核电厂燃料组件在线啜漏装置实现放射性气体标定方法的研发

崔 猛,陈 斌,刘主根,孙显海,李玉婷,官庆波

(辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116000)

燃料包壳是核电站防止放射性泄漏到环境中的第一道屏障，起着包容裂变产物和防止二氧化铀芯块被冷却剂腐蚀的作用。当燃料组件破损时，在机组卸料期间需要用在线啜漏设备持续监测燃料组件，检测出破损组件。

目前核电站所使用的在线啜漏设备测量室体积为2L，探测器晶体类型为NaI(Tl)，通过测量探测器输出的电压脉冲信号来确定γ粒子的能量和计数率，根据计数率大小判断燃料组件状态。但是由于将在线啜漏设备第一次测量的标准放射源的计数率作为初始计数率，后续每次开展在线啜漏设备预检时以该数据作为原始数据，利用放射源的衰变规律计算预检时的理论计数率，以此来判断在线啜漏设备的可靠性。由于该放射源是固体源，其体积、形状等与实际测量的气体不一致，因此无法给出该设备测量133Xe的检测限和定量分析133Xe气体的放射性活度，也无法模拟验证在真实测量工况下在线啜漏设备的可用性。如果能够采用真实的、已知活度的放射性气体来实现在线啜漏设备的标定，将大大提高在线啜漏设备的可靠性、准确性。因此有必要研发一套放射性气体取样装置，实现该装置与在线啜漏设备的在线连接，并将该装置内已知活度的放射性气体注入在线啜漏设备，实现对在线啜漏设备测量部分的验证和标定。

1 放射性气体(133Xe)取样装置研发

要实现已知活度的放射性气体能够注入在线啜漏设备，需要一套放射性气体的取样装置。结合实际需求，设计了如下的放射性气体取样装置。该装置采用不锈钢材质，其有效体积为20 L，承压能力为20 bar，装置示意图如图1所示。

图1 放射性气体(133Xe)取样装置Fig.1 The radioactive gas (133Xe) sampling device

A1、A2、A6、A8为快速接头；

A8由可拆卸的快速接头连接，两种接头可灵活切换，其可连接在线啜漏设备的AIR SUPPLY母接头、AIR SUCTION母接头处；

A4为压力表，A7为流量计；

A3、A5为调节阀。

2 放射性气体(133Xe)取样装置试验方案

2.1 正常情况下燃料组件在线啜漏介绍

核电站反应堆正常运行时反应堆冷却剂裂变产物133Xe<185 MBq/m3(称之为净堆)，同时在反应堆停堆瞬间无碘峰，并有燃料包壳完整的评价报告，则燃料组件在卸出压力容器时不需要进行在线啜漏试验。针对脏堆(133Xe>185 MBq/m3)如果反应堆冷却剂裂变产物活度在燃料循环末期同时满足以下四个条件且有燃料包壳完整的评价报告，则燃料组件在卸料时无需进行在线啜漏试验。

1)反应堆稳定功率运行时133Xe/135Xe<0.9；

2)185 MBq<133Xe<1 000 MBq/t；

3)停堆瞬态无碘峰；

4)停堆降压过程中无氙峰。

若不能满足上述的条件，则在机组卸料过程中，需要对燃料组件进行在线啜漏，以查找可能存在的缺陷组件。

在线啜漏简要流程：在卸料过程中，卸料机夹爪将燃料组件从压力容器提升9 m至PMC换料套筒，同时在套筒底部鼓入压缩空气，燃料组件在水下由于高度的提升，导致燃料包壳内外压差变化，进而导致放射性气体从破损的组件中释放出来，由压缩空气将释放出来的裂变气体133Xe带入燃料组件在线啜漏探测器部分进行测量。根据无组件本底测量值和组件测量值数值的不同，最终给出燃料组件是否破损的评价。燃料组件在线啜漏流程如图2所示。

图2 燃料组件在线啜漏简图Fig.2 The schematic of the online fuel assembly leakage

2.2 在线啜漏设备放射性气体性能试验

1)用放射性气体(133Xe)取样装置从核电站废气处理系统(TEG系统)运行接收箱取出含133Xe的放射性气体，该装置气体体积为20 L，气体绝对压力为5.8 bar)。

2)同时采用体积为2 L的TEG专用取样瓶从同一TEG接收箱取放射性气体，并通过γ谱仪测量该气体的133Xe核素活度(实际测得133Xe放射性活度为47.6 MBq/m3)。

3)将133Xe取样装置内的放射性气体通过在线啜漏设备的suction连接口注入在线啜漏装置，待计数稳定后关闭133Xe取样装置气源出口阀并记录啜漏设备NaI探头测量值以及133Xe取样装置的压力值。见图3。

图3 suction注入133Xe试验流程图Fig.3 The test flow chart of the suction injection into 133Xe

4)通过向133Xe取样装置多次注入氮气稀释该放射性气体(记录压力值，通过压力计算稀释倍数)，将133Xe取样装置内的放射性气体通过在线啜漏设备的supply连接口接入在线啜漏装置，待计数稳定后关闭133Xe取样装置气源出口阀并记录啜漏设备NaI探头测量值以及133Xe取样装置的压力值。见图4。

图4 SUPPLY注入133Xe试验流程图Fig.4 The test flow chart of SUPPLY injection into 133Xe

5)通过向133Xe取样装置多次注入氮气稀释该放射性气体(记录压力值，通过压力计算稀释倍数)，并再次通过suction回路注入在线啜漏装置，待计数稳定后关闭133Xe取样装置气源出口阀并记录不同稀释倍数下的测量值。

3 试验数据分析

通过上述的测试，得到试验数据如表1所示。

表1 试验数据

3.1 在线啜漏装置的校正系数和测量活度计算

可根据未稀释的放化数据计算133Xe活度的校正系数。

校正系数ε计算公式为：

活度计算公式为：A=(Ns-Nb)/ε

式中：ε——校正系数；

NT——标准源计数率；

Nb——本底计数率；

AT——Xe133标准源比活度；

λ——常数(0.693)；

Δt——放射源衰变的时间；

T——Xe133放射源的半衰期；

A——实际活度；

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Ns——样品计数率。

代入数值计算，ε为26.36。根据活度计算公式A=(Ns-Nb)/ε，计算所得的活度均和理论活度值偏差在5%以内(见表1)。

3.2 在线啜漏装置的效率和133Xe检测限

根据效率和检测限计算公式：

式中：η——仪器检测效率；

NT——标准源计数率；

A——标准源活度；

LLD——核素检测限；

Kα、Kβ——常数，在95%的置信度下Kα=Kβ=1.645；

Nb——测量时间内本底计数(0.77×100)；

tb——本底测量时间(此次为100 s)。

经过计算，在线啜漏装置检测效率η=1 256×103/(2×47.62×106)=1.32%。

在线啜漏装置检测限0.013 2×2)=15 465 Bq/m3=0.015 5 MBq/m3。

计数率为LLD×η×V=0.41 cps，说明当在线啜漏设备本底计数率为0.77 cps时，燃料组件测量计数率比本底值大0.41 cps即可判断该燃料组件存在缺陷。

4 结论

通过放射性气体133Xe取样装置，取可知活度的放射性气体，能够对在线啜漏设备验证以下功能：

1)能够实现在线啜漏设备探头的标定以及133Xe气体的定量分析；

2)根据测试数据以及本底计数率，能够得出在线啜漏设备探测器的检出限。根据所计算出的检出限，可进一步为判断燃料组件是否存在缺陷提供依据;

3)能够模拟验证在真实测量工况下在线啜漏设备的可用性。