氣載流出物惰性氣體核素分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張志鵬　曾波　金濤　趙鑫　宋紀(jì)高

摘 要

為提高HFETR（高通量工程試驗(yàn)堆）氣載流出物的監(jiān)測(cè)能力，基于目前主流的壓縮后譜分析方法，構(gòu)建了惰性氣體核素分析系統(tǒng)，有效提高惰性氣體的探測(cè)下限，實(shí)現(xiàn)了低放射性水平惰性氣體的核素分析測(cè)量。本文詳細(xì)論述了惰性氣體核素分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)過程，可以為后續(xù)類似系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞

HFETR;惰性氣體;壓縮取樣;核素分析

中圖分類號(hào)： TL76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.080

0 引言

對(duì)氣載流出物中惰性氣體放射性的監(jiān)測(cè)是核設(shè)施氣載流出物監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，一方面確保了核設(shè)施氣載流出物按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的控制值達(dá)標(biāo)排放，另一方面該數(shù)據(jù)是核設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)、安全分析等的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。HFETR氣載流出物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過惰性氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)對(duì)惰性氣體活度濃度的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。但該惰性氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備只能測(cè)得惰性氣體總的活度濃度，無法確認(rèn)惰性氣體的核素組成及對(duì)應(yīng)含量，從而無法對(duì)氣載流出物排放和核設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)做進(jìn)一步的分析評(píng)價(jià)。

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)惰性氣體核素的分析已得到普遍關(guān)注，在新建核電站中，氣載流出物惰性氣體核素分析設(shè)備已成為氣載流出物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。因此在HFETR增設(shè)了氣載流出物惰性氣體核素分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)HFETR惰性氣體的核素分析測(cè)量，本文詳細(xì)論述了惰性氣體核素分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)過程。

1 系統(tǒng)原理及技術(shù)要求

對(duì)核素的分析測(cè)量，通常采用的是高純鍺能譜直接測(cè)量分析的方式，但氣載流出物中惰性氣體的放射性活度濃度通常很低，部分核素的能量范圍窄，探測(cè)效率低，分辨困難。因此，為提高探測(cè)下限和核素識(shí)別能力，需將惰性氣體壓縮到一個(gè)特制的取樣容器內(nèi)，提高體積濃度，再將取樣容器放到高純鍺譜系統(tǒng)中分析測(cè)量。

惰性氣體核素分析系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)排風(fēng)塔氣載流出物低放射性惰性氣載的核素測(cè)量，其核心性能指標(biāo)為關(guān)鍵惰性氣體核素Xe-133、Kr-85的探測(cè)下限。參考核電站類似設(shè)備[1]，考慮惰性氣體核素分析系統(tǒng)的探測(cè)下限應(yīng)達(dá)到田灣、秦山等核電站同量級(jí)水平（探測(cè)限：Xe-133<1×103Bq/m3、Kr-85<104Bq /m3）。

2 系統(tǒng)方案

HFETR氣載流出物惰性氣體核素分析系統(tǒng)由壓縮取樣系統(tǒng)和譜分析系統(tǒng)兩部分組成。

2.1 壓縮取樣系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)概述

如圖1所示，惰性氣體核素分析壓縮取樣系統(tǒng)由氣溶膠及碘過濾盒、控制閥門、壓縮泵、流量計(jì)、壓力表、取樣容器等組成。從HFETR排風(fēng)塔氣載流出物監(jiān)測(cè)取樣管道引出一條支路進(jìn)入惰性氣體壓縮取樣系統(tǒng)。氣載流出物中的氣溶膠和碘首先被過濾去除，過濾后的氣體通過增壓泵壓縮至特制的取樣容器中;當(dāng)取樣容器壓力達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力時(shí)，增壓泵自動(dòng)停泵，并關(guān)閉取樣容器入口保壓閥保壓。取樣容器可通過快換接頭快速取出，然后送至實(shí)驗(yàn)室譜分析系統(tǒng)做進(jìn)一步分析測(cè)量。下次使用時(shí)，取樣容器由快換接頭接入系統(tǒng)，通過取樣排氣控制閥排氣泄壓，并進(jìn)一步通過吹掃回路吹掃排氣后，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。

