三門核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

惠健

摘 要

本文介紹了三門核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。通過監(jiān)測原理、位置分布、報警響應(yīng)、設(shè)備配置等方面的描述，表明輻射監(jiān)測的可靠性。廠區(qū)外環(huán)境監(jiān)測保證了核電站周邊公眾的輻射安全。廠區(qū)內(nèi)的輻射監(jiān)測系統(tǒng)使核電生產(chǎn)過程中的輻射強度得到連續(xù)監(jiān)測，保護核電站工作人員。

關(guān)鍵詞

輻射監(jiān)測系統(tǒng);RMS;三代核電

中圖分類號： X837 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 06 . 95

1 系統(tǒng)簡介

三門核電站采用第三代AP1000核電技術(shù)，每臺機組分別設(shè)置輻射監(jiān)測系統(tǒng)（RMS），為核電廠機組內(nèi)的生產(chǎn)流程提供排出流監(jiān)測、工藝流監(jiān)測和氣載放射性監(jiān)測，并監(jiān)測廠房的環(huán)境放射性。核電站設(shè)置環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（MES），監(jiān)測機組外的廠區(qū)以及周圍地區(qū)的環(huán)境放射性。通過多層次的連續(xù)監(jiān)測，確保廠內(nèi)工作人員和廠外公眾輻射安全。

2 探測器工作原理

2.1 探測器類型

AP1000輻射監(jiān)測系統(tǒng)使用了三種連續(xù)工作的輻射探測器：閃爍體、G-M計數(shù)管、電離室，其中閃爍體探測器應(yīng)用的數(shù)量最多。閃爍體探測器利用受到射線照射時能夠發(fā)光的物質(zhì)，再通過光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變成為電信號進行測量。G-M計數(shù)管和電離室利用受到射線照射時探測器內(nèi)所充特定氣體的電離，直接將核輻射轉(zhuǎn)變成為電信號。

2.2 探測原理

以設(shè)備冷卻水系統(tǒng)配置的閃爍體探測器為例。γ射線入射到碘化鈉晶體時引起閃光。閃爍的頻率與入射射線的強度成正比，這些閃光作用于光電倍增管的光陰極上，打出光電子。光電子經(jīng)過光電倍增管倍增后，在光電倍增管的陽極負載上產(chǎn)生脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)電容耦合至前置放大電路的輸入端，經(jīng)過該電路進行功率放大后輸出。脈沖頻率與射線強度轉(zhuǎn)換公式為：

大部分輻射監(jiān)測裝置有電動泵，從被監(jiān)測管道中連續(xù)抽取液體或氣體，經(jīng)探測器測量后流回原管道的下游。少數(shù)輻射監(jiān)測裝置靜止布置，探測器布置在被監(jiān)測管道內(nèi)部或緊鄰管道外壁。

3 輻射監(jiān)測系統(tǒng)

每臺AP1000機組的輻射監(jiān)測系統(tǒng)配置了15個工藝流輻射探測器、5個排出流輻射探測器、6個氣載輻射探測器和18個區(qū)域輻射探測器。通過數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)為電廠控制系統(tǒng)提供連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)顯示、報警和自動保護功能。

3.1 工藝流輻射探測

當(dāng)工藝系統(tǒng)中相應(yīng)的探測器發(fā)出報警時，放射性廢氣處理系統(tǒng)和化學(xué)取樣系統(tǒng)自動隔離，蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)排污和主控制室空調(diào)系統(tǒng)自動導(dǎo)向放射性處理裝置。安全殼空氣過濾系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)放射性報警時沒有自動動作，操縱員應(yīng)立即按照應(yīng)急運行規(guī)程，切換安全殼空氣過濾器，或隔離設(shè)備冷卻水的用戶。

3.2 排出流輻射探測

對于放射性廢液處理系統(tǒng)和非放射性廢液處理系統(tǒng)的液體排放，以及凝汽器抽真空系統(tǒng)的氣體排放，排出流探測器發(fā)出報警時，自動隔離排放。核島煙囪的排出流探測器沒有自動功能，但排放到核島煙囪的各個系統(tǒng)分別根據(jù)自己的工藝流或氣載輻射探測器的信號自動隔離排放。

