RMS 放射性探測(cè)性能試驗(yàn)方法缺陷分析與應(yīng)對(duì)研究

柳繼坤

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

核電廠輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng) （Radiation Monitoring System， RMS） 為機(jī)組正常運(yùn)行和事故響應(yīng)提供用于放射性物質(zhì)釋放評(píng)價(jià)的監(jiān)測(cè)信息，是核電安全縱深防御體系中的重要環(huán)節(jié)，也是核電廠應(yīng)急響應(yīng)和決策的重要依據(jù)[1]。RMS 監(jiān)測(cè)通道放射性探測(cè)性能(以下簡(jiǎn)稱(chēng)探測(cè)性能)的主要技術(shù)指標(biāo)包括相對(duì)固有誤差和探測(cè)效率； 通過(guò)對(duì)RMS 監(jiān)測(cè)通道在出廠前進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)獲得相對(duì)固有誤差數(shù)據(jù)， 通過(guò)對(duì)RMS 監(jiān)測(cè)通道執(zhí)行探測(cè)效率檢查試驗(yàn)獲得監(jiān)測(cè)通道的探測(cè)效率。RMS 試驗(yàn)技術(shù)程序中的試驗(yàn)方法主要來(lái)源于設(shè)計(jì)、供貨技術(shù)文件，設(shè)計(jì)、供貨技術(shù)文件中的缺陷如果不能被有效地辨識(shí)并糾正，這些技術(shù)性缺陷通常會(huì)被輸入到試驗(yàn)技術(shù)程序中，這種缺陷往往會(huì)對(duì)使用相同型號(hào)的RMS設(shè)備的核電機(jī)組產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致群廠性問(wèn)題。

某電站核電機(jī)組RMS 主要由國(guó)內(nèi)某供應(yīng)商供貨（供應(yīng)商-甲），RMS 定期試驗(yàn)程序的探測(cè)性能試驗(yàn)引用了供貨技術(shù)文件中提供的試驗(yàn)方法， 定期試驗(yàn)程序規(guī)定以RMS 通道在制造廠內(nèi)的首次探測(cè)效率試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)對(duì)后續(xù)探測(cè)效率試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)， 電廠試驗(yàn)人員在試驗(yàn)期間以RMS 通道調(diào)試啟動(dòng)試驗(yàn)獲得的探測(cè)效率為基準(zhǔn)對(duì)定期試驗(yàn)獲得的探測(cè)效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)際試驗(yàn)方法與定期試驗(yàn)程序規(guī)定不一致，違反了機(jī)組安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督要求， 最終造成執(zhí)照運(yùn)行事件[2]。 事后分析發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商-甲在其供貨技術(shù)文件中提供的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率驗(yàn)收方法存在缺陷， 即便試驗(yàn)人員嚴(yán)格按照定期試驗(yàn)程序執(zhí)行試驗(yàn)，因?yàn)樵囼?yàn)方法缺陷，最終對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)亦存在不確定性，可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)無(wú)效。 因此，有必要對(duì)RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)性能試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，辨識(shí)并糾正其中的缺陷， 避免因技術(shù)程序存在缺陷造成試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，從而防止執(zhí)照運(yùn)行事件發(fā)生。

本研究基于RMS 有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程對(duì)RMS 監(jiān)測(cè)通道放射性探測(cè)性能指標(biāo)的物理意義進(jìn)行了分析，并給出了解讀結(jié)果；分析了供應(yīng)商-甲為核電機(jī)組供貨的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)性能試驗(yàn)方法中存在的缺陷，并給出了應(yīng)對(duì)措施。 對(duì)國(guó)產(chǎn)化RMS 設(shè)備產(chǎn)品一致性不高，以及計(jì)量校準(zhǔn)的質(zhì)量控制問(wèn)題進(jìn)行了討論， 給出了改進(jìn)建議。 研究成果可供新建核電機(jī)組RMS 設(shè)計(jì)、 采購(gòu)和調(diào)試工作以及在役核電機(jī)組RMS定期試驗(yàn)和改造工作參考。

