核電廠輻射控制區(qū)出入監(jiān)測系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化

傅燦

(中廣核惠州核電有限公司，廣東 惠州，516338)

核電廠控制區(qū)出入輻射監(jiān)測系統(tǒng)(KZC系統(tǒng))具有個(gè)人劑量監(jiān)測和管理、表面污染監(jiān)測和保衛(wèi)邊界輻射監(jiān)測等功能。個(gè)人劑量監(jiān)測和管理包括控制區(qū)人員授權(quán)管理、個(gè)人劑量內(nèi)外照射監(jiān)測、電子劑量計(jì)監(jiān)測和劑量管控等功能，保證個(gè)人劑量符合限值要求，便于實(shí)施最優(yōu)化管理；表面污染監(jiān)測用于對(duì)離開控制區(qū)工作人員衣物、體表、小物品進(jìn)行污染檢查，防止污染擴(kuò)散；設(shè)置于電廠實(shí)體保衛(wèi)邊界的行人/車輛γ輻射監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測進(jìn)出核電廠的行人/車輛的輻射水平，防止放射性物質(zhì)未經(jīng)許可進(jìn)入和被帶出核電廠[1]。

隨著核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，以及探測技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，KZC系統(tǒng)也存在一些優(yōu)化改進(jìn)的空間。

1 優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升污染管控水平

目前KZC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有兩套獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)：一是個(gè)人劑量的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，由電子劑量計(jì)讀出器組網(wǎng)連接至中央服務(wù)器；二是人員/車輛輻射監(jiān)測儀(CSM)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。表面污染監(jiān)測設(shè)備包括C1型全身污染監(jiān)測儀(C1門)、C2型全身污染監(jiān)測儀(C2門)和小物品污染監(jiān)測儀(CPO)，均只能“就地”使用?，F(xiàn)有KZC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示于圖1。

圖1 現(xiàn)有KZC系統(tǒng)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表面污染監(jiān)測設(shè)備(C1/C2/CPO)在日常監(jiān)測過程中，如果人員沾污報(bào)警或者設(shè)備故障報(bào)警，只有就地的聲響報(bào)警，需要通過工作人員的主動(dòng)報(bào)告或者輻射防護(hù)和運(yùn)維人員巡檢發(fā)現(xiàn)，缺少遠(yuǎn)程污染監(jiān)控，造成輻射防護(hù)人員無法及時(shí)響應(yīng)和干預(yù)，存在無法第一時(shí)間鎖定污染源防止污染擴(kuò)散、部分工作人員在報(bào)警后自行處理污染、維修人員無法及時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)等問題。

針對(duì)以上存在的不足，可以利用已有的個(gè)人劑量網(wǎng)絡(luò)光纖增加交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)表面污染監(jiān)測設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，并在輻射防護(hù)工程師辦公室、現(xiàn)場值班室、運(yùn)維辦公室等增加工作站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程污染監(jiān)控，以加強(qiáng)輻射防護(hù)工作行為管理，提高機(jī)組污染管控的能力。改進(jìn)優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示于圖2。

圖2 優(yōu)化后的KZC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 基于清潔控制區(qū)管理模式，優(yōu)化污染監(jiān)控屏障

核電廠一般將整個(gè)輻射控制區(qū)作為污染區(qū)，人員進(jìn)入需要更換控制區(qū)專用工作服。國內(nèi)三代核電EPR機(jī)組中開始采用清潔控制區(qū)的管理模式，在控制區(qū)中進(jìn)行污染分級(jí)，一般劃分為清潔區(qū)和污染區(qū)。人員進(jìn)入清潔區(qū)域無需更換工作服，進(jìn)入污染區(qū)按要求穿戴紙衣和其他防護(hù)用品[2]。清潔控制區(qū)的管理模式提升了進(jìn)入控制區(qū)的通行效率，減少了放射性廢物的產(chǎn)生，體現(xiàn)了卓越的輻射防護(hù)管理水平，部分在運(yùn)二代機(jī)組和在建三代機(jī)組也都在積極探索建立清潔控制區(qū)。

清潔控制區(qū)對(duì)污染監(jiān)測的要求也大大提高。與傳統(tǒng)核電站在控制區(qū)出入口設(shè)置C1門測量γ污染、C2門測量β污染的方式不同，采用清潔控制區(qū)模式的核電站，C1門通常設(shè)置在反應(yīng)堆廠房氣閘門出入口測量β污染，C2門設(shè)置在控制區(qū)出入口測量α和β污染。清潔控制區(qū)對(duì)污染管理的要求更高，因此要求C1/C2門必須有更高的探測效率等[2]。同時(shí)，為了防止污染擴(kuò)散，對(duì)出污染工作區(qū)和場所的污染監(jiān)測也有更高的要求[2-3]。

基于清潔控制區(qū)模式對(duì)污染監(jiān)測設(shè)備提出的要求，需進(jìn)一步優(yōu)化污染監(jiān)控的屏障的設(shè)計(jì)，提升設(shè)備污染監(jiān)測水平。