2.1.2 系統(tǒng)壓縮比考慮

惰性氣體的壓縮比過大會(huì)對(duì)取樣容器以及壓縮取樣系統(tǒng)的安全及性能提出較高要求，過小又會(huì)導(dǎo)致核素分析測(cè)量下限達(dá)不到預(yù)定目標(biāo)。參考類似設(shè)備，綜合考慮系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性、探測(cè)性能提升等因素，選用10倍左右壓縮比（即最大壓縮壓力考慮10倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，約1MPa），保證顯著提高探測(cè)下限（1個(gè)量級(jí)左右）的同時(shí)壓縮取樣系統(tǒng)仍可按低壓系統(tǒng)（<1.6MPa）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.3 系統(tǒng)控制

取樣壓縮系統(tǒng)采用PLC+工控觸摸屏的控制模式。由PLC采集壓力、流量等傳感器信號(hào)并實(shí)現(xiàn)壓縮泵啟停、控制閥開關(guān)邏輯控制;由工控觸摸屏作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。如圖2所示，為取樣壓縮系統(tǒng)控制軟件界面。軟件帶密碼驗(yàn)證，正確輸入賬號(hào)和密碼后，即可進(jìn)入主操作界面。在主操作界面上按相應(yīng)的按鈕可啟動(dòng)增壓泵、控制氣動(dòng)閥等設(shè)備，取樣系統(tǒng)的氣路流量、壓縮壓力等參數(shù)在主操作界面也可實(shí)時(shí)顯示。通過“參數(shù)設(shè)置”界面，可對(duì)系統(tǒng)的壓縮壓力進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)置壓縮壓力時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停泵穩(wěn)壓。此外，系統(tǒng)控制軟件自帶“操作幫助”界面，通過該界面可以對(duì)取樣系統(tǒng)的操作步驟、注意事項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)了解。

2.1.4 安全性考慮

壓縮取樣系統(tǒng)為承壓系統(tǒng)，基于安全性考慮，從硬件和軟件上進(jìn)行了以下考慮和設(shè)計(jì)：

a.將壓縮系統(tǒng)集成到一個(gè)1600mm×800mm×1800mm的機(jī)柜中，壓縮取樣時(shí)要求必須關(guān)閉機(jī)柜門，由柜體對(duì)承壓部件進(jìn)行包容，避免承壓部件意外飛濺等情況造成人員傷害;

b.選用真空泵額定壓縮壓力為1.2MPa，保證系統(tǒng)壓力不超過1.2MPa，同時(shí)系統(tǒng)承壓管道、承壓閥門、取樣容器等均按至少1.5倍承壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)固有特性偏安全;

c.為避免因傳感器失效造成錯(cuò)誤地控制，通過PLC軟件實(shí)現(xiàn)安全控制：在壓縮控制過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控流量傳感器和壓力傳感器數(shù)據(jù)。開始流量傳感器應(yīng)該有一定的流量，到壓力逐步上升時(shí)流量逐漸減少。若出現(xiàn)開始流量過低或流量已明顯減小但未見壓力上升情況，軟件提示傳感器錯(cuò)誤并自動(dòng)泄壓保護(hù);

d.系統(tǒng)上位機(jī)軟件和集成機(jī)柜上均設(shè)置急停按鈕，點(diǎn)擊之后自動(dòng)泄壓保護(hù)。

通過上述軟硬件安全措施，保證壓縮取樣系統(tǒng)的安全。

2.2 譜分析系統(tǒng)

譜分析系統(tǒng)為一套高純鍺γ譜儀，安裝在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室，用于譜分析測(cè)量。譜分析系統(tǒng)探測(cè)器與取樣容器相互配套，通過無源效率刻度，最終實(shí)現(xiàn)惰性氣體的核素分析測(cè)量。如圖3所示，為取樣容器結(jié)構(gòu)圖。取樣容器下部?jī)?nèi)凹槽和高純鍺譜儀探測(cè)器剛好配合，測(cè)量時(shí)取樣容器可以剛好放置于譜儀探測(cè)器之上，以便更好地進(jìn)行譜分析測(cè)量提高測(cè)量效率。取樣容器下部?jī)?nèi)凹槽厚度t1應(yīng)在承壓安全的前提下盡量薄，以減少屏蔽影響，提高譜分析準(zhǔn)確性。參考《GB150-2011壓力容器》[2]標(biāo)準(zhǔn)，按照1.5倍承壓保守計(jì)算，不銹鋼取樣容器的t1厚度不應(yīng)小于1.67mm，但受限于焊接等加工制造工藝，最終選擇t1厚度為5mm。

