余設(shè)置以確保系統(tǒng)可靠性，同時(shí)盡量減少不必要的測(cè)量通道，一可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度提高可靠性，二可以節(jié)約成本降低造價(jià)。例如AP1000在設(shè)計(jì)中將安全殼內(nèi)事故監(jiān)測(cè)通道由二代加的2個(gè)增加到4個(gè)，提高了可靠性；取消了安全殼空氣的氣溶膠、碘活度監(jiān)測(cè)通道，取而代之的是安全殼13N/18F活度監(jiān)測(cè)通道，提高了系統(tǒng)的靈敏度。輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中也要充分考慮每個(gè)設(shè)備的可維修性、使用壽命及可替代性，這樣的設(shè)計(jì)既提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，也可以有效地降低建造成本。

4 總結(jié)

壓水堆核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾代發(fā)展技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不同堆型核電站結(jié)合自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了不同的廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文以第三代壓水堆幾個(gè)代表核電站為例，比較分析了各堆型輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，簡(jiǎn)要分析了輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展方向，為核電站廠房輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)或改造提供參考。