堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備輻射劑量降低研究

唐 龍，高秉瀚，張建兵，祝偉健

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的功能是提供反應(yīng)堆堆芯中子通量分布的數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)M310 類型機(jī)組包括秦山一期、秦山二期、方家山、大亞灣、嶺澳一期、福清一期，通過(guò)對(duì)電動(dòng)閥、止回閥進(jìn)行清洗，降低輻射劑量的研究未曾涉及。

核電廠職業(yè)照射個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)包括外照射個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)和內(nèi)照射個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)。外照射監(jiān)測(cè)主要通過(guò)佩戴在放射工作人員身體上的個(gè)人劑量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，內(nèi)照射監(jiān)測(cè)主要是對(duì)其體內(nèi)或排泄物及其他生物樣品中放射性核素的種類和活度進(jìn)行測(cè)量[1]。文獻(xiàn)[2]通過(guò)觀察長(zhǎng)期低劑量電離輻射對(duì)醫(yī)務(wù)人員甲狀腺的影響，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期低劑量電離輻射影響放射工作者的甲狀腺功能。文獻(xiàn)[3]中通過(guò)對(duì)核電站放射工作人員的體檢分析，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期低劑量的職業(yè)核輻射對(duì)放射工作人員的健康有一定影響，需要進(jìn)一步加強(qiáng)核電站工作場(chǎng)所的輻射防護(hù)。通過(guò)清洗，降低接觸劑量率，能夠減少工作人員外照射個(gè)人劑量，降低表面污染水平，能夠降低人員沾污風(fēng)險(xiǎn)，避免內(nèi)照射，保護(hù)工作人員的安全。

秦山核電二期3/4 號(hào)機(jī)組堆芯儀表間，由于存在環(huán)境劑量偏高的問(wèn)題，且房間的松散污染嚴(yán)重，迫切需要降低堆芯儀表間的環(huán)境劑量。通過(guò)對(duì)電動(dòng)閥、止回閥的清洗，降低堆芯儀表間的環(huán)境劑量以及松散污染物，減少檢修工作人員的吸收劑量，降低人員沾污風(fēng)險(xiǎn)。堆芯中子測(cè)量系統(tǒng)中的手動(dòng)閥、止回閥和電動(dòng)閥（閥體）屬于核級(jí)閥門[3]，與系統(tǒng)的安全息息相關(guān)。電動(dòng)閥的失效可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的核安全事故，美國(guó)三哩島核事故主要原因之一就是電動(dòng)閥失效[4]，借助平臺(tái)對(duì)電動(dòng)閥、止回閥的功能進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)電動(dòng)閥的工作原理進(jìn)行深入的研究，同時(shí)推動(dòng)堆芯儀表間電動(dòng)閥的自主檢修。

1 堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的功能及組成

1.1 堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的功能

堆芯中子通量由可移動(dòng)的微型裂變室探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量，由測(cè)量系統(tǒng)獲得的中子通量數(shù)據(jù)信息分成兩種方式提供：一種是將被測(cè)通道中測(cè)得的曲線輸送到控制柜圖像顯示器上進(jìn)行顯示；另一種是通量數(shù)據(jù)與電廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（KIT）接收到的電廠其他數(shù)據(jù)相結(jié)合，經(jīng)過(guò)堆芯中子通量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理后給出功率分布圖。以上信息用于啟堆期間和正常運(yùn)行期間[5]。

堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)在啟堆期間的功能：檢查壽期初堆芯功率分布是否與設(shè)計(jì)期望的功率分布相符；檢查用于事故工況設(shè)計(jì)的熱管因子是否保守；校準(zhǔn)堆外核測(cè)系統(tǒng)（RPN）；探測(cè)反應(yīng)堆在裝料中可能出現(xiàn)的差錯(cuò)。正常運(yùn)行時(shí)的功能：檢查與燃耗對(duì)應(yīng)的功率分布是否與設(shè)計(jì)所期望的功率分布相符；監(jiān)測(cè)各燃料組件的燃耗；校準(zhǔn)堆外核測(cè)量?jī)x表；探測(cè)堆芯是否偏離正常運(yùn)行[5]。

