一種基于濱海核電站海上γ輻射劑量率的智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

劉占陽，胡 澄，孫雪峰，張啟明，陳 謙，楊立濤，賀一凡

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

我國(guó)目前的放射性污染監(jiān)測(cè)制度規(guī)定，從事伴有電離輻射實(shí)踐活動(dòng)的單位必須開展輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)，對(duì)放射性流出物的排放情況進(jìn)行監(jiān)督性監(jiān)測(cè)，獨(dú)立、客觀、公正地反映核電廠周圍輻射環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)和預(yù)警核與輻射事件或事故。

日本福島核事故后，國(guó)家核安全局于 2012年6月發(fā)文《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求(試行版)》，其中，在第七項(xiàng)“輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)及應(yīng)急改進(jìn)的技術(shù)要求”第四條“設(shè)備要求”中對(duì)環(huán)境輻射水平連續(xù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位設(shè)置和傳輸功能提出了如下要求：①站址布點(diǎn)：核電廠監(jiān)測(cè)站點(diǎn)應(yīng)考慮與監(jiān)督性監(jiān)測(cè)站點(diǎn)互補(bǔ)的原則，保證核電廠周圍 16 個(gè)方位的陸域原則上都布設(shè)至少 1 個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站房。在核電廠煙羽計(jì)劃應(yīng)急區(qū)范圍內(nèi)，核電廠各堆址主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向、居民密集區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加布點(diǎn)；沿海核電廠應(yīng)具備一定的海域方向監(jiān)測(cè)能力，并對(duì)其合理性進(jìn)行論證。②數(shù)據(jù)傳輸功能：應(yīng)具有備用通信方式，保證各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳送到自動(dòng)監(jiān)測(cè)中央站；在失去外部電源的情況下，自動(dòng)監(jiān)測(cè)中央站應(yīng)能保證較長(zhǎng)時(shí)間(≥72 h)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸[1]。

對(duì)核電站周邊水域的γ輻射劑量水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)是核電站監(jiān)督性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，完善了陸地監(jiān)督性監(jiān)測(cè)站點(diǎn)無法對(duì)液態(tài)放射性流出物監(jiān)測(cè)的短板，是核電站運(yùn)行、核安全監(jiān)管、環(huán)境保護(hù)及公眾關(guān)注的重要內(nèi)容，可以有效地提升核電站海域方向的氣、液放射性流出物的日常監(jiān)測(cè)能力，實(shí)時(shí)反映核電廠海域方向的輻射環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化曲線，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測(cè)和預(yù)警核與輻射事件或事故[2-5]。

1 海上γ輻射劑量率的監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)在運(yùn)行的核電站均已在陸地方向建設(shè)了針對(duì)放射性流出物、氣象等要素監(jiān)督性監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，但是針對(duì)海域方向的放射性流出物監(jiān)測(cè)尚處于空白狀態(tài)，缺乏針對(duì)海域方向放射性流出物的監(jiān)督性監(jiān)測(cè)能力，尤其是針對(duì)液態(tài)放射性流出物的監(jiān)測(cè)尚處于人工監(jiān)測(cè)的狀態(tài)。

在應(yīng)急條件或事故狀態(tài)下，目前國(guó)內(nèi)所有的濱海核電廠在例行的應(yīng)急演習(xí)過程中對(duì)周邊海域進(jìn)行輻射監(jiān)測(cè)時(shí)，大部分都是采取在地圖上確定測(cè)量位置或是按照既定的監(jiān)測(cè)路線，然后由應(yīng)急監(jiān)測(cè)小組人員駕駛載有便攜式儀器的船只進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。在核電廠發(fā)生大量放射性核素泄漏的情況下，這種方式存在的主要問題：①人員易受照射，心理負(fù)擔(dān)重，船只易受污染；② 測(cè)量和傳輸技術(shù)方法落后，數(shù)據(jù)不及時(shí)，不連續(xù)，不能實(shí)現(xiàn)無人化、快速、大面積區(qū)域組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，影響評(píng)價(jià)和決策指揮；③ 只能做到定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或既定路線的巡測(cè)，無法做到日常監(jiān)測(cè)；④ 技術(shù)保障復(fù)雜，行動(dòng)代價(jià)高；⑤ 受天候和海況條件影響大。

針對(duì)核電廠周邊海域的γ輻射劑量率的智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在非事故情況下，是對(duì)核電廠監(jiān)督性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要補(bǔ)充和完善，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)核電廠海域方向的氣態(tài)放射性流出物和液態(tài)放射性流出物的排放情況，實(shí)時(shí)反映核電廠海域方向的輻射環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化，進(jìn)而達(dá)到核與輻射事件或事故預(yù)警的目的。