凝汽器抽真空系統(tǒng)和非放射性廢液處理系統(tǒng)，正常情況下沒有放射性。設(shè)置放射性監(jiān)測的目的是考慮到蒸汽發(fā)生器傳熱管管壁很薄，有破裂泄漏的微小可能性。放射性物質(zhì)泄漏入汽輪機熱力系統(tǒng)之后，為了阻止放射性通過排氣或排水釋放到環(huán)境中，排出流探測器會自動終止排放。

3.3 氣載輻射探測

核島放射性區(qū)域廠房通風(fēng)系統(tǒng)正常情況下排放到電廠煙囪，氣載輻射探測器報警時，排風(fēng)閥門自動關(guān)閉。燃料裝卸區(qū)、放射性廢物廠房、輔助/附屬廠房、保健物理室和熱檢修車間的廠房通風(fēng)各自獨立，均設(shè)有自動動作的隔離風(fēng)閥，氣載輻射探測器自動觸發(fā)相對應(yīng)區(qū)域的隔離風(fēng)閥，防止氣體污染擴散到其他廠房。

3.4 區(qū)域輻射探測

核島放射性相關(guān)廠房和非放射性的辦公室安裝了區(qū)域輻射探測器，探測房間內(nèi)的γ射線強度，當(dāng)發(fā)出報警時，應(yīng)撤離相應(yīng)廠房內(nèi)的人員。如果是主控制室輻射報警，應(yīng)立即按照應(yīng)急運行規(guī)程，先停運反應(yīng)堆，再撤離主控制室內(nèi)的人員，運行人員轉(zhuǎn)到遠程停堆室繼續(xù)控制電廠系統(tǒng)。

主控制室和安全殼的區(qū)域輻射探測器還通過硬件將測量信號傳送給保護和安全監(jiān)控系統(tǒng)，保護和安全監(jiān)控系統(tǒng)是AP1000核電站最高優(yōu)先級的自動保護系統(tǒng)，通過放射性和其他儀表參數(shù)診斷關(guān)鍵安全功能，并驅(qū)動專設(shè)安全設(shè)施動作。

4 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

三門核電站除了按照AP1000技術(shù)為每臺機組設(shè)置輻射監(jiān)測系統(tǒng)之外，還依照國家環(huán)保局發(fā)布的《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》（GB6249-2011）標(biāo)準在機組外設(shè)置了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置了3個廠區(qū)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測站、5個廠區(qū)外環(huán)境監(jiān)測站和1個環(huán)境實驗室。三門核電站廠區(qū)是三角形地塊，3個廠區(qū)內(nèi)輻射監(jiān)測站在三角形的西北角、西南角和東部頂點分別設(shè)置。廠址半徑3至9公里范圍內(nèi)，在赤頭村、六敖鎮(zhèn)、健跳鎮(zhèn)、高灣山嘴、蛇蟠鄉(xiāng)分別設(shè)置了廠區(qū)外輻射監(jiān)測站。定制了一輛環(huán)境監(jiān)測車，載有便攜式測量儀，對廠區(qū)周圍50公里范圍內(nèi)進行巡測。監(jiān)測站和監(jiān)測車通過網(wǎng)絡(luò)連接到環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。

廠區(qū)內(nèi)和廠區(qū)外環(huán)境監(jiān)測站的設(shè)備包括：環(huán)境γ監(jiān)測儀，雨量計，氣溶膠及碘取樣裝置，氚取樣裝置，C-14取樣裝置，大氣沉降灰和雨水收集器。環(huán)境實驗室包括：樣品處理室、總α/β測量室、液閃測量室、γ譜儀測量室、熱釋光實驗室、氚/碳實驗室和放化實驗室等。對人工采集的環(huán)境樣品進行γ能譜分析、α/β放射性測量、核素分析、總β測定以及非放金屬元素測量等。

4.1 環(huán)境γ輻射測量

采用3種方法：監(jiān)測站連續(xù)監(jiān)測、熱釋光累積測量和每季度巡測。連續(xù)監(jiān)測和巡測使用固定或移動網(wǎng)絡(luò)實時讀取γ輻射監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)。熱釋光材料受到射線輻照后產(chǎn)生缺陷，因此具有累積劑量的功能，每季度將熱釋光劑量計取回實驗室讀取數(shù)據(jù)。

