HTR-PM工藝及出水輻射監(jiān)測系統(tǒng)設計

蔣興福，杜林寶，楊明曉，宋 怡

(1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430074；2.成都理工大學，四川 成都 614000)

輻射監(jiān)測系統(tǒng)是為核電站及其周圍環(huán)境提供輻射條件和保證輻射安全的重要而不可缺少的系統(tǒng)。輻射監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是持續(xù)提供選定工藝、區(qū)域和廢水的輻射水平，這有助于操作員評估電廠狀況并采取適當措施。此外，它還可以啟動某些區(qū)域的警報，并啟動某些安全功能，以保護公眾和電廠人員的健康和安全。一般來說，輻射監(jiān)測系統(tǒng)可分為五個部分：工藝輻射監(jiān)測系統(tǒng)、區(qū)域輻射監(jiān)測系統(tǒng)、出水輻射監(jiān)測系統(tǒng)、人員輻射監(jiān)測系統(tǒng)和環(huán)境輻射監(jiān)測系統(tǒng)。

根據10 MW高溫氣冷堆(HTR-10)、Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor(AVR)和THTR的技術和經驗，在山東省榮成市石島灣設計建造了高溫氣冷堆球床組件(HTR-PM)，這是一個模塊化高溫氣冷堆示范電廠。高溫氣冷堆(HTR-PM)是一種新型的小型反應堆，由2個熱功率為500 mW、電輸出為200 mW的反應堆模塊組成

本文介紹了高溫氣冷堆工藝及出水輻射監(jiān)測系統(tǒng)的詳細設計，并與壓水堆工藝及出水輻射監(jiān)測系統(tǒng)進行了比較。文中還討論了高溫氣冷堆源項的計算結果、事故后監(jiān)測通道的設置以及輻射監(jiān)測技術的發(fā)展。

1 HTR-PM工藝及輻射監(jiān)測系統(tǒng)設計

在HTR-PM中，工藝和廢水輻射監(jiān)測系統(tǒng)包含9個子系統(tǒng)，分別是：(1)一回路工藝監(jiān)測系統(tǒng)；(2)乏燃料工藝監(jiān)測系統(tǒng)；(3)放射性固體廢物工藝監(jiān)測系統(tǒng)；(4)放射性液體廢物工藝監(jiān)測系統(tǒng)；(5) 放射性粉塵取樣系統(tǒng)；(6)重要區(qū)域空氣放射性監(jiān)測系統(tǒng)；(7)工藝和流出物監(jiān)測系統(tǒng)的壓縮空氣輔助系統(tǒng)；(8)氣體流出物監(jiān)測系統(tǒng)和；(9)液體流出物監(jiān)測系統(tǒng)。前7個子系統(tǒng)屬于過程監(jiān)控系統(tǒng)，用于獲取相關過程系統(tǒng)的放射性水平，以確保它們處于正常狀態(tài)。此外，根據氣體和液體過程的放射性濃度數據，可以確定燃料元件的失效，以及從或進入特定過程系統(tǒng)的釋放。而后兩個子系統(tǒng)屬于污水監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測排放濃度、關鍵核素和群核素的排放特征，進而計算排放總量。在HTR-PM工藝及出水輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設計中，可以通過監(jiān)測某一區(qū)域的空氣放射性濃度來檢測工藝管道的排放量，從而保護電廠人員的安全，實現區(qū)域輻射監(jiān)測的功能互補。

HTR-PM工藝及出水輻射監(jiān)測系統(tǒng)可提供選定工藝、區(qū)域和出水的放射性數據，并在相應位置設置監(jiān)測通道。下面將介紹每個子系統(tǒng)的詳細設計，包括目的、組成和特點。

1.1 起始回路過程監(jiān)控系統(tǒng)

一回路的過程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。在此，我們僅作簡要說明。該系統(tǒng)的目的是監(jiān)測一回路冷卻劑的輻射狀況，從而提供有關氦凈化系統(tǒng)運行狀態(tài)的信息，并推斷反應堆堆芯中燃料元件的總體損壞率。

