壓水堆核電站泄漏監(jiān)測(cè)原理及方案研究

夏祖國(guó)

（中琺國(guó)際核能工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

核電站運(yùn)行壽期內(nèi)，冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界上的設(shè)備不可避免地因正常運(yùn)行磨損、機(jī)械損傷、化學(xué)腐蝕或疲勞而老化，導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生微量的泄漏。冷卻劑的泄漏可能會(huì)導(dǎo)致硼酸腐蝕，一回路水應(yīng)力腐蝕破裂和晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等現(xiàn)象，進(jìn)而嚴(yán)重危及到冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的完整性，引發(fā)失水事故。

同時(shí)，核電站設(shè)計(jì)中采用破前漏[1]技術(shù)，在考慮一定的安全裕量情況下，通過(guò)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的泄漏率來(lái)反推此時(shí)發(fā)生泄漏的裂紋長(zhǎng)度，進(jìn)而通過(guò)斷裂力學(xué)分析判斷該裂紋是否會(huì)失穩(wěn)，是否會(huì)發(fā)生雙端剪切斷裂，泄漏監(jiān)測(cè)是破前漏技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

為了降低失水事故的風(fēng)險(xiǎn)，且滿(mǎn)足破前漏分析的要求，核電站應(yīng)該設(shè)置對(duì)應(yīng)的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，盡可能提前發(fā)現(xiàn)泄漏，并采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)泄漏做出響應(yīng)，以控制不良后果繼續(xù)蔓延。因此，在核電站的設(shè)計(jì)中，對(duì)于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)等重要的系統(tǒng)或設(shè)備，根據(jù)法規(guī)要求需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的泄漏監(jiān)測(cè)手段或者系統(tǒng)[2-4]。

1 泄漏的物理過(guò)程

壓水堆核電站的泄漏分為兩大類(lèi)：可確定泄漏和不可確定泄漏。泄漏監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要是安全殼內(nèi)一回路和二回路高能管道，破前漏技術(shù)應(yīng)用主要也是針對(duì)這些管道開(kāi)展。

1.1 可確定泄漏收集

可確定泄漏主要是因閥門(mén)密封、設(shè)備密封、法蘭密封等退化或失效造成。通過(guò)有效的監(jiān)測(cè)，可以很好地確定泄漏源和泄漏量，也能夠與不確定泄漏進(jìn)行區(qū)分。對(duì)重要的可確定泄漏源，應(yīng)設(shè)置泄漏收集和測(cè)量系統(tǒng)，收集其源漏出的蒸汽和液體，實(shí)現(xiàn)泄漏的定量和定位。可確定泄漏不是破前漏技術(shù)關(guān)心的。

1.2 不可確定泄漏的物理過(guò)程

不可確定泄漏主要指管壁（包括焊縫）或承壓容器壁的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可隔離破損引起的泄漏，這些泄漏沒(méi)有被收集而是釋放到安全殼大氣中。在破前漏分析中主要關(guān)注的是這類(lèi)泄漏。

以反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)為例，管道出現(xiàn)穿壁裂紋泄漏至安全殼內(nèi)的過(guò)程，大致可劃分為4 個(gè)物理過(guò)程：

1）破口處的臨界流過(guò)程。

2）水蒸汽在保溫層內(nèi)壁與管道外壁之間的擴(kuò)散過(guò)程。

3）蒸汽穿過(guò)保溫層進(jìn)入設(shè)備隔間、安全殼空間內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程。

4）液態(tài)直接進(jìn)入地坑，濕空氣在冷卻盤(pán)管表面內(nèi)冷凝成液體水的過(guò)程。

泄漏在管道破口附近主要發(fā)生的物理現(xiàn)象如圖1 所示，主要會(huì)引起以下幾個(gè)對(duì)象數(shù)值或者狀態(tài)的變化：

聲音：在管道表面以縱波和橫波方式傳播，在空氣中以縱波方式傳播。

濕度：由于分子熱運(yùn)動(dòng)加上初始噴射的動(dòng)能，汽液兩相混合物會(huì)在管道與保溫層之間的間隙內(nèi)擴(kuò)散，帶來(lái)濕度和溫度的變化，穿越保溫層后彌散到安全殼內(nèi)也有濕度的變化。

溫度：在泄漏管道表面，泄漏附近的設(shè)備隔間都有變化。

放射性：一回路水含各種核素Ar、Kr、Xe、N-13、N-16、F-18，會(huì)引起放射性強(qiáng)度變化。監(jiān)測(cè)放射性可以用來(lái)區(qū)分一回路與二回路的泄漏。

化學(xué)性質(zhì)：由于一回路含慢化劑硼酸，釋放到安全殼會(huì)帶來(lái)化學(xué)性質(zhì)變化，可以用來(lái)區(qū)分一回路與二回路的泄漏。

壓力：當(dāng)泄漏量很大，會(huì)引起安全殼內(nèi)壓力的變化。

圖像：由于一、二回路的高溫高壓的冷卻劑噴放過(guò)程中與空氣能量交換，壓力的突降而發(fā)生閃蒸，會(huì)形成汽霧，持續(xù)一段時(shí)間后一回路的硼酸會(huì)在管道表面形成硼酸結(jié)晶。這些現(xiàn)象可以通過(guò)巡視或攝像系統(tǒng)觀(guān)察。