4.2 沉降物和氣溶膠測量

大氣沉降物和氣溶膠的監(jiān)測每月一次，包括：沉降物中碘131、鍶90、總β和γ核素分析，氣溶膠中的γ核素分析、總α和總β測量，降雨/降雪中的氚測量。

4.3 土壤樣品測量

在距廠址10公里范圍內(nèi)不同類型的土壤進行每年取樣一次，監(jiān)測鍶90、γ核素。

4.4 農(nóng)畜產(chǎn)品、海產(chǎn)品、指示生物測量

需要監(jiān)測的產(chǎn)品有：大米、青菜、蘿卜、牛奶、牧草、油菜籽、桑葉、茶葉、羊、小黃魚、脊尾白蝦和青蟹。每年一次，包括氚、碳14、碘131、鍶90、銫137、γ核素分析。指示生物是指對特定放射性核素有較大濃集因子并能指示污染趨勢的生物品種，測量牡蠣的γ核素，松葉和苔蘚的氚、碳14、γ核素，每年取樣一次。

4.5 海洋測量

海灘土和海底泥每年取樣監(jiān)測一次，分析γ核素。海水每年監(jiān)測兩次，包括：氚、碳14、銫137、γ核素分析。

4.6 陸地水

陸地水包括湖塘水、飲用水和地下水。取樣測量項目為氚、碳14、鍶90、銫137、γ核素分析。

5 AP1000與二代核電技術(shù)對比

對γ射線的監(jiān)測，AP1000采用了NaI閃爍體探測器代替了電離室。因為根據(jù)運行經(jīng)驗，電離室具有抗干擾能力差、探測靈敏度低、故障率高等缺點。而相比電離室而言，NaI閃爍體探測器受濕、溫度影響小，環(huán)境適應(yīng)性強，故障率低，探測效率高，可以進行很弱的放射性測量。但NaI閃爍體探測器價格較高。

對于β射線的監(jiān)測，AP1000沒有選用硅半導(dǎo)體探測器，而是全部采用了β閃爍體。這是因為硅半導(dǎo)體探測器的輸出隨溫度的漂移大，輻射損傷后性能衰減，使用壽命短。而β閃爍體具有較短的死時間、較長的壽命和較好的穩(wěn)定性，在低水平的測量上有很大優(yōu)勢。

數(shù)字化程度較二代核電技術(shù)有很大提高。中央輻射處理器具備處理和診斷信息的能力，能提供每分鐘均值、每十分鐘均值、小時均值和日均值，記錄儀表的歷史狀態(tài)、活動日志和輻射儀表的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，運行人員遠程向各就地裝置發(fā)出指令（如改變報警設(shè)定值、檢查源驅(qū)動、自檢測、泵啟動/停止等）。計算機處理器還具有很強的自檢功能和容錯技術(shù)，從而大大提高系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

所有探測器的信號處理單元布置在就地，通過通信網(wǎng)絡(luò)可以將所有數(shù)據(jù)送入的中央輻射處理器。二代核電通常將信號處理單元集中布置，需要通過眾多電纜連接就地儀表探頭。AP1000的布置減少了大約70%電纜的使用量，且大大減少了維護工作量。AP1000對安全相關(guān)的輻射監(jiān)測儀表和對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用兩路冗余供電，即使在事故情況下也能保證儀表和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，確保事故情況下對電廠輻射狀況的監(jiān)測。

6 結(jié)束語

三門核電站在工藝系統(tǒng)生產(chǎn)流程、排放環(huán)節(jié)、通風(fēng)系統(tǒng)、廠房環(huán)境、廠區(qū)環(huán)境、廠外環(huán)境分別布置了輻射監(jiān)測裝置，對潛在的放射性危害形成了縱深防御，并通過人工取樣、環(huán)境巡測等手段進行額外補充監(jiān)測，提高了輻射監(jiān)測的可靠性。

參考文獻

[1]孫漢虹.第三代核電技術(shù)AP1000[M].北京：中國電力出版社，2016.

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[3]GB6249-2011，核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定[S].