2 基于濱海核電廠γ輻射劑量率的智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于濱海核電廠γ輻射劑量率的智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種全天候、無人值守的輻射監(jiān)測(cè)裝備，是海洋環(huán)境長(zhǎng)期定點(diǎn)實(shí)時(shí)立體監(jiān)測(cè)的基本手段，由浮標(biāo)體、航標(biāo)燈、監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、錨系系統(tǒng)、浮標(biāo)接收岸站及數(shù)據(jù)平臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、傳輸、報(bào)警及自動(dòng)定位等功能，為指定用戶提供實(shí)時(shí)在線的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

2.1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊和監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)三大部分組成，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of the monitoring system

設(shè)計(jì)說明：①現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)：獲取海水表面γ劑量率、海水中放射性核素的γ劑量率；②無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊：由專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊(GPRS/4G)和北斗衛(wèi)星兩種無線鏈路將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的傳感器數(shù)據(jù)上傳至中央站服務(wù)器。通信以移動(dòng)公網(wǎng)為主，北斗衛(wèi)星為冗余備份；③監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)：由中央站作為海上輻射安全智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指控中樞。接收海上監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上傳的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行測(cè)控；通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至中心機(jī)房，并可根據(jù)要求調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的工作模式。

在實(shí)體設(shè)計(jì)上，該系統(tǒng)由浮體(儀表艙)、塔架、錨鏈等組成，浮標(biāo)體上安裝水溫、氣象儀、輻射監(jiān)測(cè)儀表(水體輻射NaI探頭、空氣輻射NaI探頭)、北斗數(shù)傳模塊；儀表艙內(nèi)裝有數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、太陽能供電系統(tǒng)、漏水傳感器、艙內(nèi)溫濕度、GPS模塊等，浮體下系結(jié)有錨碇設(shè)備。在數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容中，包含有儀表艙的溫濕度和是否水浸，GPS系統(tǒng)的時(shí)間、經(jīng)緯度，氣象儀的風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓力、溫度、濕度、露點(diǎn)，空氣和水體輻射探頭的γ劑量率及核素能譜等。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要包括： ①測(cè)量水體表面以及空氣中的γ劑量率；②測(cè)量水中和空氣中γ能譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行核素識(shí)別并計(jì)算活度濃度；③自動(dòng)標(biāo)識(shí)測(cè)量位置和測(cè)量時(shí)間；④無人值守、在線實(shí)時(shí)自動(dòng)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；⑤位移報(bào)警，夜間以燈光標(biāo)示測(cè)點(diǎn)位置和監(jiān)測(cè)范圍；⑥抗鹽霧和海水腐蝕 ；⑦多點(diǎn)位區(qū)域組網(wǎng)，實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量，多鏈路自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)；⑧滿足應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)需要，及時(shí)為決策指揮服務(wù)，為后果評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)提供依據(jù)；⑨能夠在復(fù)雜氣象和高海況條件下使用，具有抗風(fēng)浪能力；⑩具有良好防腐蝕性能，適于在海水中長(zhǎng)期使用。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)為一個(gè)直徑為3 m的浮標(biāo)(圖2)，浮體材質(zhì)是抗腐蝕、耐碰撞、重量輕、服役期長(zhǎng)、不易為海洋生物附著的低表面能聚合物通體材質(zhì)，其耐用性比傳統(tǒng)鋼鐵浮標(biāo)更小、更輕、更佳的搬運(yùn)性。其主要特點(diǎn)有：①防風(fēng)浪：配置整體重心下移，形成類似不倒翁原理，增加設(shè)備的穩(wěn)定性，有防風(fēng)抗浪的功能；②結(jié)實(shí)耐用、存活力強(qiáng)：低維護(hù)量與長(zhǎng)使用壽命代表在整個(gè)生命周期間的成本低廉，浮標(biāo)結(jié)構(gòu)緊湊，儀表艙內(nèi)配置溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙溫，非法打開倉蓋可報(bào)警；③浮標(biāo)的水密裝置應(yīng)保證標(biāo)體不變形，儀器艙內(nèi)配置漏水傳感器，可漏水報(bào)警；④配置GPS定位模塊，浮標(biāo)漂移200 m以上可報(bào)警處理。

