核电站一回路介质非接触式监测系统优化研究

谢卫平

（江苏核电有限公司，连云港222000）

燃料元件包壳是核电站安全设计中对放射性物质包容的第一道屏障，它主要用于包覆核燃料芯体、容纳裂变产物、给核燃料芯块提供适当的刚度和强度，以防止冷却剂对燃料的腐蚀和裂变产物进入一回路冷却剂中。如果燃料元件包壳破损，就会有裂变产物泄漏到一回路冷却剂中，同时冷却剂的放射性水平就会升高，将会影响到主回路设备和电站工作人员的安全，在压水堆核电站设计中规定了正常情况下燃料元件包壳破损率的允许值[1-3]。

一回路放射性监测系统是核电站工艺辐射监测的重要组成部分，它通过非接触式的测量方式对一回路冷却剂放射性体积活度进行在线连续监测，相应的监测数值作为堆芯燃料元件包壳是否破损的重要参数。当被测活度值超过允许值时，仪表将触发相关信号并送到机组主控室[4-9]，由机组操纵员进行人为干预，保证机组的安全运行。

1 一回路放射性监测系统运行情况

1.1 系统简介

一回路冷却剂γ 放射性水平在线连续监测系统的组成原理如图1所示。为了降低仪表测量本底，测量系统不仅设置了准直器（铅材料），而且整个探头（NaI（Tl）闪烁探头）[10]也安放在10 cm 厚的铅屏蔽室内。探测器输出的信号经过二次（放大、成行、甄别、单道脉冲幅度甄别）处理后送至就地处理单元进行记录和显示，并且同步送至计算机房由中央处理器的专门软件进行处理，当测量结果超过报警阈值时由报警系统给出声光报警[11-13]。

图1 一回路冷却剂γ 放射性在线连续测量系统组成示意图Fig.1 Schematic diagram of composition of online continuous measurement system of coolant γ radioactivity in one circuit

1.2 运行现状分析

以某核电站一回路放射性监测系统的设计和运行情况为例进行介绍。该核电站监测系统的设计方案为：取样介质依靠系统压差进行取样，探测装置采取非接触式的安装模式，并在一回路取样管线上并行设置3 套互为冗余的探测装置对取样管线内γ 放射性进行连续实时的监测，监测系统现场设计示意图如图2所示。

图2 某核电站一回路放射性监测系统现场设计示意图Fig.2 Schematic diagram of site design of a nuclear power plant one-loop radioactivity monitoring system

监测系统运行期间常见的超阈值报警原因有三种，分别为：一回路介质辐射水平真实升高、辐射水平较高的热粒子短时间通过取样管线、取样管线放射性产物沉积。3 种报警原因的判断方法主要是借助于电站水化学取样分析数据，具体如表1所示。

表1 监测系统超阈值报警原因判断方法Tab.1 Monitoring system over-threshold alarm cause judgment method

根据运行统计，因为取样管线放射性产物沉积导致监测系统超阈值报警次数占20%左右。该类型报警不能如实反映一回路冷却剂放射性体积活度，影响对燃料元件包壳完整性判断，因此需要采取措施消除取样管线内放射性产物的沉积，以保证监测系统测量结果的准确性。

2 解决方案及实施效果评价

由监测系统现场设计示意图（图2）可知，该核电站一回路放射性监测系统的取样管线成U 型布置，U 型管线底部与介质的出口管线顶端有较大的高度差。在机组功率运行期间，取样管线内壁和相关设备会沉积一定量的放射性产物，尤其是在机组停运时，由于系统压差基本消失，取样流量、流速等大大降低，沉积在取样系统设备和管线内壁的放射性产物在设备运行操作等情况进入到下游管线，且容易转移至U 型取样管底部区域，而该区域正好是一回路放射性监测系统探测装置的设置区域。为了解决取样管线内放射性产物沉积[14-15]导致一回路放射性监测系统的监测数值上涨或者超阈值报警的问题，重点考虑从系统冲洗、系统运行优化和取样管线布置设计优化3 个方面来解决。

2.1 系统冲洗方案及实施效果

在出现因为取样管线放射性产物沉积导致监测系统数值上升或者出现超阈值报警时，通过将取样管线的根阀及相关阀门打开并调节到最大开度，增加管线中介质的流速和流量来进行冲洗；或者借助于其它系统或者外接增压泵对目标管线或者设备进行冲洗；与此同时，为了提升冲洗效果，还可以在冲洗过程中配合使用橡胶锤轻敲管线。