1.2 堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)的組成

堆內(nèi)中子通量測(cè)量系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備有：①讀出控制柜；②分配柜；③驅(qū)動(dòng)單元；④密封段、手動(dòng)閥、電動(dòng)閥；⑤導(dǎo)向管和指套管；⑥堆芯探測(cè)器。

秦二廠3/4 號(hào)機(jī)組，堆芯儀表間共有38 個(gè)用于進(jìn)行堆芯中子通量測(cè)量的通道。如圖1 所示，在堆芯儀表間由驅(qū)動(dòng)單元的三相二速異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)中子通量探測(cè)器經(jīng)過(guò)組路選擇器（path group selector）、電動(dòng)閥（motor-operated valve）、止回閥（check valve）、手動(dòng)閥（manual valve），送入堆芯，完成中子通量分布數(shù)據(jù)的測(cè)量。測(cè)量完成后，探測(cè)器將被送入保存通道。

圖1 堆芯儀表間機(jī)電設(shè)備運(yùn)行圖Fig.1 Operation diagram of electromechanical equipment in the core instrument room

圖2 電動(dòng)閥閥體結(jié)構(gòu)Fig.2 Electric valve body structure

電動(dòng)閥由不銹鋼制成，是用電激勵(lì)的，通常是關(guān)閉的。電動(dòng)閥設(shè)計(jì)成能在指套管破裂的情況下，防止從堆芯來(lái)的蒸汽和水的泄漏。止回閥設(shè)計(jì)成在指套管發(fā)生泄漏和驅(qū)動(dòng)電纜抽出時(shí)，在上游壓力的作用下使球體進(jìn)入球形閥底座，防止一回路冷卻劑通過(guò)電動(dòng)閥進(jìn)一步泄漏[5,6]。

止回閥位于密封段與電動(dòng)閥之間，內(nèi)部小球正常情況下由于重力自然掉落在腔室內(nèi)，當(dāng)一回路發(fā)生泄漏時(shí)，壓力上升，止回閥阻斷一回路冷卻劑泄漏路徑。

2 電動(dòng)閥、止回閥的清洗以及功能驗(yàn)證

2.1 電動(dòng)閥的清洗以及功能驗(yàn)證

堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)在運(yùn)行期間，探測(cè)器通過(guò)電動(dòng)閥，導(dǎo)致帶有放射性的粉塵沉積在電動(dòng)閥的底部，形成輻射熱點(diǎn)設(shè)備。電動(dòng)閥的清洗通過(guò)將電動(dòng)閥進(jìn)行解體、清洗、更換密封填料、回裝的方式，降低電動(dòng)閥的劑量，同時(shí)對(duì)電動(dòng)閥的承壓性能、響應(yīng)電流和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行檢查和驗(yàn)證。

圖3 止回閥閥體結(jié)構(gòu)Fig.3 Check valve body structure

圖4 電動(dòng)閥內(nèi)部接線Fig.4 Internal wiring of electric valve

電動(dòng)閥內(nèi)部金屬球與密封填料形成面密封，為了保證清洗后的密封性能完整，在清洗過(guò)程中，金屬小球采用專用的清潔布對(duì)其表面的污染物進(jìn)行清潔。清洗回裝過(guò)程中，使用新的密封填料，同時(shí)電動(dòng)閥兩端的回裝有力矩要求，需要使用專用的力矩扳手進(jìn)行力矩緊固。

為了驗(yàn)證電動(dòng)閥的承壓性能，對(duì)電動(dòng)閥進(jìn)行打壓試驗(yàn)：將電動(dòng)閥置于關(guān)位，進(jìn)行打壓操作。按照廠家要求，滿足壓力在175±3（bar）范圍內(nèi)保持15min；將電動(dòng)閥置于45°位置，進(jìn)行打壓操作，滿足壓力在175±3（bar）范圍內(nèi)保持15min。