其中浮體呈圓盤形的結(jié)構(gòu)，能載有多種類型傳感器，能自動(dòng)、長(zhǎng)期、連續(xù)地進(jìn)行常規(guī)的水文氣象參數(shù)測(cè)量，數(shù)據(jù)采集、處理后通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)/GPRS/CDMA等方式實(shí)時(shí)傳輸。

圖2 浮標(biāo)示意圖Fig.2 Schematic diagram of a buoy

2.4 供電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成。各部分的作用為：①太陽能電池板。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作，太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。②太陽能控制器。太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。③蓄電池。一般為鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。

本系統(tǒng)使用太陽能為儀器儀表供電，不需要外接電源，利于偏遠(yuǎn)環(huán)境安裝。按每5 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，理論供電持續(xù)時(shí)間可達(dá)20 d。

2.5 無線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊

海上γ輻射監(jiān)測(cè)浮標(biāo)和監(jiān)控中心之間除了采用無線通訊模式外，還配有衛(wèi)星通訊模塊，可在無線通訊故障情況下自動(dòng)切換到衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

數(shù)字采集傳輸儀設(shè)備按照工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，同時(shí)具備數(shù)據(jù)采樣、報(bào)警控制輸出、實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。支持GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)，具備RS232、RS485端口，可以通過本地通訊端口或GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)配置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)召測(cè)。支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus、HJ/T 212協(xié)議?？筛謨x表、在線分析儀表等對(duì)接，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理及傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

2.6 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)

中央站監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)具有系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)的功能，它是架構(gòu)在PC之上的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，運(yùn)行于Windows Server、XP、Win7等操作系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)聽軟件、大屏顯示系統(tǒng)、報(bào)表管理系統(tǒng)等多個(gè)軟件系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離水體輻射水平、空氣輻射水平、氣象等數(shù)據(jù)的采集、瀏覽及發(fā)布提供了一個(gè)開放性的、可擴(kuò)展的系統(tǒng)平臺(tái)，具備顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、超標(biāo)報(bào)警等功能。

軟件采用先進(jìn)的B/S結(jié)構(gòu)體系，用戶WEB瀏覽器方式操作，數(shù)據(jù)采集傳輸、報(bào)表分析圖形化、動(dòng)態(tài)化，報(bào)表報(bào)文可自動(dòng)生成，應(yīng)用工具組態(tài)化，開放的動(dòng)態(tài)工具方便用戶自行維護(hù)，具有很好的異構(gòu)兼容性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)配有IPAD移動(dòng)終端可以隨時(shí)隨地查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)維護(hù)及設(shè)備故障維修的響應(yīng)時(shí)間，確保維護(hù)維修人員及時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 核電廠海上輻射劑量監(jiān)測(cè)設(shè)備及測(cè)試

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

SpetroTracer NaI是一種輻射探測(cè)器，能夠測(cè)量空氣、土壤或是水中的非常低的污染。該款設(shè)備能夠?qū)y(cè)量的放射性能量進(jìn)行光譜分析，從而識(shí)別監(jiān)測(cè)到的核素，并區(qū)分人工放射性核素和天然放射性核素，也能夠進(jìn)行半定量核素濃度水平分析，進(jìn)行環(huán)境γ空氣吸收劑量率的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

3.2 NaI海洋水體輻射劑量率測(cè)量結(jié)果

經(jīng)測(cè)量，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)所在海域海平面上方1.5 m處的空氣NaI測(cè)量值為6.4±0.2 nSv/h，海平面下方1.0 m處的水體NaI測(cè)量值為7.6±0.1 nSv/h?？鄢齼x器本底干擾后，監(jiān)測(cè)結(jié)果依次為2.4、3.7 nSv/h，結(jié)果見圖3。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)海洋NaI譜儀已測(cè)數(shù)據(jù)情況

2017年10月監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上的空氣NaI譜儀和水體NaI譜儀測(cè)量結(jié)果見圖4，從圖中可以看到水體NaI輻射劑量率測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性好，受環(huán)境干擾極??；空氣NaI輻射劑量率測(cè)量結(jié)果受環(huán)境影響較大，導(dǎo)致輻射劑量率的變化的因素較為復(fù)雜，降雨對(duì)輻射劑量率有一定的影響，但影響情況與陸地情況有所不同；從圖中可以看到2017年10月14日—16日輻射劑量率有明顯的升高，通過對(duì)周圍環(huán)境情況識(shí)別，這應(yīng)該為臺(tái)風(fēng)“卡奴”所導(dǎo)致的影響。

