淺析三門核電輻射場可視化圖像系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)施

三門核電有限公司 金 曦

核電廠集體劑量目標(biāo)值是衡量一個電站日常運(yùn)行、停堆大修期間的重要指標(biāo)，在WANO 發(fā)布的核電機(jī)組評價(jià)指標(biāo)中，單一機(jī)組每年的集體劑量是一個關(guān)鍵指標(biāo)，其數(shù)值越低機(jī)組的評價(jià)得分越高。同時(shí)，非計(jì)劃照射事件作為核電廠輻射防護(hù)性能指標(biāo)其中一項(xiàng)指標(biāo)，指輻射防護(hù)屏蔽（屏障）失效導(dǎo)致工作人員受到非計(jì)劃照射的事件。輻射防護(hù)人員應(yīng)采取有效的管理措施及技術(shù)手段避免非計(jì)劃照射事件的發(fā)生。

核電廠正常運(yùn)行期間，由于不少房間環(huán)境劑量率較高，輻射防護(hù)人員在進(jìn)行輻射調(diào)查時(shí)不可避免地會受到外照射。同時(shí)，維修工作人員在輻射控制區(qū)內(nèi)執(zhí)行具體工作，也會不可避免地受到外照射。這些工作執(zhí)行過程中產(chǎn)生的外照射集體劑量會給核電廠集體劑量控制帶來一定的挑戰(zhàn)。從降低核電廠集體劑量及避免非計(jì)劃照射的角度出發(fā)，構(gòu)建基于核電廠的輻射場分布情況的輻射場分布可視化系統(tǒng)勢在必行。

輻射防護(hù)人員作為電站輻射安全管控的一線工作人員，應(yīng)盡量降低集體劑量及避免非計(jì)劃照射事件的發(fā)生，持續(xù)改進(jìn)集體劑量、非計(jì)劃照射等輻射防護(hù)性能指標(biāo)。構(gòu)建與實(shí)施適合于三門核電的可視化圖像系統(tǒng)能夠降低電站集體劑量，同時(shí)，作為一種技術(shù)手段將現(xiàn)場輻射風(fēng)險(xiǎn)直觀傳遞給工作人員，從而避免非計(jì)劃照射。本文主要對三門核電的可視化圖像系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而為電站后續(xù)輻射防護(hù)工作提供指導(dǎo)。

1 輻射場可視化圖像系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 傳統(tǒng)調(diào)查方式的缺點(diǎn)和不足

傳統(tǒng)調(diào)查方式一般是根據(jù)核電廠輻射調(diào)查管理程序，由輻射防護(hù)人員使用便攜式劑量率儀表進(jìn)行手動搜索，并根據(jù)管理程序中的固定點(diǎn)位進(jìn)行測量，該點(diǎn)位一般情況下位于房間中央、入口或房間內(nèi)主要設(shè)備附近。

隨著機(jī)組堆齡的增加，或一回路相關(guān)系統(tǒng)動作（例如化學(xué)和容積控制系統(tǒng)補(bǔ)水操作），房間內(nèi)輻射水平會出現(xiàn)較大變化，一回路系統(tǒng)管道法蘭、閥門連接處易出現(xiàn)放射性物質(zhì)沉積，傳統(tǒng)調(diào)查點(diǎn)位無法體現(xiàn)出該房間內(nèi)最大點(diǎn)位，對于內(nèi)部管道、設(shè)備較多的房間，輻射防護(hù)人員使用長桿劑量率儀表進(jìn)行手動搜索熱點(diǎn)，耗時(shí)較長、識別率低，容易造成調(diào)查人員受到一些非必要的照射劑量。

AP1000核電站機(jī)組在正常運(yùn)行期間，輻射防護(hù)人員需要進(jìn)入高輻射區(qū)進(jìn)行輻射調(diào)查，維修人員需要進(jìn)入高輻射區(qū)進(jìn)行設(shè)備維修工作，這些情況都可能造成非計(jì)劃照射。為避免非計(jì)劃照射事件發(fā)生，降低工作人員非必要的照射劑量，考慮開發(fā)針對高輻射區(qū)的新型輻射調(diào)查方式。

1.2 確定新型輻射調(diào)查方式組織機(jī)構(gòu)