系统冲洗作为核电站放射性取样监测系统降低放射性沉积产物的常用手段。根据运行经验，通过对取样管线冲洗可以有效地降低取样管线内的放射性沉积产物，冲洗后监测系统重新投运时监测数据恢复正常，但经过一段时间的运行后，取样管线内将再次沉积放射性产物。除此之外，系统管线在冲洗时，往往需要经过多次反复冲洗才能达到预期的效果。

2.2 系统运行优化方案及实施效果

在系统停运时，先将监测系统出口阀关闭，并在一段时间后关闭进口阀，由于取样隔离管道内残存一定的压力，因此需要进行泄压操作。而在进行泄压操作时可能会使沉积在上游管线内的一回路放射性产物转移到取样管线U 型底部（监测装置设置位置），从而造成监测装置数值升高或者超阙值报警。因此，可考虑通过改变阀门的操作顺序来避免上游取样管线或者设备内的放射性沉积产物转移至U 型底部。即在系统停运时，首先将一回路取样进口阀关闭，并沿着取样管道介质流向依次逐个关闭后续阀门。

通过改变阀门的操作顺序后，可以有效避免取样管道残存压力泄压时造成上游沉积的放射性产物转移至U 型底部的可能性，避免系统在重新投运时出现监测数据上升/超阈值报警。根据运行经验，通过改变阀门的操作顺序仍然无法消除日常运行期间已经沉积在U 型底部的放射性产物，且无法避免放射性产物沉积。

2.3 系统取样管线布置优化方案及实施效果

通过小范围优化改进取样管道的走向和布置，将容易造成放射性产物沉积的U 型取样管线优化为一定倾斜度的管线。同时，为了确保优化前后短半衰期核素测量的精度不发生变化，需要确保优化前后取样管线的长度保持一致。取样管线优化布置示意图如图3所示。

图3 某核电站一回路放射性监测系统取样管线优化示意图Fig.3 Schematic diagram of optimization of sampling line of first-loop radioactivity monitoring system of a nuclear power plant

从图3 可以看出，该设计方案优化了取样介质的走向，取样管线底部与取样管线出口已不存在上升的高度差，从设计原理上降低了放射性产物沉积的可能性，保证了监测系统对堆芯燃料元件包壳完整性实时监测的有效性。通过该优化方案的实施，监测系统没有再次出现因为取样管线内放射性产物沉积导致超阈值报警的情况，从根本上避免了放射性产物在取样管道内的大量沉积。

2.4 优化方案对比分析

系统冲洗方案具有操作简单、适用性强等优点，常用于核电站管线、测量腔室沉积放射性产物的消除，也可用于降低相关区域辐射水平而对附近高剂量率相关设备管线的冲洗。但系统冲洗也具有明显的缺点，就是冲洗只能消除已沉积的放射性产物，不能预防放射性产物的沉积。系统运行优化方案的使用具有较大的局限性，其一般只用于避免系统隔离后放射性沉积产物的转移，且该方案依然不能预防放射性产物的沉积。系统取样管线布置优化方案通过对相关管线、设备的合理布局，可从设计上避免放射性产物的沉积，该方案实施后可以达到一劳永逸的效果，最具有推广价值。

3 系统取样管线布置优化主要性能测试

3.1 系统压力测试

根据系统运行要求，需要在系统压力24.5 MPa时，关闭取样系统的进出口阀，检测取样系统的密封线，具体情况如表2所示。

表2 取样系统压力试验Tab.2 Sampling system pressure test

从表2 可以看出，优化后的取样系统密封性满足要求。

3.2 监测装置的监测数据测试

对取样管线优化后监测装置的数据与一回路化学取样数据进行比对，发现监测装置的测量值与一回路化学取样分析值较为接近，相应的数值处于同一个数量级。数据存在一定偏差是因为二者仪表测量的几何条件不同导致仪表的效率特性存在差异，以及两种仪表的可探测能量范围也存在差异。

4 结语

为了消除放射性产物沉积对监测装置的影响，本文介绍了3 种优化方案，并对相应方案的实施效果进行了验证和评价。根据实施效果可知，系统冲洗和系统运行优化方案无法从根本上避免放射性产物在取样管道内的沉积，而系统取样管线布置优化方案实施后的各项性能测试满足要求且能从根本上避免放射性产物在取样管道内的沉积，其设计方案可供同类型或者其它用途的取样管线在避免物项沉积的设计时提供借鉴和参考。