為了對(duì)電動(dòng)閥的響應(yīng)電流和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行檢查，將電動(dòng)頭與手操箱進(jìn)行連接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)閥，對(duì)電動(dòng)閥的響應(yīng)電流和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，確保清洗回裝后的電動(dòng)閥響應(yīng)性能滿足要求。

2.2 止回閥的清洗以及功能驗(yàn)證

堆芯中子通量測(cè)量系統(tǒng)在運(yùn)行期間，探測(cè)器通過(guò)止回閥也會(huì)導(dǎo)致部分放射性粉塵沉積在止回閥腔室。止回閥與電動(dòng)閥通過(guò)石墨墊片進(jìn)行連接，對(duì)止回閥的清洗一方面防止日常運(yùn)行期間其內(nèi)部的放射性粉塵轉(zhuǎn)移至電動(dòng)閥內(nèi)，另一方面也對(duì)止回閥的承壓性能進(jìn)行驗(yàn)證。

止回閥內(nèi)部的金屬小球與閥體內(nèi)部的槽口形成線性密封，金屬小球或者槽口部分的金屬損傷可能造成密封失效。在清洗過(guò)程中，對(duì)止回閥內(nèi)部進(jìn)行清洗時(shí)，需要使用質(zhì)地柔軟的清洗工具。止回閥的螺絲緊固有力矩要求，需要使用專用的力矩扳手進(jìn)行緊固。

為了驗(yàn)證止回閥的承壓性能，對(duì)止回閥進(jìn)行打壓試驗(yàn)：將止回閥置于垂直位置，連接打壓設(shè)備至止回閥的上游。按照廠家要求，滿足壓力在175±（3bar）范圍內(nèi)保持15min，則認(rèn)為承壓性能合格。

在進(jìn)行止回閥的打壓試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)4 號(hào)止回閥出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)4 號(hào)止回閥的密封面出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，無(wú)法與內(nèi)部小球形成有效的線密封。在文獻(xiàn)[7]中提到升降式止回閥，如果出現(xiàn)閥瓣、閥座藍(lán)油試驗(yàn)不合格或者密封面存在劃痕等缺陷，則需要對(duì)密封面進(jìn)行研磨處理。升降式止回閥的閥瓣密封形式為球冠面，閥座密封面形式為錐面，貼合后為線性密封。針對(duì)該類型密封的研磨處理必須注意以下事項(xiàng)：①研磨前，對(duì)閥瓣、閥座密封面進(jìn)行清理；②研磨時(shí)，使用專用研磨膏或研磨砂紙。針對(duì)該類閥門研磨，通常須使用自制或廠家提供的手動(dòng)研磨專用工具。該專用工具一般分為閥瓣研磨工具和閥座研磨工具，分別與閥座球形密封面、閥座錐形密封面適配，要特別注意的是，該類型閥門的研磨要禁止采用閥瓣、閥座相互對(duì)研的方式；③由于閥門的密封要求較高，在完成閥瓣、閥座研磨時(shí)，先針對(duì)閥瓣、閥籠、閥座三者的組合件進(jìn)行閥瓣、閥座藍(lán)油貼合試驗(yàn)。該試驗(yàn)合格后，可以使用專用打壓工具對(duì)閥瓣、閥座進(jìn)行離線的單體打壓。全部符合要求，最終再進(jìn)行回裝閥門。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，升降式止回閥的密封面缺陷處理方法，同樣適用于堆芯儀表間球形止回閥密封面損傷的問(wèn)題。

3 電動(dòng)閥的工作原理分析

電動(dòng)閥主要由閥門部分和電傳動(dòng)裝置兩部分組成。部分回轉(zhuǎn)的電傳動(dòng)裝置位于金屬密封球閥的上方，是驅(qū)動(dòng)閥門啟閉的動(dòng)力源。閥門部分主要由閥體、球體、閥座、軸承等組成，電傳動(dòng)裝置由電機(jī)、減速器、軸承等組成[8]。