1 探測(cè)性能指標(biāo)的物理意義

機(jī)組調(diào)試和運(yùn)行期間， 把RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率作為判斷通道的核輻射探測(cè)器能否繼續(xù)使用的主要技術(shù)指標(biāo)。 某核電廠RMS 設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)中規(guī)定RMS 監(jiān)測(cè)通道的相對(duì)固有誤差應(yīng)在-20%～20%范圍內(nèi)；部分RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也是-20%～20%。 由于上述兩個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)值上一致，造成了部分試驗(yàn)人員認(rèn)為RMS 監(jiān)測(cè)通道相對(duì)固有誤差與探測(cè)效率在物理意義上是相同的。

檢定規(guī)程《輻射防護(hù)用X、γ 輻射劑量當(dāng)量（率）儀和監(jiān)測(cè)儀》（JJG 393—2003） 中對(duì)相對(duì)固有誤差的定義為：在規(guī)定的參考條件下，儀器對(duì)指定參考輻射的指示值的相對(duì)誤差[3]。 相對(duì)固有誤差的計(jì)算式為：

式中，I 為相對(duì)固有誤差；Hi為被檢定儀器指示值；Ht為被測(cè)量約定真值。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《核科學(xué)技術(shù)術(shù)語(yǔ)第6 部分：核儀器儀表》（GB/T 4960.6—2008） 中對(duì)探測(cè)效率的定義為：在規(guī)定的幾何條件下，單位時(shí)間探測(cè)到的某類(lèi)型粒子數(shù)與輻射源同類(lèi)型粒子的表面發(fā)射率之比[4]。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輻射防護(hù)儀器便攜式表面污染光子測(cè)量?jī)x和監(jiān)測(cè)儀》（GB/T 29788—2013）中對(duì)表面發(fā)射率（放射源用）的定義為：在單位時(shí)間內(nèi)從放射源的表面或其窗口發(fā)射的能量大于一定給定值的給定類(lèi)型的粒子數(shù)[5]。RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率計(jì)算式為：

式中，E 為探測(cè)效率；Cb為 RMS 通道探測(cè)到的環(huán)境本底計(jì)數(shù)率，s-1；Cd為試驗(yàn)用放射源放置到位后RMS 通道測(cè)得的穩(wěn)定計(jì)數(shù)率，s-1；q2π為試驗(yàn)用放射源的表面發(fā)射率，s-1·（2πsr）-1。

由此可知，RMS 監(jiān)測(cè)通道的相對(duì)固有誤差與探測(cè)效率是兩個(gè)完全不同的技術(shù)指標(biāo)， 其物理意義也不同。 國(guó)產(chǎn)化RMS 設(shè)備出廠前普遍按照J(rèn)JG 393—2003檢定規(guī)程進(jìn)行校準(zhǔn)，相對(duì)固有誤差應(yīng)由資質(zhì)合格的計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)RMS 設(shè)備校準(zhǔn)后，在RMS 設(shè)備校準(zhǔn)證書(shū)中給出；RMS 通道在核電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，通過(guò)執(zhí)行調(diào)試試驗(yàn)獲得通道在機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)效率，后期通過(guò)執(zhí)行定期試驗(yàn)可跟蹤、評(píng)價(jià)通道探測(cè)效率的變化， 根據(jù)變化趨勢(shì)為RMS 設(shè)備老化和機(jī)組備件管理提供參考。 因此，不能以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間獲得的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率等效或替代相對(duì)固有誤差。

2 探測(cè)性能試驗(yàn)方法缺陷分析

2.1 試驗(yàn)方法描述

供應(yīng)商-甲在RMS 設(shè)備運(yùn)行與維修手冊(cè)中給出的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)性能試驗(yàn)方法如下：

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算RMS 監(jiān)測(cè)通道的當(dāng)前探測(cè)效率，計(jì)算式為：