污染監(jiān)控的第一道屏障為污染區(qū)邊界的監(jiān)測，考慮到污染區(qū)的劃分，一般分為永久污染區(qū)和因檢修等作業(yè)產(chǎn)生的臨時(shí)污染區(qū)。

(1)對(duì)于污染比較嚴(yán)重的永久污染區(qū)，如反應(yīng)堆廠房、地坑較多的廠房，設(shè)置C1門。傳統(tǒng)的固定式C1門一般體積較大，考慮到廠房布置空間受限，需進(jìn)一步研制小體積的C1門或者移動(dòng)式C1門。

(2)對(duì)于污染工作區(qū)的邊界，傳統(tǒng)模式一般采用便攜式β污染監(jiān)測儀進(jìn)行測量，缺點(diǎn)是手動(dòng)測量的時(shí)間太長，且部分污染工作區(qū)場所γ劑量率較高?？紤]到傳統(tǒng)的手腳污染監(jiān)測儀體積大，不便于現(xiàn)場移動(dòng)使用，需進(jìn)一步研制簡易型的手腳污染儀，并提高在γ輻射場下的β探測效率。

污染監(jiān)控的第二道屏障為對(duì)于污染場地較多的廠房和人員主通道的定期污染普查。傳統(tǒng)地面污染監(jiān)測儀需要人工推行測量，效率偏低，污染普查效果較差。研制帶地面β污染測量的機(jī)器人，不間斷的對(duì)監(jiān)測場所進(jìn)行測量，將極大提升污染普查的效率，防止污染擴(kuò)散。

污染監(jiān)控的第三道屏障為控制區(qū)出入口的監(jiān)測。傳統(tǒng)的C1/C2門監(jiān)測方式，可簡化成C2門監(jiān)測。對(duì)于控制區(qū)出入口已經(jīng)設(shè)置C1門的電站，可將C1門設(shè)置為穿行模式，提高通行效率。對(duì)C2門的探測性能要求更高，需要提高探測效率，優(yōu)化探測結(jié)構(gòu)，以探測到更低的放射性污染水平和更大的人體表面探測面積。

污染監(jiān)控的第四道屏障為監(jiān)督區(qū)出入口的污染監(jiān)測。考慮設(shè)置C3門進(jìn)行全身γ污染的監(jiān)測，以防止少數(shù)未被C2門檢測到的工作服上微量放射性的擴(kuò)散，提升污染監(jiān)控的屏障。

3 采用自動(dòng)配發(fā)系統(tǒng)，優(yōu)化控制區(qū)進(jìn)出流程

核電廠個(gè)人劑量監(jiān)測一般采用電子劑量計(jì)(EPD)和熱釋光劑量計(jì)(TLD)組合的方式。傳統(tǒng)的方式是在控制區(qū)入口采用人工配發(fā)，工作人員進(jìn)入控制區(qū)后，將控制區(qū)通行證交給發(fā)表員，發(fā)表員配發(fā)電子劑量計(jì)和熱釋光劑量計(jì)，工作人員出控制區(qū)后交回劑量計(jì)領(lǐng)回控制區(qū)通行證[4]。

自動(dòng)配發(fā)系統(tǒng)配備有配套的更衣柜、TLD配發(fā)柜和EPD配發(fā)柜等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)同步自動(dòng)管控。放射工作人員在配發(fā)柜上刷通行卡，系統(tǒng)驗(yàn)證通行授權(quán)有效后，自動(dòng)分派可供使用更衣柜、EPD和TLD；當(dāng)放射工作人員完成工作出控制區(qū)后，刷通行卡，自動(dòng)打開已經(jīng)分派的更衣柜、EPD配發(fā)柜、TLD配發(fā)柜，實(shí)現(xiàn)回收流程。

采用自動(dòng)配發(fā)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制區(qū)通行授權(quán)的自動(dòng)審核，系統(tǒng)與核電廠控制區(qū)通行授權(quán)管理系統(tǒng)、TLD動(dòng)態(tài)配發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)自動(dòng)審驗(yàn)人員控制區(qū)通行授權(quán)信息，取消紙質(zhì)控制區(qū)通行證的攜帶和人工查驗(yàn)流程。

不同配發(fā)系統(tǒng)的流程比較示于圖3，自動(dòng)配發(fā)系統(tǒng)減少了工作人員到控制區(qū)發(fā)表間領(lǐng)取、歸還鑰匙的業(yè)務(wù)流程，提高了控制區(qū)出入口的通行效率，降低了運(yùn)營成本。

圖3 傳統(tǒng)和自動(dòng)配發(fā)方式流程比較圖

4 改進(jìn)設(shè)備指標(biāo)性能，提高輻射管控水平

核電廠出入輻射監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中，存在一些問題。較為常見的故障包括C2門探測器的故障率偏高、行人/車輛的誤報(bào)警等。隨著新型探測器技術(shù)和數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，KZC系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備也迎來改進(jìn)提升的機(jī)會(huì)。