為開發(fā)適合AP1000核電機(jī)組的新型輻射調(diào)查方式，以達(dá)到降低機(jī)組集體劑量的目的，三門核電有限公司從確定開發(fā)新型輻射調(diào)查方式組織機(jī)構(gòu)開始，籌備前期準(zhǔn)備工作，先后歷經(jīng)1號機(jī)組首次大修、1、2號機(jī)組正常運(yùn)行、2號機(jī)組首次大修多個實(shí)施階段，并對輻射場可視化圖像拍攝的實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)證，最終形成系統(tǒng)化應(yīng)用成果。

三門核電有限公司于2019年底確定了新型調(diào)查方式的組織機(jī)構(gòu)，設(shè)置了總體負(fù)責(zé)人、協(xié)調(diào)人及現(xiàn)場實(shí)施負(fù)責(zé)人、實(shí)施人員等崗位，明確崗位職責(zé)，確定實(shí)施計(jì)劃。組織機(jī)構(gòu)中所有人員均由具備核電廠輻射防護(hù)崗位授權(quán)的人員擔(dān)任，其中總體負(fù)責(zé)人、協(xié)調(diào)人等重要崗位擔(dān)當(dāng)人員具備10年以上核電廠輻射防護(hù)工作經(jīng)驗(yàn)，為新型調(diào)查方式順利實(shí)施打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.3 明確新型儀表選型的技術(shù)要求

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)調(diào)查方式的缺點(diǎn)和不足，三門核電有限公司調(diào)研國內(nèi)、外市場上的輻射場可視化圖像拍攝設(shè)備型號，并結(jié)合AP1000核電機(jī)組廠房設(shè)計(jì)布局及一回路系統(tǒng)源項(xiàng)數(shù)據(jù)，選取適合AP1000核電機(jī)組的拍攝設(shè)備。

選用的設(shè)備在體積和重量指標(biāo)上做到輕量化，能夠布置進(jìn)AP1000核電機(jī)組個別空間狹小的房間，例如管道設(shè)備較多的RNS 管道閥門間；其次，對于選用的設(shè)備應(yīng)具備核素識別的功能，在機(jī)組停堆大修等工作任務(wù)比較緊急且任務(wù)量比較大的工況下，能夠較為快速精準(zhǔn)地獲取現(xiàn)場輻射信息，降低輻射防護(hù)人員執(zhí)行調(diào)查的個人劑量，實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)最優(yōu)化。

1.4 人員培訓(xùn)

組織機(jī)構(gòu)確定后，針對項(xiàng)目所有成員開展實(shí)施前培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容包括：AP1000核電機(jī)組廠房設(shè)計(jì)布局、一回路源項(xiàng)分布、設(shè)備使用等內(nèi)容，并且在培訓(xùn)過程中增加風(fēng)險(xiǎn)管理章節(jié)，確保工作人員實(shí)施環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)可控，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”（5M1E）多維度統(tǒng)籌推進(jìn)適合AP1000核電機(jī)組的新型調(diào)查方式開發(fā)工作。

1.5 確定核電廠輻射場可視化圖像拍攝的房間清單

AP1000核電機(jī)組在材料的選擇上充分考慮了美國運(yùn)行核電機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)。依據(jù)AP1000機(jī)組一回路設(shè)備使用的材料及組分，結(jié)合腐蝕產(chǎn)物的活化方式，我們可以預(yù)知，AP1000核電機(jī)組一回路系統(tǒng)內(nèi)將可能含有以下活化腐蝕產(chǎn)物：58Co、51Cr、54Mn、59Fe、60Co、110mAg 和124Sb（由于鋯合金具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，其活化腐蝕產(chǎn)物95Zr 可忽略不計(jì)）[1]。

由此，綜合考慮AP1000核電機(jī)組一回路源項(xiàng)設(shè)計(jì)文件，并結(jié)合一回路系統(tǒng)設(shè)備分布情況，選取了正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（CVS）、核島液體廢物系統(tǒng)（WLS）、核島固體廢物系統(tǒng)（WSS）等系統(tǒng)設(shè)備布置的主要房間作為實(shí)施輻射場可視化圖像拍攝對象。

2 現(xiàn)場實(shí)施開展及效果驗(yàn)證

2.1 現(xiàn)場實(shí)施階段風(fēng)險(xiǎn)識別

AP1000核電機(jī)組輻射場可視化圖像拍攝房間清單中確定的拍攝房間除輔助廠房地坑間外，均屬于機(jī)組的高輻射區(qū)域，其中個別房間為永久設(shè)計(jì)紅區(qū)，即機(jī)組停堆期間該房間不進(jìn)行輻射分區(qū)降級調(diào)查，按照紅區(qū)進(jìn)行管理。