正常供電狀態(tài)下，801PJ 的5、6 針腳供電48V 電壓，此時(shí)電機(jī)801MO 不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電動(dòng)閥接受到轉(zhuǎn)動(dòng)命令時(shí)，針腳5 提供48V 電壓變?yōu)?V，此時(shí)電機(jī)801MO 轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)中含有電感元件，電路中加入二極管，起到續(xù)流和釋放線圈能量作用，防止電路突然斷開導(dǎo)致的高電壓損壞電路元器件。

電動(dòng)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)接收到開閥命令情況下，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90°；將閥門置于開位，接收到關(guān)閥命令情況下，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90°，將閥門置于關(guān)位。閥門與電動(dòng)頭的搭配工作，采用電壓的形式完成電動(dòng)閥當(dāng)前的狀態(tài)反饋。在響應(yīng)電流測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電動(dòng)閥沒(méi)有置于關(guān)閥位置與電動(dòng)頭形成連接，而是轉(zhuǎn)過(guò)了一定角度。在這種情況下，電動(dòng)頭給電動(dòng)閥動(dòng)作命令，電動(dòng)閥動(dòng)作后，反饋的狀態(tài)與所給命令不一致。將電動(dòng)閥重新轉(zhuǎn)至反饋的狀態(tài)，與電動(dòng)頭進(jìn)行正確連接后，電動(dòng)閥按照所給的命令正確工作。

4 電動(dòng)閥、止回閥的輻射降低效果

放射性去污是指采用各種手段從被污染物表面去除放射性污染，以減少對(duì)人員的照射、使污染區(qū)可以重新利用。去污的目的是把放射性沾污降低到某種可接受的水平，防止沾污擴(kuò)散，并使個(gè)人照射和廢物沉積降到最低[9]。從圖5、圖6 中可以看出，通過(guò)將電動(dòng)閥、止回閥從堆芯儀表間拆卸轉(zhuǎn)運(yùn)至放射性物品去污車間進(jìn)行專項(xiàng)清潔，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)閥、止回閥的接觸劑量率以及表面污染水平的有效降低。從去污前后的對(duì)比可以看出，去污后電動(dòng)閥、止回閥的松散污染物基本消除，接觸劑量率降低效果明顯，具體見表1。堆芯儀表間的環(huán)境劑量問(wèn)題與松散污染物的積累有很大關(guān)系，經(jīng)過(guò)清洗后，松散污染物基本消除，接觸劑量率也下降明顯。這也說(shuō)明通過(guò)松散污染物的清理，實(shí)現(xiàn)堆芯儀表間的環(huán)境劑量降低的可行性，為后續(xù)的輻射劑量降低工作提供了參考數(shù)據(jù)。

圖5 去污前后電動(dòng)閥、止回閥接觸劑量率折線圖Fig.5 Broken line of contact dose rate of electric valve and check valve before and after decontamination

圖6 去污前后電動(dòng)閥、止回閥表面污染折線圖Fig.6 Line graph of surface contamination of electric valve and check valve before and after decontamination

表1 電動(dòng)閥、止回閥去污前后接觸劑量率、表面污染水平數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of contact dose rate and surface contamination leveldata before and after decontamination of electric valves and check valves

5 總結(jié)

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命為40年，隨著對(duì)于安全殼結(jié)構(gòu)研究的深入，正向著設(shè)計(jì)壽命60年不斷邁進(jìn)[10]。熱點(diǎn)設(shè)備的問(wèn)題亟待解決，本文為核電廠熱點(diǎn)設(shè)備的解決提供了一種可行的思路，同時(shí)也對(duì)堆芯儀表間的電動(dòng)閥、止回閥的承壓性能進(jìn)行了驗(yàn)證。在對(duì)電動(dòng)閥、止回閥的拆解、清洗過(guò)程中，對(duì)電動(dòng)閥、止回閥的不同密封理解更加深刻，通過(guò)清洗后的電動(dòng)閥、止回閥的輻射劑量有效降低，松散污染物基本消除，承壓性能得到驗(yàn)證，確保了核電廠一回路壓力邊界的完整性。