高純鍺譜儀的探測(cè)效率會(huì)直接影響惰性氣體核素分析系統(tǒng)的探測(cè)下限，但高效率的譜分析系統(tǒng)價(jià)格昂貴。綜合考慮性價(jià)比，高純鍺譜儀的探測(cè)效率應(yīng)達(dá)到主流以上水平，最終要求高純鍺譜儀的探測(cè)效率大于40%。同時(shí)，高純鍺譜儀的鉛室結(jié)合實(shí)際要求定制為可頂部整體打開，以適應(yīng)取樣容器的裝卸需求。

高純鍺譜儀和取樣容器設(shè)計(jì)完成后，將取樣容器的尺寸、材質(zhì)等參數(shù)輸入譜儀自帶無源效率刻度軟件中，進(jìn)行無源效率刻度。無源效率刻度修正之后，通過高純鍺譜儀系統(tǒng)測(cè)量分析計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)惰性氣體的核素測(cè)量。

3 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

3.1 壓縮取樣系統(tǒng)安裝調(diào)試

如圖4所示，惰性氣體核素分析壓縮取樣系統(tǒng)集成到一個(gè)機(jī)柜中，機(jī)柜頂部預(yù)留有氣載流出物進(jìn)出氣口和吹掃氣體進(jìn)出口。在停堆期間，通過HFETR氣載流出物監(jiān)測(cè)取樣系統(tǒng)接口改造實(shí)現(xiàn)惰性氣體核素分析壓縮取樣系統(tǒng)的安裝：從取樣系統(tǒng)入口引支路進(jìn)入惰性氣體核素分析壓縮取樣機(jī)柜氣載流出物進(jìn)口，取樣系統(tǒng)出口引旁路連接機(jī)柜氣載流出物出口和管路吹掃出口，從吹掃空壓機(jī)引管路至吹掃入口。同時(shí)，配套安裝供電插口。

安裝完成后，開展系統(tǒng)功能調(diào)試確認(rèn)：打開取樣系統(tǒng)入口閥門，啟動(dòng)取樣系統(tǒng)控制軟件，通過軟件控制惰性氣體核素分析壓縮取樣系統(tǒng)增壓泵、控制閥等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)取樣容器的泄壓、反吹、氣載流出物惰性氣體壓縮取樣等操作。

3.2 譜分析系統(tǒng)調(diào)試

通過高純鍺譜儀調(diào)試結(jié)果和無源效率軟件刻度計(jì)算分析，惰性氣體核素分析系統(tǒng)的探測(cè)下限參見表1，低于田灣、秦山等核電站的探測(cè)限（田灣探測(cè)限：Kr-85 8.54×103Bq/m3，Xe-133 6.90×102Bq/m3，5000s測(cè)量時(shí)間;秦山探測(cè)下限：Kr-85 3.07×104 Bq/m3，Xe-133 4.59×102Bq/m3，3600s測(cè)量時(shí)間）[3]，優(yōu)于預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

在系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)了下述問題：取樣容器雖進(jìn)行了嚴(yán)格的氣密性撿漏，并通過自封快換接頭實(shí)現(xiàn)自密封，但無法完全確保壓縮惰性氣體不存在微漏。特別是在拆取取樣容器的瞬間，快換接頭處難以確保不存在微漏，譜分析測(cè)量時(shí)的氣體壓力可能略小于壓縮壓力。

為解決上述問題，一方面對(duì)取樣容器進(jìn)行了氣密性檢查確認(rèn)，確保取樣容器不漏氣;另一方面在取樣容器上增設(shè)壓力表，使壓縮壓力實(shí)時(shí)可見，測(cè)量結(jié)果根據(jù)壓力值進(jìn)行修正，以提高測(cè)量準(zhǔn)確性。通過上述措施，有效解決了可能的微漏帶來的影響。

5 總結(jié)

本文詳細(xì)論述了HFETR惰性氣體核素分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)過程。通過惰性氣體核素分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等工作，系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期要求，滿足了惰性氣體核素分析測(cè)量的需求，實(shí)現(xiàn)了HFETR排風(fēng)塔惰性氣體的核素分析識(shí)別。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。本文總結(jié)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以為后續(xù)類似項(xiàng)目提供參考和借鑒。

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