式中，Et為監(jiān)測(cè)通道安裝到現(xiàn)場(chǎng)后的探測(cè)效率；Md為試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)通道指示值的平均值；Mb為監(jiān)測(cè)通道測(cè)量環(huán)境本底指示值的平均值；A 為放射源的當(dāng)前活度。

計(jì)算RMS 監(jiān)測(cè)通道當(dāng)前探測(cè)效率與出廠試驗(yàn)測(cè)得探測(cè)效率的偏差，計(jì)算式為：

式中，ε 為探測(cè)效率偏差；E0為監(jiān)測(cè)通道出廠試驗(yàn)測(cè)得的探測(cè)效率。

試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為-20%≤ε≤20%， 探測(cè)效率偏差滿(mǎn)足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求， 則RMS 監(jiān)測(cè)通道的放射性探測(cè)性能合格。

2.2 探測(cè)效率計(jì)算方法缺陷分析

基于前文分析可知式（3）的計(jì)算結(jié)果與式（2）計(jì)算結(jié)果存在差異。選擇使用137Cs 固體放射源作為試驗(yàn)放射源的γ 監(jiān)測(cè)通道為分析對(duì)象，圖1 為137Cs 的衰變綱圖。 放射源的活度單位是Bq，其物理意義為1Bq 等于每秒發(fā)生1 次核躍遷或1 次核蛻變[6]。 使用137Cs 放射源對(duì)γ 監(jiān)測(cè)通道進(jìn)行探測(cè)效率試驗(yàn)時(shí)的有效射線是能量為0.661 7 MeV 的γ 射線，從137Cs 的衰變綱圖中可以得出其衰變產(chǎn)生能量為0.661 7 MeV，γ 射線的產(chǎn)額約80.5%，該計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中給出的結(jié)果（84.99%）相近。因此放射源活度與放射源表面發(fā)射率除了物理意義不同外，在數(shù)值上也存在差異。

圖1 137Cs 衰變綱圖

若要獲得相對(duì)準(zhǔn)確的探測(cè)效率計(jì)算結(jié)果，放射源表面發(fā)射率的數(shù)據(jù)必須足夠準(zhǔn)確。RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)性能試驗(yàn)使用的放射源只有少數(shù)幾顆α、β 源是立體角為2π 的平面源， 大多數(shù)試驗(yàn)用放射源是圓柱狀放射源， 對(duì)于難以給出準(zhǔn)確表面發(fā)射率的放射源，RMS監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率近似值可使用式（5）進(jìn)行計(jì)算，式（5）也是法國(guó)MGP 公司供貨的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率的主要計(jì)算式。

式中，E*為探測(cè)效率近似值，s-1·Bq-1。

假定使用137Cs 平面源為一個(gè)RMS γ 監(jiān)測(cè)通道執(zhí)行探測(cè)性能試驗(yàn)，由0.661 7 MeV 的γ 射線產(chǎn)額可知基于同一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用式（5）計(jì)算得出的探測(cè)效率值約為使用式（2）計(jì)算值的 0.805 0～0.849 9 倍。

使用式（5）時(shí)RMS 監(jiān)測(cè)通道必須具備顯示射線粒子計(jì)數(shù)率的功能。以供應(yīng)商-甲為某核電廠供貨的蒸汽發(fā)生器排污水γ 活度監(jiān)測(cè)通道為例， 該通道沒(méi)有設(shè)計(jì)射線粒子計(jì)數(shù)率顯示窗口， 從設(shè)備顯示器上只能獲得體積活度（單位為 Bq·m-3），使用式（3）計(jì)算得到試驗(yàn)結(jié)果的量綱為Bq·m-3·Bq-1，這只是一個(gè)在數(shù)值上與探測(cè)效率存在一定關(guān)系的計(jì)算結(jié)果 （通道γ 計(jì)數(shù)率與體積活度的換算關(guān)系屬于供應(yīng)商技術(shù)保密內(nèi)容， 暫時(shí)無(wú)法評(píng)估由γ 計(jì)數(shù)率與體積活度換算對(duì)探測(cè)性能試驗(yàn)結(jié)果造成的影響）。由前文分析可知，使用供應(yīng)商-甲給出的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率計(jì)算方法無(wú)法計(jì)算得到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中定義的探測(cè)效率；相比較而言，式（5）的計(jì)算結(jié)果更接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中定義的探測(cè)效率。