圖3 NaI海洋水面空氣中和水體中輻射劑量率測(cè)量結(jié)果Fig.3 NaI radiation dose rate measured of in air and in surface water on sea

圖4 2017年10月海洋NaI譜輻射劑量測(cè)量結(jié)果Fig.4 Marine NaI spectrum by radiation dose measurements in October 2017

3.4 監(jiān)測(cè)浮標(biāo)附件海域的空氣NaI和水體NaI輻射劑量率測(cè)量結(jié)果差異分析

根據(jù)已測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)附件海域的空氣NaI和水體NaI輻射劑量率測(cè)量結(jié)果依次為2.4、3.7 nSv/h，相差約40%。海洋中天然核素分布較為平均，我國(guó)近岸海域天然226Ra、232Th、40K平均值依次為0.076、0.004和10.32 Bq/L，通過模擬計(jì)算得到的海洋水體中和水面輻射劑量率分別為0.3、0.8 nSv/h。測(cè)量結(jié)果高于模擬計(jì)算結(jié)果。經(jīng)分析海洋中NaI測(cè)量譜數(shù)據(jù)(圖5)，水面空氣中和水體中40K對(duì)劑量率的貢獻(xiàn)幾乎一致，而水體中大量核素衰變退激產(chǎn)生的低能X射線對(duì)劑量率明顯大于水面空氣。另外，受海洋水體中懸浮物的影響，可導(dǎo)致水體中輻射劑量率測(cè)量結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果偏高。

3.5 NaI譜儀的連續(xù)測(cè)量在海域環(huán)境中的應(yīng)用

相對(duì)于傳統(tǒng)的輻射劑量率測(cè)量方法，NaI譜儀測(cè)量最大的優(yōu)點(diǎn)就是具備核素識(shí)別能力，典型本底測(cè)量譜圖見圖6，常規(guī)測(cè)量時(shí)可通過各感興趣區(qū)域計(jì)數(shù)變化情況分析導(dǎo)致環(huán)境輻射劑量率變化的原因。

NaI譜測(cè)量時(shí)本底劑量極低(約為4.0 nSv/h)，因此系統(tǒng)具備較高的探測(cè)能力和探測(cè)靈敏度。在應(yīng)急條件下，根據(jù)NaI譜圖信息，可及時(shí)識(shí)別排放到環(huán)境中的人工放射性核素，為及時(shí)計(jì)算排放源項(xiàng)和計(jì)算核設(shè)施周圍人員可能受照劑量提供數(shù)據(jù)支持。

圖5 海水水面和水體中NaI測(cè)量譜圖對(duì)比Fig.5 Comparison of NaI spectrum measured in surface seawater and in water column

圖6 NaI譜儀海洋水體測(cè)量譜圖Fig.6 NaI spectrum obtained from sea water column by spectrometer

4 結(jié)論

(1)基于濱海核電站海上γ輻射劑量率的智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種全天候、無人值守的輻射監(jiān)測(cè)裝備，是海洋環(huán)境長(zhǎng)期定點(diǎn)實(shí)時(shí)立體監(jiān)測(cè)的基本手段，可全天候、長(zhǎng)時(shí)間、在線組網(wǎng)、連續(xù)自動(dòng)測(cè)量水面和空氣中的γ劑量率、獲取γ能譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行核素識(shí)別和計(jì)算活度濃度，實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線通信鏈路和北斗短報(bào)文兩種形式上傳至中央站服務(wù)器，可以有效地提升海域方向的氣、液態(tài)放射性流出物的監(jiān)測(cè)能力。

(2)在應(yīng)急條件或發(fā)生重大核安全事故的情況下，該系統(tǒng)為核電廠實(shí)施海上應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)提供了一種有效的解決方案，同時(shí)也提供了一種新的方法和手段，能夠有效避免傳統(tǒng)的派船巡測(cè)時(shí)方法不標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)不及時(shí)不連續(xù)、人員受照風(fēng)險(xiǎn)大、船只易受污染和行動(dòng)代價(jià)高等問題。

(3)該系統(tǒng)在非事故情況下是對(duì)核電廠監(jiān)督性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要補(bǔ)充和完善，能夠?qū)穗姀S海域方向的氣態(tài)放射性流出物和液態(tài)放射性流出物的排放情況進(jìn)行監(jiān)督性監(jiān)測(cè)，尤其是在極端環(huán)境條件下無人值守的海上環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依然可以持續(xù)地為核電站提供輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)能力，對(duì)核電站運(yùn)行期間整體的安全性和可靠性具有積極意義。