圖1 不可確定泄漏的模型Fig.1 The model of unidentified leakage

質(zhì)量流：兩相混合物中的水通過(guò)地漏、管道、最終在重力的作用下匯入安全殼地坑，蒸汽則由安全殼內(nèi)布置的風(fēng)管吸入，在冷凍水作用下發(fā)生冷凝，最終冷凝液進(jìn)入地坑與破口噴放的兩相混合物中的水混合。

在泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)精度需要，監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的難易程度，針對(duì)不同的物理量，采用不同的監(jiān)測(cè)方法。

2 泄漏的發(fā)展及對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法

當(dāng)壓水堆核電站高能管道發(fā)生泄漏時(shí)，針對(duì)泄漏的發(fā)展過(guò)程，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，可確定泄漏主要發(fā)生在閥門(mén)密封、主要設(shè)備，如反應(yīng)堆壓力容器法蘭和封頭法蘭密封，以及一回路向與相連系統(tǒng)的連接處等。對(duì)應(yīng)不同的泄漏源，通過(guò)不同收集管道進(jìn)行收集和監(jiān)測(cè)。泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須收集或隔離從可確定泄漏源漏入安全殼的泄漏，以便對(duì)可確定泄漏與不可確定泄漏分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提升泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)不可確定泄漏的監(jiān)測(cè)精度。

不可確定泄漏主要指管壁（包括焊縫）或壓力容器壁的材料發(fā)生破損引起的泄漏。通常有效的監(jiān)測(cè)方法如下：

1）當(dāng)發(fā)生小破口失水事故時(shí)，當(dāng)高溫高壓介質(zhì)從承壓邊界穿壁裂縫或腐蝕孔逃逸時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生兩種聲信號(hào)[5]：空氣傳播的人耳聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域內(nèi)的聲波信號(hào)；金屬邊界中傳播的應(yīng)力波信號(hào)。這兩種信號(hào)均是連續(xù)性信號(hào)，并攜帶著泄漏點(diǎn)的特征信息（如漏孔形狀、大小、位置和泄漏率等）。根據(jù)這一特點(diǎn)，聲發(fā)射技術(shù)的基本原理是用靈敏的儀器接收和處理泄漏源的聲發(fā)射信號(hào)。聲波信號(hào)以縱波的方式在空氣中傳播，可以利用麥克風(fēng)采集空氣進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)。管壁上應(yīng)力波方式傳播通常采用壓電陶瓷傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其頻帶范圍是50kHz ～250kHz，主要能量集中在150kHz左右。通過(guò)對(duì)聲發(fā)射源特征參數(shù)的分析和研究，推斷出材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷位置、狀態(tài)變化程度和發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 泄漏的發(fā)展及對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法Fig.2 Leakage processing and detector methods

2）冷卻劑在噴射流出的過(guò)程中因壓力的突降而發(fā)生閃蒸，破口流出的介質(zhì)一般為汽液兩相混合物。汽液兩相混合物穿越了一回路壓力邊界，泄壓后在保溫層內(nèi)擴(kuò)散；其蒸汽在管道外壁和保溫層之間迅速向兩邊依次擴(kuò)散，布置在保溫層上的各個(gè)溫濕度探頭會(huì)依次探測(cè)到擴(kuò)散的蒸汽，根據(jù)探測(cè)的濕度發(fā)生的先后時(shí)間以及探頭的布置位置，可以確定發(fā)生泄漏的大致位置。

也可采用FLüS 的監(jiān)測(cè)方法[6]，其核心部件“Sensor Tube”是一種多微孔的金屬陶瓷部件，安裝在要監(jiān)測(cè)的水/蒸汽管道旁邊，能夠耐受高溫和輻射。當(dāng)管道或管道上焊縫出現(xiàn)貫穿性裂紋，從管道泄漏的高溫蒸汽通過(guò)分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，通過(guò)微孔的金屬燒結(jié)物進(jìn)入Sensor Tube 內(nèi)，定期用壓縮的干空氣吹掃，擴(kuò)散進(jìn)入Sensor Tube 的高溫蒸汽被吹掃進(jìn)入末端高靈敏的濕度分析儀來(lái)判斷是否發(fā)生泄漏。

3）在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)燃料元件破損時(shí)或當(dāng)一回路水及其中的雜質(zhì)（腐蝕產(chǎn)物）被中子活化，這些情況可使一回路水中包含多種放射性核素。如果冷卻劑發(fā)生泄漏，這些放射性核素隨之泄漏到安全殼中，伴隨水的氣化形成氣載放射性粒子。監(jiān)測(cè)空氣中的放射性濃度的變化，也能很好地監(jiān)測(cè)承壓邊界的泄漏情況。也可以采用常規(guī)的熱電阻、壓力變送器和相對(duì)濕度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)泄漏造成的安全殼大氣溫度、濕度、壓力變化。