在HTR-PM中，它由5部分組成：(a)一回路的連續(xù)總γ放射性監(jiān)測通道；(b)一回路的間歇總β放射性監(jiān)測通道；(c)一回路氦的常規(guī)γ能譜分析通道；(d)H-3和c-14的常規(guī)取樣和分析通道；和(e)用于儲氣罐的總β放射性監(jiān)測通道。監(jiān)測通道的相對位置如圖1所示。

a1、a2為連續(xù)總γ放射性監(jiān)測通道；b1、b2、b3為間歇總γ放射性監(jiān)測通道；c1、c2、c3、c4為常規(guī)γ能譜分析通道；d1、d2、d3為H-3、C-14常規(guī)采樣分析通道

1.2 消耗燃料過程監(jiān)控系統(tǒng)

消耗燃料過程監(jiān)測系統(tǒng)是為探測高溫氣冷堆乏燃料廠房內某些區(qū)域或工藝系統(tǒng)中的放射性物質而設計的。它由4部分組成：(a)乏燃料廠房內負壓通風系統(tǒng)的連續(xù)總活性監(jiān)測通道，帶有惰性氣體監(jiān)測器；(b) 乏燃料貯存室余熱排出系統(tǒng)的間歇式總放射性監(jiān)測通道，惰性氣體通過定期切換電動閥進行監(jiān)測；(c)乏燃料廠房內負壓通風系統(tǒng)的氣溶膠和碘監(jiān)測通道，乏燃料貯存室和乏燃料操作室的余熱排出系統(tǒng)；(d)乏燃料貯存室余熱排出系統(tǒng)的H-3和C-14取樣通道。在通風管道上設計了一些預留孔，以便用移動設備對氣體中的氣溶膠和碘進行取樣，結果如圖2所示。

1-反應堆堆芯；2-側反射器和碳熱屏蔽；3-堆芯圍筒，4-反應堆壓力容器；5-蒸汽發(fā)生器；6-蒸汽發(fā)生器容器；7-同軸氣體管道；8-水冷板；9-鼓風機和；10-燃料排放管

1.3 放射性固體廢物過程監(jiān)測系統(tǒng)

放射性固體廢物過程監(jiān)測系統(tǒng)的設計目的是獲取壓縮固體廢物、水泥固化廢物和符合標準的200L垃圾箱的放射性水平。它由3部分組成：(a)固化前蒸發(fā)殘液的β比活性和γ光譜分析；(b)壓縮固體廢物包裝前的γ劑量率和α/β表面污染測量；(c)使用廢物箱進行的測量，包括表面γ劑量率、距離廢物箱1 m處的γ劑量率、表面α/β污染、單個核素的放射性和總放射性?；跍y量數據的計算結果必須滿足我國放射性廢物管理和處置國家法規(guī)的要求。在該系統(tǒng)中，輻射監(jiān)測儀器包括γ劑量率計、便攜式α/β表面污染計和便攜式LaBr3γ射線光譜儀。

1.4 放射性液體廢物過程監(jiān)測系統(tǒng)

放射性廢液工藝監(jiān)測系統(tǒng)的設計目的是獲取廢液處理系統(tǒng)二次蒸汽冷凝液的放射性水平，并對HTR/ PM相關系統(tǒng)中的液體進行取樣。

它由2部分組成：(a)帶在線低活度液體γ監(jiān)測儀的監(jiān)測水箱前的二次蒸汽冷凝液連續(xù)總γ活度監(jiān)測通道；(b)疏水水箱、弱活度水池、低活度儲水箱、泵出口的液體取樣通道蒸發(fā)冷凝水、氦氣輔助系統(tǒng)冷凝水收集儲槽、設備冷卻泵進口、事故蒸汽發(fā)生器放水兩個儲槽、余熱排出系統(tǒng)補水排水6根管道，反應堆容器補水和排水的4根管道支撐冷卻水系統(tǒng)，二次回路中的抽汽泵出口，具體如圖3所示。

樣品將被送到放射化學分析實驗室，以獲得有關核素種類、總活度和個別活度以及有關過程的活度濃度的信息。

1.5 放射性粉塵取樣系統(tǒng)

