核電廠反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界完整性監(jiān)測要求的探討

王驕亞 周新建 陳冬雷 凌 君 孫 瑜 劉洪濤

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

在核電廠的正常運行過程中，由于正常運行的損耗、機械損傷、腐蝕、疲勞等因素會導(dǎo)致電廠設(shè)備的性能下降，從而可能導(dǎo)致設(shè)備失效，進而引起冷卻劑泄漏。運行經(jīng)驗和研究已經(jīng)表明，由于一回路硼酸腐蝕、盈利腐蝕等原因?qū)е路磻?yīng)堆冷卻劑壓力邊界發(fā)生很小的泄漏，這類泄漏可能會進一步擴展升級為失水事故的風險。

根據(jù)美國核電廠標準審查大綱3.6.3 的要求，破前漏(leakage before break，LBB )技術(shù)的應(yīng)用前提是設(shè)置泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。因此，根據(jù)RG 1.45 -2008［1］的要求，必須為核電廠設(shè)計泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。本文首先分析了RG 1.45 -2008 的要求，然后對比它與RG 1.45 -1973［2］的差異，最后對國內(nèi)核電廠泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用的方法進行探討。

1 RG 1.45 -2008 主要監(jiān)測要求

1.1 泄漏定義

根據(jù)RG 1.45 -2008，泄漏可以分為兩類，即可識別泄漏和不可識別泄漏。

可識別泄漏是指可收集、可衡量或從已知的泄漏源頭發(fā)生的泄漏。不可識別泄漏是指可識別泄漏以外的其他泄漏，主要指反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的泄漏。

泄漏監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的對象是針對不可識別泄漏。

1.2 主要監(jiān)測要求

RG 1.45 -2008 從監(jiān)測泄漏和確定其泄漏源的方法、監(jiān)測方法性能要求、抗震鑒定要求、泄漏管理要求等四個方面介紹了對泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的要求。

(1)監(jiān)測泄漏和確定其泄漏源的方法

RG 1.45 -2008 推薦了下列方法確定不可識別泄漏的泄漏率:

①疏水坑(罐)液位或流量監(jiān)測;

②氣載粒子放射性監(jiān)測;

③氣載氣體放射性監(jiān)測;

④安全殼大氣濕度監(jiān)測;

⑤安全殼大氣壓力和溫度監(jiān)測;

⑥空氣冷卻器冷凝水流量監(jiān)測。

此外，為了確定不可識別泄漏的泄漏源，RG 1.45 -2008推薦了下列方法:

①特定設(shè)備表面安裝濕度探測器的方法;

②特定設(shè)備表面安裝聲發(fā)射探測器的方法;

③通過安裝在安全殼內(nèi)的耐輻照攝像機進行在線監(jiān)測。

(2)監(jiān)測系統(tǒng)性能

①探測器響應(yīng)時間要求。除了一些特殊情況，例如在機組剛啟動運行最初的幾周之內(nèi)，所有的監(jiān)測方法應(yīng)該能夠在1 h 或者更短的時間內(nèi)監(jiān)測到泄漏率為3.8 L/min 的不可識別泄漏。

②信號關(guān)系和校準。測量的信號應(yīng)轉(zhuǎn)換為泄漏率，并實時地送到主控室顯示。此外，為了確保監(jiān)測信號的可靠性，可以對測量方法進行測試和校驗。

(3)抗震鑒定

因為核電廠可能在地震期間和地震后仍然繼續(xù)運行，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在地震期間和地震后仍然需要保持其功能。當電廠發(fā)生安全停堆地震后，對于操縱員而言評估安全殼內(nèi)的狀態(tài)是非常重要的。因此，對于泄漏監(jiān)測系統(tǒng)而言，至少有一種監(jiān)測方法在安全停堆地震之后仍然能夠評估安全殼內(nèi)的泄漏狀態(tài)。

(4)泄漏監(jiān)測管理

①反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中有重大風險區(qū)域的泄漏監(jiān)測:電廠應(yīng)監(jiān)測反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的關(guān)鍵設(shè)備的泄漏。對于現(xiàn)在運行的反應(yīng)堆而言，關(guān)鍵的反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界設(shè)備包括但不限于反應(yīng)堆壓力容器上封頭、控制棒貫穿管嘴、穩(wěn)壓器管嘴和不同類型金屬的焊接區(qū)域。

②監(jiān)測儀表的能力、可運行性能和可用性:泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對于探測潛在的惡化狀況非常重要。

系統(tǒng)應(yīng)能夠及時地探測到泄漏，并確定泄漏的位置以確保泄漏沒有使得安全狀況惡化。泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的性能包含總體響應(yīng)時間(包含傳輸延誤時間和探測器響應(yīng)時間)、探測器靈敏度和精度、確定泄漏位置的能力以及操縱員對泄漏的響應(yīng)。

泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該使用多種、多樣化、冗余的探測器，確保從泄漏源到探測器的泄漏傳輸延遲時間最終能產(chǎn)生一個可接受的總體響應(yīng)時間。如果電廠運用了LBB 技術(shù)，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的總體響應(yīng)時間應(yīng)滿足LBB技術(shù)分析程序的需要。

③泄漏數(shù)據(jù)的趨勢分析:電廠應(yīng)定期分析可識別泄漏和不可識別泄漏的趨勢。對泄漏率變化(特別是泄漏率變大)的分析，對于判斷電廠能否繼續(xù)運行在安全限值以內(nèi)非常重要。此外，增加的泄漏率可能意味著潛在的惡化狀況。因此，操縱員應(yīng)該能夠分析可識別泄漏率和不可識別泄漏率的趨勢，以便能夠及時響應(yīng)電廠的惡化趨勢。

④泄漏響應(yīng):為了及時響應(yīng)泄漏，電廠應(yīng)建立一套泄漏管理程序去響應(yīng)泄漏，該程序根據(jù)泄漏率的大小逐步確定行動水平，并逐步確定泄漏源。這套泄漏管理程序應(yīng)包括分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、確定存在泄漏，確定可能的泄漏源，增加確認和量化泄漏率的頻率，執(zhí)行趨勢分析，在安全殼外進行巡檢、計劃進入安全殼、確定泄漏源(通過進入安全殼或者遠程監(jiān)視的方法)等內(nèi)容。

綜上，RG 1.45 -2008 對泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的要求小結(jié)如下。

①泄漏監(jiān)測系統(tǒng)執(zhí)行非安全功能。

②泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測1 GPM(1 加侖每分鐘，即3.8 L/min)的泄漏率，響應(yīng)時間不超過1 h;如果不考慮響應(yīng)時間，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測到的最小泄漏應(yīng)該為0.05 GPM(0.19 L/min)。

③應(yīng)至少采用兩種獨立的、多樣化的監(jiān)測方式量化泄漏率，并能確定泄漏源。

④至少一種監(jiān)測方式滿足安全停堆地震期間和地震后可用。

⑤需要將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為泄漏率并送到主控室供操縱員使用。

⑥可對泄漏監(jiān)測方法進行定期測試和校驗。

2 RG 1.45 1973 版與2008 版的差異對比

(1)監(jiān)測方法

1973 版導(dǎo)則要求至少采用3 種監(jiān)測方法，其中有2 種監(jiān)測方法要求使用疏水坑(罐)液位或流量監(jiān)測和氣載粒子放射性監(jiān)測;第三種監(jiān)測方法在導(dǎo)則所推薦的方法中進行選擇，包括空氣冷凝器冷凝水流量監(jiān)測，氣載氣體放射性監(jiān)測，安全殼大氣濕度、溫度、壓力等監(jiān)測方式［2］。

2008 版導(dǎo)則推薦了可量化和可定位的泄漏監(jiān)測方法，其并未強制要求選擇哪種方法，只要求至少采用2 種獨立的、多樣化的監(jiān)測方法。

(2)泄漏定位

1973 版導(dǎo)則對不可識別漏泄的定位無強制要求，2008 版導(dǎo)則要求定位可能的不可識別泄漏區(qū)域。

(3)抗震要求

兩個版本的導(dǎo)則都要求至少有一種方法在安全停堆地震期間及地震后可用，但1973 版導(dǎo)則明確要求氣載粒子放射性監(jiān)測方法可以在地震后可用;而2008 版導(dǎo)則說明只要有一種監(jiān)測方式滿足在安全停堆地震期間和地震后可用即可，并未強制地對某一種具體的監(jiān)測方法提出抗震要求。

(4)泄漏監(jiān)測管理

2008 版導(dǎo)則對泄漏監(jiān)測管理提出了明確的要求，這些要求包括對反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測要求，如對反應(yīng)堆壓力容器上封頭、控制棒貫穿管嘴、穩(wěn)壓器管嘴和不同類型金屬的焊接區(qū)域;對不確定泄漏率和確定泄漏率的趨勢分析，確保及時對任何不利趨勢做出響應(yīng);對泄漏的響應(yīng)方法，要求建立一套帶行動水平的逐步的響應(yīng)方法，該方法可以逐步確定泄漏的存在并定位泄漏源。1973 版導(dǎo)則對泄漏監(jiān)測管理無明確要求。

3 泄漏監(jiān)測方法的應(yīng)用

國內(nèi)的核電廠都設(shè)置了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，主要使用了下列方法。

①疏水坑(也稱為地坑)液位監(jiān)測;

②氣載粒子/氣體放射性監(jiān)測;

③溫濕度監(jiān)測;