4）蒸汽釋放到安全殼大氣中，通過(guò)強(qiáng)迫對(duì)流回到通風(fēng)管道進(jìn)入安全殼下部冷卻器內(nèi)，在冷凝盤(pán)管處發(fā)生結(jié)露冷凝，表面的冷凝水靠重力作用匯集到管道。由于在泄漏初期冷凝水流量很低，當(dāng)破口嚴(yán)重時(shí)流量會(huì)較高，通常需要選擇量程比高（可達(dá)100 倍以上）的質(zhì)量流量計(jì)來(lái)測(cè)量冷凝物流量。

最終冷凝液進(jìn)入地坑與破口噴放的兩相混合物中的水混合，在重力作用下直接通過(guò)地漏、管道，最終匯入安全殼地坑，通安裝液位計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)液位的變化率來(lái)計(jì)算泄漏率。

5）在一回路中，無(wú)論可確定泄漏還是不可確定泄漏都會(huì)引起一回路水裝量變化，在平穩(wěn)的運(yùn)行工況下，監(jiān)測(cè)一回路受影響系統(tǒng)內(nèi)水箱中異常的水位和流量，就可以獲得一回路總的泄漏量。由于水裝量平衡包含了可確定泄漏和不可確定泄漏，總的泄漏量減去可確定泄漏即可獲得不可確定泄漏。

3 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求

壓水堆核電站中泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要遵循中國(guó)的法規(guī)[7]，或者參考RG1.45 的要求[8]，滿(mǎn)足核電站安全運(yùn)行的需要，同時(shí)在監(jiān)測(cè)精度、監(jiān)測(cè)范圍等方面，還需要考慮破前漏技術(shù)的相關(guān)要求。結(jié)合RG1.45 的相關(guān)要求，并綜合考慮破前漏分析的需要，壓水堆核電站泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要滿(mǎn)足的主要技術(shù)要求如下：

安全分級(jí)：泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于早期故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，按照其對(duì)核電站安全運(yùn)行所起作用的大小進(jìn)行分級(jí)。安全分級(jí)必須與使用它們輸出信息的系統(tǒng)相一致。

表1 泄漏監(jiān)測(cè)方法能力評(píng)估摘要Table 1 Summary of capacity assessment of leakage monitoring methods

靈敏度：定量監(jiān)測(cè)泄漏率的靈敏度不低于1gpm，泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度還與破前漏應(yīng)用的管道有關(guān)，如果管徑越小，要求的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度越高。

響應(yīng)時(shí)間：儀表系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于1h，不含泄漏擴(kuò)散時(shí)間，同時(shí)破前漏分析中，疲勞裂紋擴(kuò)展分析結(jié)果證明裂紋擴(kuò)展很慢，總體響應(yīng)時(shí)間對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)并不是最重要的影響因素。

多樣性：應(yīng)采用至少兩種不同的泄漏測(cè)量方式。

抗震：至少一種監(jiān)測(cè)方式滿(mǎn)足抗震要求。

其他要求：必須滿(mǎn)足核電站運(yùn)行期間溫度、濕度和輻射水平的環(huán)境條件，具有靈活的擴(kuò)展功能，具備與其他系統(tǒng)（DCS）接口，方便運(yùn)行人員及時(shí)獲取信息。

4 各種方法泄漏監(jiān)測(cè)能力小結(jié)

核電站不需要采用上述提及的全部泄漏監(jiān)測(cè)方法或手段。然而，由于各種方法在敏感性和反應(yīng)時(shí)間上的差異，監(jiān)測(cè)手段應(yīng)充分地多樣化，以確保在某些手段的有效性變差甚至完全無(wú)效的情況下仍能夠保持有效的監(jiān)測(cè)，保證泄漏監(jiān)測(cè)的可靠性。表1 從監(jiān)測(cè)靈敏度、可靠性、響應(yīng)時(shí)間和定位能力4 個(gè)維度對(duì)各種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行了評(píng)估。

1）E（Excellent）表示如果正確設(shè)計(jì)和應(yīng)用，能滿(mǎn)足RG1.45 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）G（Good）表示可能、勉強(qiáng)能滿(mǎn)足本標(biāo)準(zhǔn)的要求（這需根據(jù)應(yīng)用條件、測(cè)點(diǎn)位置和測(cè)點(diǎn)數(shù)量而定）。

3）W（weak）表示通常不建議采用，但可用于監(jiān)測(cè)特定位置的泄漏。

表1 中能力的排列順序是根據(jù)這些儀表的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的結(jié)果做出的，且排列順序僅為選擇泄漏監(jiān)測(cè)儀表提供指導(dǎo)。上述提及的方法或手段是目前壓水堆核電站泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用的監(jiān)測(cè)手段，反應(yīng)了目前的科技水平。早期的泄漏監(jiān)測(cè)對(duì)預(yù)防事故是非常重要的。因此，核電站應(yīng)不斷地尋求和運(yùn)用泄漏監(jiān)測(cè)及定位技術(shù)的改進(jìn)，提升泄漏定量監(jiān)測(cè)的精度和泄漏定位監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。