根據(jù)中華人民共和國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NB/T 20185-2012壓水堆核動力廠廠內(nèi)輻射分區(qū)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》管理要求，核電廠對特高輻射區(qū)和超高輻射區(qū)的邊界應(yīng)設(shè)置專門的門禁措施。工作人員進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施時(shí)存在人員意外照射風(fēng)險(xiǎn)，需借用高輻射區(qū)輻射防護(hù)專用鑰匙開啟房間門鎖方能進(jìn)入。

為消除實(shí)施階段風(fēng)險(xiǎn)、避免意外照射，在進(jìn)入被拍攝的房間前與核電廠機(jī)組主控室確認(rèn)對應(yīng)房間的一回路相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)（例如進(jìn)入CVS 補(bǔ)水泵間前確認(rèn)CVS 系統(tǒng)補(bǔ)水操作是否啟動），并在布置伽馬相機(jī)前使用便攜式儀表確認(rèn)設(shè)備布置位置環(huán)境劑量率水平，確保實(shí)施階段作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)可控。同時(shí)，在整個實(shí)施階段，對應(yīng)房間的高輻射區(qū)輻射防護(hù)專用鑰匙由輻射防護(hù)人員全程保管，防止其他無關(guān)人員誤入高輻射區(qū)，避免非計(jì)劃照射事件發(fā)生。

2.2 機(jī)組停堆大修期間現(xiàn)場實(shí)施

三門核電1#機(jī)組停堆大修期間，使用輻射場可視化圖像成像設(shè)備對個別工作場所進(jìn)行初步拍攝，如圖1所示，以獲取工作場所的輻射場可視化圖像。

圖1 機(jī)組停堆大修期間現(xiàn)場實(shí)施圖

同時(shí)對機(jī)組停堆期間一回路源項(xiàng)進(jìn)行輻射調(diào)查，驗(yàn)證AP1000核電機(jī)組設(shè)計(jì)源項(xiàng)數(shù)據(jù)以及一回路源項(xiàng)對輻射場的貢獻(xiàn)水平。1號機(jī)組停堆大修期間，58Co 和60Co 為各系統(tǒng)管道內(nèi)壁沉積的主要核素，兩者對各系統(tǒng)管道表面的接觸劑量率貢獻(xiàn)之和的平均值約為75.25%，其中58Co 在各系統(tǒng)管道中表面活度較高，最高可達(dá)到2.97×105Bq/cm2，劑量率貢獻(xiàn)占比均值約為53.95%，60Co 對各系統(tǒng)管道表面劑量率貢獻(xiàn)占比均值為21.30%[2]。這也與設(shè)計(jì)源項(xiàng)及停堆大修期間拍攝效果圖中的數(shù)據(jù)向吻合。

2.3 機(jī)組正常運(yùn)行期間現(xiàn)場實(shí)施

在總結(jié)1號機(jī)組停堆大修實(shí)施階段經(jīng)驗(yàn)反饋的基礎(chǔ)上，正式啟動機(jī)組正常運(yùn)行期間實(shí)施計(jì)劃，暫定更新周期為每季度一次，機(jī)組正常運(yùn)行期間實(shí)施階段，，由于系統(tǒng)動作的改變可能會由數(shù)十μSv/h 快速上升至數(shù)mSv/h，需記錄拍攝當(dāng)日機(jī)組的一回路熱功率數(shù)值及系統(tǒng)工況，方便后續(xù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析工作，具體拍攝效果圖如圖2所示。

圖2 機(jī)組正常運(yùn)行期間拍攝效果圖

由于拍攝設(shè)備所使用的伽馬探測器為4π 角探測，而對應(yīng)的光學(xué)元件僅能對鏡頭正前方進(jìn)行拍照，所以個別成像圖片在黑底部分顯現(xiàn)了彩色的伽馬劑量率成像，這表示房間內(nèi)輻射水平最大的源項(xiàng)在光學(xué)元件鏡頭之外。伽馬劑量率成像圖片中紅色、橙色、黃色部分不能代表該位置劑量率已達(dá)到壓水堆核動力廠輻射分區(qū)設(shè)計(jì)特征中的劑量率水平，僅代表拍攝設(shè)備所使用的伽馬探測器在該區(qū)域測得最大劑量率所在位置，輻射水平按照紅、橙、黃、綠、藍(lán)的顏色依次遞減，即成像圖片中紅色越明顯的區(qū)域輻射水平高于其他區(qū)域。