④聲發(fā)射監(jiān)測;

⑤空氣冷卻器冷凝水流量監(jiān)測;

⑥總裝量平衡試驗等方法。

(1)疏水坑(也稱為地坑)液位監(jiān)測

疏水坑液位監(jiān)測是一種常用的監(jiān)測方法，被應(yīng)用于目前國內(nèi)各主要技術(shù)路線的核電廠。

該方法的主要原理:當反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界發(fā)生不可識別泄漏時，泄漏的冷卻劑將以兩種形式存在，一種以液態(tài)的形式存在，另一種以氣態(tài)(閃蒸)的形式存在。對于液態(tài)形式存在的泄漏，在相應(yīng)的設(shè)備房間設(shè)置地漏，并將其收集到專用的疏水坑中;對于以氣態(tài)形式存在的泄漏，通過反應(yīng)堆廠房暖通系統(tǒng)冷卻為冷凝水，再將冷凝水引到同一個專用的疏水坑中，疏水坑液位的變化率即為不可識別泄漏率。

該監(jiān)測方法可以滿足安全停堆在地震時和地震后可用的要求，但無法定位泄漏的位置。

(2)氣載粒子放射性監(jiān)測

氣載粒子/氣體放射性監(jiān)測的方法也普遍應(yīng)用于各種技術(shù)路線，但這種監(jiān)測方法隨監(jiān)測對象不同，監(jiān)測性能受到一定的限制。該監(jiān)測方法配合其他監(jiān)測方法(例如疏水坑液位監(jiān)測、空氣冷卻器冷凝液監(jiān)測)可以識別泄漏是來自于一回路還是二回路(在反應(yīng)堆廠房內(nèi)的主蒸汽管道)。

當監(jiān)測對象是裂變產(chǎn)物時(例如惰性氣體)，由于裂變產(chǎn)物在燃料元件包殼中，在反應(yīng)堆剛啟動的一段時間以及燃料元件包殼破損率很小時，進入冷卻劑的裂變產(chǎn)物很少，隨不可識別泄漏進入安全殼大氣的裂變產(chǎn)物也很少，因此很難量化不可識別泄漏。通過對CPR1000 堆型實際運行的裂變產(chǎn)物源項進行分析，假設(shè)發(fā)生1 GPM 的泄漏，裂變產(chǎn)物進入到安全殼，在通風系統(tǒng)作用下混合均勻后，安全殼大氣中惰性氣體的活度濃度可達103 Bq/m3數(shù)量級。這個量與現(xiàn)在市面放射性監(jiān)測儀表的測量下限相同，因此放射性監(jiān)測儀表很難準確測量。

RG 1.45 -1973 版之所以強制推薦這種方法，是因為當時燃料元件制造工藝比現(xiàn)在落后，反應(yīng)堆正常運行時燃料元件包殼破損率較高，通過這種方法可以很靈敏地監(jiān)測到不可識別泄漏。但隨著燃料元件制造工藝的進步，實際運行過程中燃料元件包殼破損率遠小于包殼破損率假設(shè)，因此在RG 1.45 -2008 版中雖然推薦了這種方法，并未強制要求使用該方法。

當監(jiān)測對象是活化產(chǎn)物時，活化產(chǎn)物的活度濃度與燃料元件包殼破損率大小無關(guān)，只與反應(yīng)堆功率水平相關(guān)［3］，此時可使用監(jiān)測活化產(chǎn)物的量來監(jiān)測不可識別泄漏。國內(nèi)某堆型核電廠使用了這種監(jiān)測方法。冷卻劑中的16O 被活化為18F，18F 的半衰期為109.74 min，且大部分的18F 同位素(約為97%)是可溶性的。當發(fā)生不可識別泄漏時，18F 以氣溶膠的形式進入安全殼大氣，此時使用18F 探測器，在反應(yīng)堆功率大于20%時，可監(jiān)測并量化不可識別泄漏。

氣載粒子/氣體的監(jiān)測方法滿足抗震要求，但無法判斷泄漏源。

(3)溫濕度監(jiān)測

溫濕度監(jiān)測方法目前也被用于國內(nèi)的三代技術(shù)路線的核電廠。

例如田灣核電廠使用了溫濕度監(jiān)測方法。該方法是將溫濕度探測器布置在管線保溫層連接處，用于測量保溫層與管道之間空隙的溫濕度。當發(fā)生不可識別泄漏時，反應(yīng)堆冷卻劑首先進入該空隙，然后很快在空隙中擴散，最終從保溫層連接處擴散到安全殼大氣中。此時，溫濕度探測器可以靈敏地響應(yīng)。