C2型全身污染監(jiān)測儀采用門框式β污染檢測設(shè)備，在運(yùn)電廠一般采用流氣式探測器或者閉氣式探測器，優(yōu)點(diǎn)是探測效率高，缺點(diǎn)是密封膜容易破損，維修費(fèi)用較貴，易受環(huán)境溫濕度影響導(dǎo)致不穩(wěn)定。目前，隨著新型探測技術(shù)的發(fā)展，硅光電倍增管(SiPM)和塑料閃爍體已被應(yīng)用在部分β污染測量的儀表中，相比于傳統(tǒng)的光電倍增管，基于SiPM的閃爍探測器具有體積小、成本低、不需要高壓等優(yōu)點(diǎn)。C2門探測器改進(jìn)為SiPM探測器將提高設(shè)備探測性能，降低運(yùn)行維修成本。

行人/車輛γ輻射監(jiān)測儀采用安裝于道路兩側(cè)的一對(duì)大面積塑料閃爍體探測器。儀器一般采用動(dòng)態(tài)本底監(jiān)測功能，以實(shí)現(xiàn)在天然本底變化的條件下對(duì)放射性靈敏有效的探測。但是在實(shí)際使用中經(jīng)常存在誤報(bào)警的情況：一種是在大量人員集中通過和大型車輛通過時(shí)，存在對(duì)環(huán)境本底的屏蔽，探測器會(huì)測到較低的本底，在人群和車輛離開探測器后，屏蔽作用消失，環(huán)境本底恢復(fù)，這時(shí)儀器會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)警； 另一種常見的誤報(bào)警是車輛運(yùn)輸花崗巖等存在天然放射性物質(zhì)時(shí)，由于儀器無法區(qū)分造成報(bào)警。這些誤報(bào)警情況可以通過優(yōu)化算法或者增加核素識(shí)別功能來解決。

針對(duì)核電廠控制區(qū)出入口污染監(jiān)測設(shè)備的改進(jìn)和性能提升，如提升C2門探測效率、降低行人/車輛輻射監(jiān)測儀誤報(bào)警率等，將提升人員體表污染控制水平和輻射安全管控水平。

5 建設(shè)劑量大數(shù)據(jù)平臺(tái)，人工智能助力輻射安全

KZC系統(tǒng)中電子劑量系統(tǒng)服務(wù)器及相關(guān)軟件的功能包括建立工作人員劑量數(shù)據(jù)庫，對(duì)人員進(jìn)入控制區(qū)進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和生成報(bào)表。核電廠輻射安全管理中需要對(duì)劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括大修劑量預(yù)估和統(tǒng)計(jì)、單項(xiàng)工作的劑量最優(yōu)化評(píng)價(jià)、個(gè)人和班組的劑量分析等。

現(xiàn)有系統(tǒng)存在以下問題：一是分析功能和實(shí)際需求不匹配，由于現(xiàn)場工作和人員的變化，實(shí)際劑量分析的需求差別較大，軟件提供的固定分析功能往往和實(shí)際應(yīng)用差別較大，一般采用數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能后利用其他軟件再分析；二是系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)不夠豐富，現(xiàn)場劑量數(shù)據(jù)是和工單數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的，工單數(shù)據(jù)包括工單號(hào)、工作內(nèi)容、工單狀態(tài)、劑量和劑量率報(bào)警值、系統(tǒng)條件等等，如針對(duì)具體工作的最優(yōu)化劑量分析需要結(jié)合電子劑量數(shù)據(jù)和工單數(shù)據(jù)；三是劑量數(shù)據(jù)的分類比較困難，系統(tǒng)劑量數(shù)據(jù)是和個(gè)人每次進(jìn)出相關(guān)聯(lián)，而實(shí)際中該人員在單次進(jìn)入控制區(qū)可能同時(shí)實(shí)施了幾個(gè)工單，同一設(shè)備的檢修項(xiàng)目也存在差異，如何將劑量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確分類到具體的檢修項(xiàng)目中存在很大的困難。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合輻射安全管理的需求，整合輻射工作劑量及其它相關(guān)數(shù)據(jù)建設(shè)劑量大數(shù)據(jù)平臺(tái)成為一種發(fā)展趨勢。目前，各電廠和平臺(tái)公司對(duì)此均進(jìn)行了部分探索，但還是存在系統(tǒng)分散、接口復(fù)雜、故障率高、信息不一致、應(yīng)用效能提升不明顯等問題。后續(xù)可以考慮結(jié)合數(shù)據(jù)中臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能手段建立劑量工單模型，深入挖掘個(gè)人劑量數(shù)據(jù)、場所輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)、機(jī)組源項(xiàng)數(shù)據(jù)、工單工時(shí)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場定位數(shù)據(jù)等的關(guān)聯(lián)性，為劑量管控和最優(yōu)化管理提供有價(jià)值的改進(jìn)建議。

6 結(jié)語

本文根據(jù)核電廠KZC系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和管理改進(jìn)需求，結(jié)合新型探測技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、清潔控制區(qū)、自動(dòng)配發(fā)、性能提升、劑量大數(shù)據(jù)等方面提出了改進(jìn)優(yōu)化建議，對(duì)提升放射性污染控制、劑量最優(yōu)化管理等有一定的借鑒意義。