2.3 探測(cè)效率驗(yàn)收方法缺陷分析

RMS 設(shè)備安裝到核電現(xiàn)場(chǎng)后的環(huán)境本底差異、試驗(yàn)放射源差異（個(gè)別機(jī)組已發(fā)現(xiàn)制造廠與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用放射源不是同一顆放射源）都會(huì)對(duì)探測(cè)效率的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響， 放射性統(tǒng)計(jì)漲落等特點(diǎn)決定了RMS 設(shè)備在制造廠內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的E0 本身就存在一定誤差，因此基于式（4）評(píng)價(jià)RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率變化的方法存在會(huì)引入誤差的缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果失效。

假定某RMS 監(jiān)測(cè)通道初始探測(cè)效率的約定真值（E0，T）已知，核電現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得探測(cè)效率 Et相對(duì) E0，T的誤差會(huì)受 E0與 E0，T之間的誤差和 Et與 E0之間的誤差的影響而發(fā)生變化，從表1 的誤差傳遞計(jì)算示例中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)誤差的疊加達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)造成Et相對(duì)E0，T的誤差超出-20%～20%的范圍， 因此這種誤差跟蹤與評(píng)價(jià)方法用于判斷RMS 監(jiān)測(cè)通道的放射性探測(cè)性能是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

表1 誤差傳遞計(jì)算示例

2.4 分析結(jié)果

基于上述分析， 供應(yīng)商-甲在供貨技術(shù)文件中提供的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率計(jì)算方法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的探測(cè)效率計(jì)算方法存在差異，其計(jì)算結(jié)果不是嚴(yán)格意義上的探測(cè)效率；供應(yīng)商-甲給出的以E0為基準(zhǔn)的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率評(píng)價(jià)方法存在缺陷， 因E0可能存在誤差或因制造廠與核電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件差異造成E0不能作為比較基準(zhǔn)，有導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)存在不確定性或無(wú)效缺陷， 因此不建議在RMS 試驗(yàn)技術(shù)程序中使用供應(yīng)商-甲在供貨技術(shù)文件中提供的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率驗(yàn)收方法。

3 應(yīng)對(duì)措施

由前文分析可知供應(yīng)商-甲給出的RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率驗(yàn)收方法存在缺陷， 參考法國(guó)MGP 公司RMS 設(shè)備的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率是否合格應(yīng)根據(jù)具體RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率的驗(yàn)收范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)，RMS 設(shè)備安裝到核電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)后的試驗(yàn)結(jié)果只需與約定的驗(yàn)收范圍進(jìn)行比較評(píng)價(jià)即可；當(dāng)前已在陽(yáng)江核電廠、紅沿河核電廠的5、6 號(hào)機(jī)組RMS調(diào)試環(huán)節(jié)完成了這項(xiàng)改進(jìn)。

為了實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間能夠相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率的目標(biāo)，即以式（2）計(jì)算探測(cè)效率或以式（5）計(jì)算探測(cè)效率近似值，應(yīng)在RMS 監(jiān)測(cè)通道中設(shè)計(jì)射線粒子計(jì)數(shù)率顯示功能， 已向RMS 供應(yīng)商提出了此項(xiàng)改進(jìn)意見(jiàn)。