臺山核電廠采用的濕度監(jiān)測方式被命名為FLUS［4］，被監(jiān)測對象上布置了壓縮空氣管道和靈敏收集蒸汽的收集器，干燥的壓縮空氣定期從一個方向吹向濕度探測器。經(jīng)過蒸汽收集器，當發(fā)生不可識別泄漏時，濕蒸汽被干燥的壓縮空氣吹至濕度探測器，通過對濕度的測量確定泄漏率。該方法可以監(jiān)測到0.015 kg/s的泄漏率。

由于溫濕度探測器布置在保溫層上，因此該監(jiān)測方法很難滿足抗震要求，但該方法可以判斷泄漏的大致位置。

(4)聲發(fā)射監(jiān)測

目前國內(nèi)的在運電廠只有田灣核電廠使用了聲發(fā)射監(jiān)測方法。該監(jiān)測方法的原理［5］是當發(fā)生不可識別泄漏時，由于泄漏的原因會在泄漏處發(fā)生連續(xù)的機械波，所產(chǎn)生的聲發(fā)射波的頻帶范圍分布隨泄漏孔大小、泄漏大小和介質(zhì)不同從幾個赫茲到幾百千赫茲。利用適合的聲發(fā)射傳感器測量聲發(fā)射波，然后將機械波轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過分析處理可以確定泄漏率并判斷泄漏位置。一般而言，泄漏量越大，激發(fā)的聲發(fā)射信號幅度也越高。

該監(jiān)測方法不僅能夠確定泄漏率，還可以判斷泄漏的位置，但該監(jiān)測方法不滿足抗震要求。

(5)空氣冷卻器冷凝水流量監(jiān)測

該監(jiān)測方法應(yīng)用于國內(nèi)的臺山核電廠，中廣核集團的華龍一號也計劃使用該監(jiān)測方法。

以氣態(tài)形式存在的不可識別泄漏，在暖通系統(tǒng)的作用下將被冷卻為冷凝水。對冷凝水的流量進行監(jiān)測也可反映不可識別的泄漏率。在臺山項目在EPR 技術(shù)路線，該方法可以監(jiān)測0.05 kg/s 的泄漏率。

該監(jiān)測方法不能定位泄漏源，也不滿足抗震要求。

(6)總裝量平衡試驗

壓水堆核電廠一般都設(shè)置了化學和容積控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)配置了容積控制箱，容積控制箱作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的緩沖箱，可以容納穩(wěn)壓器不能吸收的部分的冷卻劑。當容積控制箱的水位較高時(高于高水位)，多余的冷卻劑將被排放到硼回收系統(tǒng)(以CPR1000 堆型為例);當水位較低時(低于低水位)，由硼和水補給系統(tǒng)補水，通過測量化學與容積控制系統(tǒng)內(nèi)總水量的變化情況就可以精確地計算反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的泄漏［6］。該試驗基于下列條件。

①機組必須處于穩(wěn)態(tài)工況;

②最短試驗時間為2 h，時間越長，計算精度越高;

③在本試驗執(zhí)行過程中不進行加硼或稀釋操作;

④試驗周期為每日一次。

總裝量平衡試驗雖然不能實時監(jiān)測不可識別泄漏，但其測量靈敏度較高，最小可測量到75 L/h 的泄漏率。該方法可以結(jié)合其他監(jiān)測方法，共同確定反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的不可識別泄漏。

4 結(jié)束語

為了及時發(fā)現(xiàn)核電廠運行過程中潛在的微小泄漏的風險，避免該風險進而演變?yōu)槭鹿?，必需為壓水堆核電廠設(shè)置泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。RG 1.45-2008 提供了多種監(jiān)測方法，可以監(jiān)測不可識別泄漏的泄漏率，定位泄漏源的位置，并對電廠泄漏監(jiān)測的管理提出建議。壓水堆核電廠可根據(jù)本電廠的實際情況，選擇兩種或多種多樣性原理的監(jiān)測方法對不可識別泄漏進行監(jiān)測，并判斷泄漏源的位置，以確保電廠能夠安全的運行。

［1］ Regulatory Guide 1.45 Guidance on monitoring and responding to reactor coolant system leakage［S］.2008.

［2］ Regulatory Guide 1.45 Reactor coolant pressure boundary leakage detection systems［S］. 1973.

［3］ 三門核電一期工程1＆2 號機組 最終安全分析報告 第5 章 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及其連接系統(tǒng)［R］.2011.

［4］ Wilhelm L. 臺山核電廠Leak Detection System Flus KIL System Design Manual，2011.

［5］ 梁偉.聲發(fā)射檢測技術(shù)在管道泄漏信號識別中的應(yīng)用［J］.科學技術(shù)與工程，2007，7(8):1596 -1601.

［6］ 劉競.Yangjiang Nuclear Power Project Periodic Test Rule Reactor Coolant Leak Rate Measurement PTR RCP 1［R］.2013.