2.4 效果驗(yàn)證

在完成現(xiàn)場實(shí)施后，輻射防護(hù)人員使用便攜式劑量率儀表，儀表型號一般為FH40G-L 或Radiagem 2000進(jìn)行拍攝圖片效果驗(yàn)證，由于便攜式劑量率儀表檢定校準(zhǔn)存在差異，不同的便攜式劑量率儀表對同一場所測量的輻射水平數(shù)值有細(xì)微差別，檢定合格的儀表其輻射水平測量偏差均符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.5 系統(tǒng)性成果發(fā)布及實(shí)施效果

輻射防護(hù)人員將拍攝形成的內(nèi)部文件，通過公司內(nèi)網(wǎng)主頁醒目位置懸掛、現(xiàn)場房間入口處粘貼、內(nèi)部郵件發(fā)送等方式傳遞給現(xiàn)場輻射工作人員，如圖3所示，方便其在進(jìn)入房間前快速確定房間內(nèi)輻射水平較高的區(qū)域，在工作過程中盡量遠(yuǎn)離，減少人員受照劑量，確保核電廠工作人員受照劑量滿足法規(guī)要求。

圖3 系統(tǒng)性成果現(xiàn)場張貼圖

2019年7至12月，傳統(tǒng)輻射調(diào)查方式下三門核電集體劑量為23.625man.mSv，應(yīng)用輻射場可視化圖像拍攝的新型調(diào)查方式之后，2020年7至12月三門核電集體劑量為9.800man.mSv，同一時(shí)期不同年份電站正常運(yùn)行期間集體劑量減少13.825man.mSv。

另外，傳統(tǒng)的輻射調(diào)查由輻射防護(hù)人員使用便攜式劑量率儀表對核電機(jī)組輻射控制區(qū)正常運(yùn)行期間劑量率調(diào)查點(diǎn)位進(jìn)行測量并記錄在房間門口的核電廠輻射分區(qū)標(biāo)示牌上。由于設(shè)計(jì)上部分房間內(nèi)設(shè)備、管道較多，工作人員無法直觀獲知房間內(nèi)輻射水平較高的區(qū)域，僅能通過房間門口張貼的輻射分區(qū)標(biāo)示牌得知房間內(nèi)調(diào)查點(diǎn)位的輻射水平數(shù)據(jù)。

輻射場可視化圖像拍攝作為一種新型的核電廠輻射調(diào)查方式，形成系統(tǒng)性的拍攝圖片張貼在相應(yīng)房間門口，并給出工作場所的輻射場分布，能直觀地、有效地將輻射風(fēng)險(xiǎn)傳遞給現(xiàn)場工作人員，方便其在進(jìn)入房間前快速確定房間內(nèi)輻射水平較高的區(qū)域/管道。在核電廠輻射防護(hù)授權(quán)培訓(xùn)中加入相應(yīng)的內(nèi)容，確保工作人員清楚工作場所的輻射水平，尤其是高輻射區(qū)內(nèi)從事輻射工作的人員。對于避免非計(jì)劃照射事件發(fā)生，確保核電廠工作人員受照劑量滿足法規(guī)要求等方面，均起到一定的正面作用。

結(jié)語，輻射場可視化圖像的構(gòu)建與實(shí)施，在可靠性和準(zhǔn)確性不降低的前提下，能有效降低機(jī)組集體劑量避免非計(jì)劃照射。同時(shí)，輻射場可視化圖像拍攝作為一種新型的核電廠輻射調(diào)查方式，可以識別、量化以及定位現(xiàn)場輻射源，給出工作場所的輻射場分布。對于不同堆型的核電站機(jī)組，其部分一回路系統(tǒng)設(shè)備分布較多的房間，可利用輻射場可視化圖像結(jié)合日常輻射調(diào)查數(shù)據(jù)來建立核電廠輻射熱圖，為工作人員和輻射防護(hù)人員提供準(zhǔn)確的輻射場信息，給核電廠輻射防護(hù)領(lǐng)域工作提供一種新穎、準(zhǔn)確、可靠的工作思路，能有效促進(jìn)核電廠輻射防護(hù)領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)最優(yōu)化。