根據高溫氣冷堆(HTR-10)和真空氣冷堆(AVR)放射性粉塵采樣的經驗和實驗結果，設計了一套類似的高溫氣冷堆(HTR-PM)放射性粉塵采樣系統(tǒng)。對HTR-PM的放射性粉塵取樣系統(tǒng)進行了說明。該系統(tǒng)的目的是獲取高溫氣冷堆一回路中放射性粉塵的濃度、粒度分布、固體裂變和活化產物的種類和比活度等信息。

在HTR-PM的氦氣凈化系統(tǒng)入口處，設置了一個小型可拆卸取樣過濾器，其中包含多個不同孔徑的濾芯，如圖3所示。它可以根據顆粒大小將放射性粉塵分離出來，拆卸下來進行進一步的測量。

圖3 一次取樣過濾器的外形和內部結構示意圖

1.6 重點區(qū)域大氣放射性監(jiān)測系統(tǒng)

在某些地區(qū)，空氣中的放射性物質在緊急情況下可能會上升，應加以檢測和控制。即使在正常情況下，也應監(jiān)測這些地區(qū)的空氣放射性，以防人員受到輻射。

在HTR-PM中，它由5部分組成：(a)連續(xù)總計β惰性氣體反應堆安全殼內部放射性監(jiān)測通道β監(jiān)視器；(b)間歇總計β一回路儀表室和燃料循環(huán)室的放射性監(jiān)測通道采用掃描式取樣管道集料單元；(c)間歇式總量β氦氣凈化室、氣體取樣分析室的活性監(jiān)測通道、氣體取樣分析系統(tǒng)的通風柜和一回路的過程監(jiān)測系統(tǒng)，帶掃描式取樣管道聚合單元;(d)連續(xù)總計β主控室新風入口惰性氣體活性監(jiān)測通道β監(jiān)測器;(e)其他工藝設備室內的氣溶膠和碘監(jiān)測和取樣通道，配備移動式氣溶膠和碘監(jiān)測器或移動式氣溶膠和碘取樣儀表，包括燃料處理循環(huán)主艙、氦氣壓縮機空氣閥室、羅茨鼓風機空氣閥室，加油緩沖管室、吊裝隔離風閥室、一回路設備室、新燃料裝車室。

在(a)部分中，對反應堆安全殼內部進行連續(xù)的總β放射性監(jiān)測之后，負壓通風系統(tǒng)管道中的氣流隨后被泵入氣相色譜儀中，以測量氦濃度，這可以作為一種補充方法來檢測一回路冷卻劑的釋放管。在(a)和(c)部分中，通風管道和相關房間中的一些預留孔用于移動設備的氣體取樣。在(d)部分中，主控室新鮮空氣入口的連續(xù)總β活動監(jiān)測通道是安全相關通道，可啟動警報并啟動緊急通風的安全功能。它們保證了主控室的宜居性，因此儀表被定義為安全級。

1.7 工藝和廢水監(jiān)控系統(tǒng)的壓縮空氣輔助系統(tǒng)

工藝和廢水監(jiān)測系統(tǒng)的壓縮空氣輔助系統(tǒng)設計用于為一回路的工藝監(jiān)測系統(tǒng)、重要區(qū)域空氣放射性監(jiān)測系統(tǒng)以及氣體取樣和分析系統(tǒng)提供壓縮空氣。它有助于這些系統(tǒng)控制氣動閥和清掃管道中的灰塵。

1.8 氣體流出物監(jiān)測系統(tǒng)

氣體流出物監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測高溫氣冷堆氣體流出物的放射性水平,從而可以提供總釋放量、釋放濃度、主要核素種類、單個核素活度濃度等信息。

它由5部分組成：(a)煙囪氣體流出物的連續(xù)氣溶膠監(jiān)測通道;(b)煙囪氣體流出物的連續(xù)碘監(jiān)測通道;(c)煙囪氣體流出物的連續(xù)總β放射性監(jiān)測通道;(d)氣溶膠、碘和惰性氣體的取樣通道氣體流出物中的氣體;(e)氣體流出物中H-3和C-14的取樣通道。