4 討論與建議

4.1 國(guó)產(chǎn)RMS 產(chǎn)品一致性現(xiàn)狀與建議

國(guó)產(chǎn)RMS 設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性已接近國(guó)外主流RMS 供應(yīng)商的產(chǎn)品，但從近三年交付核電現(xiàn)場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)RMS 設(shè)備實(shí)際性能分析， 產(chǎn)品一致性還有待提高；文獻(xiàn)[8]中亦指出了國(guó)產(chǎn)RMS 產(chǎn)品一致性的不足。 RMS監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率主要受核輻射探測(cè)器性能影響，如果相同型號(hào)RMS 監(jiān)測(cè)通道的產(chǎn)品一致性不高， 容易造成同一臺(tái)機(jī)組的同型號(hào)RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問(wèn)題， 即相同型號(hào)RMS 監(jiān)測(cè)通道存在多個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)， 目前已有數(shù)臺(tái)核電機(jī)組遇到了此問(wèn)題； 上述問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致RMS 監(jiān)測(cè)通道因隨機(jī)設(shè)備故障更換新的核輻射探測(cè)器后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員無(wú)法準(zhǔn)確確定探測(cè)效率驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)確存在造成試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)無(wú)效的風(fēng)險(xiǎn)。

某核電廠的RMS 設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)中未對(duì)RMS產(chǎn)品一致性做出約束，因此，建議后續(xù)新建機(jī)組設(shè)計(jì)或運(yùn)行機(jī)組采購(gòu)備件時(shí)應(yīng)對(duì)RMS 產(chǎn)品一致性給出明確要求。

4.2 RMS 出廠前校準(zhǔn)質(zhì)控現(xiàn)狀與建議

文獻(xiàn)[9]提供的檢查結(jié)果顯示40 個(gè)型號(hào)的用于輻射防護(hù)監(jiān)測(cè)的γ 輻射監(jiān)測(cè)儀中相對(duì)固有誤差絕對(duì)值在10%～20%范圍的有24 型（占比為60%），相對(duì)固有誤差在-10%～10%范圍的有 11 型 （占比 27.5%），超出-20%～20%范圍的有5 型（占比12.5%）。 當(dāng)前RMS設(shè)備出廠前的校準(zhǔn)環(huán)節(jié)存在下列3 種常見(jiàn)不規(guī)范問(wèn)題：（1）部分 RMS 設(shè)備到貨后缺少校準(zhǔn)證書(shū)；（2）個(gè)別核電機(jī)組RMS 設(shè)備的校準(zhǔn)證書(shū)中批次性缺少相對(duì)固有誤差的校準(zhǔn)結(jié)果；（3）一部分RMS 設(shè)備的校準(zhǔn)證書(shū)中給出的相對(duì)固有誤差結(jié)果為0 或約為0，從當(dāng)前民用RMS 設(shè)備的實(shí)際探測(cè)性能分析， 這種校準(zhǔn)結(jié)果不可靠。 因此，后續(xù)應(yīng)從核電廠設(shè)備質(zhì)保管理環(huán)節(jié)加強(qiáng)對(duì)RMS 設(shè)備出廠前校準(zhǔn)工作的監(jiān)督。

5 結(jié)論

研究得出如下結(jié)論：

（1）RMS 監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率與相對(duì)固有誤差的物理意義完全不同，是兩個(gè)不同的技術(shù)指標(biāo)，不能等效或互相替代。

（2）供應(yīng)商-甲在其供貨技術(shù)文件中提供的RMS監(jiān)測(cè)通道探測(cè)效率的計(jì)算方法與國(guó)標(biāo)規(guī)定不一致，且其探測(cè)效率驗(yàn)收方法存在導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)存在不確定性或無(wú)效的缺陷， 不建議RMS 試驗(yàn)技術(shù)程序使用該供應(yīng)商提供的探測(cè)效率驗(yàn)收方法。

（3）應(yīng)對(duì)RMS 監(jiān)測(cè)通道的產(chǎn)品一致性做出約束，相同型號(hào)通道應(yīng)使用相同的探測(cè)效率驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，避免通道更換探測(cè)器后發(fā)生無(wú)法確定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。

（4） 核電用戶(hù)應(yīng)對(duì)RMS 設(shè)備出廠前的校準(zhǔn)工作加強(qiáng)質(zhì)保監(jiān)督，確保設(shè)備的出廠質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

本研究給出的分析結(jié)果、結(jié)論，以及應(yīng)對(duì)措施、建議可供RMS 設(shè)計(jì)、采購(gòu)、調(diào)試及維修工作參考。