(a)、(b)和(c)部分的功能可通過PING和NGM監(jiān)視器來實現。在(d)和(e)部分，樣品將被轉移到放射化學分析實驗室進一步的精確測量。與反應堆安全殼內部連續(xù)總活性監(jiān)測通道的設計類似，來自煙囪的氣體流出物的連續(xù)總活性監(jiān)測通道是事故后監(jiān)測通道，包括低量程惰性氣體監(jiān)測器和高量程惰性氣體監(jiān)測器。兩者都被定義為安全等級。有2套PING和NGM儀器，可確保在正常運行、預防性維護階段和事故后狀態(tài)期間，對HTR-PM煙囪的氣體流出物進行連續(xù)的總β放射性監(jiān)測。

1.9 廢液監(jiān)測系統(tǒng)

液體流出物監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測核島和HTR-PM常規(guī)島液體流出物的放射性水平。它由3部分組成：(a)連續(xù)的總和γ在線低活度液體監(jiān)測水箱后排水管活度監(jiān)測通道γ監(jiān)測器;(b)放射性核素的液體取樣通道，β總量和γ總數從兩個監(jiān)測水箱和(c)冷凝水精處理中和廢水處理箱、二回路排放輻射監(jiān)測水箱和含油廢水調節(jié)箱中H-3活性測量的液體取樣通道進行分析。

在(a)、(b)部分中，操作在核島實施;而在(c)部分中，所有取樣位置位于HTR-PM常規(guī)島。采樣頻率可根據反應器的狀態(tài)進行調整。如果反應堆在穩(wěn)定運行階段運行，采樣頻率可能較低，例如3天1次或1周1次。但是，當反應堆功率在短時間內發(fā)生變化或發(fā)生異常事件時，應增加采樣頻率。

2 討論

HTR-PM工藝和廢水輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設計取決于相關工藝系統(tǒng)、區(qū)域和廢水中的源項。在壓水堆和高溫氣冷堆中，所有系統(tǒng)、區(qū)域和廢水的主要輻射源都來自核心活動。與壓水堆不同的是，HTR-PM采用了球形燃料元件，其基體石墨材料中嵌入了TRISO涂層顆粒。TRISO包覆粒子的內核由直徑為500 μm的UO制成，并由4個連續(xù)層包裹：厚度為90 μm的緩沖層、厚度為40 μm的內部熱解碳層、厚度為35 μm的熱解碳化硅層，厚度為40 μm的外層熱解碳層重新計算了HTR-PM平衡堆芯的放射性產物總量為5.05×10Bq。對于主要裂變產物，稀有氣體(氪和氙)的庫存量為2.75×10Bq，碘同位素的庫存量為2.00×10Bq，金屬裂變產物(Sr-89、Sr-90、Cs-134、Cs-137和Ag-110m)的庫存量為2.99×10Bq。一回路中的源項主要來自鈾污染、TRISO包覆粒子和燃料元件釋放的裂變產物以及堆芯的活化產物。HTR-PM一回路中的主要放射性核素是惰性氣體、碘同位素、H-3和被金屬核素吸收的氣溶膠粒子。計算模型和方法與HTR-10相似。最近對HTR-10中放射性塵埃和輻照后石墨球的實驗表明，Co-60是一回路中的重要核素。在HTR-PM中，在一回路附近探測器的輻射屏蔽設計中考慮了Co-60。

認為HTR-PM一回路中的放射性核素不能進入二回路，因為正常運行時一回路～7 MPa的壓力遠低于二回路～14.3 MPa的壓力。然而，在高溫下正常運行時，氚可以滲透到不銹鋼管中，因此H-3成為HTR-PM主蒸汽管線的主要源項。這是二次回路樣品只需以H-3活度濃度測量的原因。從AVR的研究來看，一回路受到粉塵固體裂變產物的嚴重污染，放射性粉塵被認為是降壓事故的重要源項。為了研究HTR-10中的放射性粉塵，在起始回路中建立了取樣回路。最近的實驗表明，HTR-10一回路中存在放射性粉塵，但氦氣中的粉塵濃度可能很低。進一步的分析正在進行中根據AVR和HTR-10的經驗，設計了HTR-PM一回路放射性粉塵采樣系統(tǒng)。希望能在一回路中采集粉塵樣品，研究固體裂變和活化產物的輸運行為，估計粉塵在高溫氣冷堆中的作用。

由于H-3和C-14對正常和事故環(huán)境及公眾輻射劑量的影響，在核電站安全評價中越來越受到重視。HTGRs中的H-3和C-14主要來源于重核裂變反應和雜質活化反應。在HTR-PM的工藝和流出物輻射監(jiān)測系統(tǒng)中，已經設置了許多通道對H-3和C-14進行取樣和分析，包括一回路、二回路(僅考慮H-3)、乏燃料廠房以及氣態(tài)和液態(tài)流出物(液態(tài)流出物中，C-14被認為不那么重要)。

在HTR-PM的工藝和流出物輻射監(jiān)測系統(tǒng)中，以下通道屬于安全等級：(a)氦凈化系統(tǒng)入口一回路的連續(xù)總γ放射性監(jiān)測通道，帶有在線γ監(jiān)測器；(b) 使用惰性氣體監(jiān)測器的反應堆安全殼內部的連續(xù)總活性監(jiān)測通道；(c)使用PING和NGM監(jiān)測器的煙囪氣體流出物的連續(xù)總活性監(jiān)測通道；(d)主控制室新鮮空氣入口的連續(xù)總β活性監(jiān)測通道，帶有惰性氣體β監(jiān)測器。(a)、(b)、(c)通道屬于事故后監(jiān)測通道，最后一個通道與某一安全特性的啟動有關；監(jiān)控通道(a)和(d)是冗余的，包含兩個相同的儀器；監(jiān)測通道(b)和(c)包含低量程惰性氣體β監(jiān)測器和高量程惰性氣體β監(jiān)測器，以擴大測量范圍。由于2個反應堆只有1個煙囪，1個反應堆的PING和NGM監(jiān)視器可以作為另一個反應堆的替代。

輻射監(jiān)測系統(tǒng)應安裝固定儀表，并在控制室提供遠程顯示和警報。固定式儀器包括在線、在線和離線輻射監(jiān)測儀可以提供定性信息并觸發(fā)警報，而放射性核素定量分析通常需要人工取樣過程。隨著科學技術的發(fā)展，具有放射性核素分析功能的固定式輻射監(jiān)測儀越來越多地被采用，在未來一定程度上可以代替人工采樣和實驗室分析。

3 結語

根據我國國家標準和ISO標準，結合壓水堆和高溫氣冷堆的經驗，設計了HTR-PM工藝和出水輻射監(jiān)測系統(tǒng)。包括一回路過程監(jiān)測系統(tǒng)、乏燃料過程監(jiān)測系統(tǒng)、放射性固體廢物過程監(jiān)測系統(tǒng)、放射性液體廢物過程監(jiān)測系統(tǒng)、放射性粉塵采樣系統(tǒng)、重點區(qū)域大氣放射性監(jiān)測9個子系統(tǒng)系統(tǒng)、工藝和流出物監(jiān)控系統(tǒng)的壓縮空氣輔助系統(tǒng)、氣體流出物監(jiān)控系統(tǒng)和液體流出物監(jiān)控系統(tǒng)。它包括惰性氣體、固體裂變和活化產物、H-3、C-14以及相關工藝、區(qū)域和廢水中放射性粉塵的放射性測量監(jiān)測通道。介紹了高溫氣冷堆工藝及出水輻射監(jiān)測系統(tǒng)的詳細設計。簡要介紹了HTR-PM的源項。并與壓水堆的設計特點進行了比較，提高了對HTR-PM一回路放射性水平、相關工藝、區(qū)域和廢水中H-3和C-14活度濃度以及一回路放射性粉塵的輻射監(jiān)測能力。我們認為，目前的設計可以適用于HTR-PM評估核電站的輻射狀況，保護公眾和核電站人員的健康和安全。