核電廠輻射檢測系統技術發展趨勢及產品研發思路

劉 杰，孫 鳴

（西安核儀器廠，陜西 西安 710061）

核電廠輻射檢測系統技術發展趨勢及產品研發思路

劉 杰，孫 鳴

（西安核儀器廠，陜西 西安 710061）

概述了核電廠輻射監測系統儀表及其主要單元部件的功能和用途、系統配置、國內外技術發展狀況和差距；為適應國家快速發展核電的節奏以及實現核電裝備制造國產化，提出了在當前形勢下以自主研發、自主創新與引進技術、消化吸收再創新相結合的產品研發思路。

輻射監測系統；發展趨勢； 研發思路

1 輻射監測系統簡介

核電站與其他種類電站的主要差別是核反應堆運行中伴有核輻射產生，所以輻射監測系統是核電站必不可少的組成部分。系統所獲取的輻射變化信息對保護工作人員免受輻照、保護環境及保證核電站安全運行有重要作用，對分析核電廠的故障和事故具有重要價值。

核電站的輻射測量主要涉及輻射監測、保健物理、實驗室分析測量、環境監測等。其中，本文重點闡述的輻射監測系統可分為區域輻射監測、排出流輻射監測及工藝輻射監測，通過測量輻射水平的高低實現對核電站屏蔽完整性、設備工作狀態、人員受照劑量的有效監測和控制，從而最終保證核電站的安全運行，防止任何超劑量事故發生。

輻射監測系統通常由若干各自獨立的測量道、中央計算機系統及應用軟件等構成；各測量道包含相互連接的各種功能部件（探測裝置、處理和顯示單元等）。

核電站輻射監測系統通常分為3個層次。

第一層次為輻射探測。根據不同的監測對象，選擇適用的核輻射探測器（氣體探測器、閃爍探測器或半導體探測器等），將核輻射信息轉換為可測量的電信號，實現對輻射劑量及劑量率、排出流放射性活度等的實時測量。

第二層次為數據測量和顯示。主要由處理和顯示單元組成，完成現場探測器輸出信號的處理、顯示、傳輸等功能。

第三層次為中央數據采集和管理。由輻射監測中央計算機為核心組成局域網，系統操作人員在權限范圍內可以在輻射監測中央計算機上完成各測量道的測量數據和報警狀態、設備運行狀態及參數等的監視、操作和管理工作。

核輻射的探測對象主要包括區域γ放射性監測、氣載氣溶膠α、β放射性監測、惰性氣體β、γ放射性監測、放射性碘γ監測以及液體（水）γ放射性監測等。根據現場的不同監測對象（所關注的射線、核素或介質）、安全級別和輻射水平，所選用的輻射探測器種類、監測道設備安全等級（安全級和非安全級）和量程范圍會各不相同。例如，對于用于事故及事故后條件下的高量程區域γ測量儀的探測裝置，要求測量上限需達到105Gy/h，可以適應100%相對濕度以及承受200 ℃高溫和0.5 MPa的壓力，這就要求安裝在安全殼內的探測裝置的電子學部件及連接電纜具有耐受以上工作條件的能力[1]。所以，在現場安置的輻射測量道應具有適應現場要求的良好的物理指標和性能，能可靠、準確、及時地反映現場輻射水平的變化。

2 輻射監測儀表技術應用現狀及前景

我國核電從20世紀80年代開始起步，到現在建成并投入商業運行的共有11臺機組，其中3臺機組主要是靠我國自己的技術力量完成，1臺機組是秦山一期30萬千瓦的原型堆，該堆型已出口巴基斯坦4臺機組（包括已發電的兩臺機組和正在建設中的C-2核電項目），另兩臺機組是秦山二期的兩臺60萬千瓦機組。在這3臺機組中，除少部分技術較復雜且價值較高的輻射監測儀表采用國外產品外（如事故及事故后類儀表、PIG監測儀等），其他大部分的輻射監測系統儀表設備均采用了國產的產品；而另外的8臺機組可以說全部或絕大部分采用了國外的輻射監測儀表產品，國產輻射監測儀表和設備屈指可數。

根據國家大力發展核電的戰略部署，到2020年我國核電運行裝機容量將達到4 000萬千瓦，占屆時全部發電裝機容量的4%左右，這意味著為核電裝備制造企業帶來了巨大的發展機遇。然而因近年來關于中國核電發展的技術路線之爭，也對核電產業鏈下游的裝備制造企業，特別是對儀控產品的制造企業帶來了無所適從之感，缺乏從核電發展總體方面的宏觀引導，在一定程度上無法把握儀控設備的設計及系統構建的技術發展方向，并且對已有的技術模式可能會喪失有效的延續性；國內裝備制造企業的技術基礎、科研能力、資金支持就相對薄弱，裝備制造企業的產品研發活動似乎只能缺乏前瞻性地被動進行。

近年來，盡管國內輻射監測儀表技術隨著核電建設步伐的加快而有較快的發展，各科研院所、企業紛紛研發新產品，填補了不少單機產品空白，但總體來說，輻射監測儀表在產品覆蓋面、標準化程度、系統構建等方面還存在較大差距。由于市場的開放，在歷年來國內的核電工程項目及各類核設施輻射監測系統設備的招投標過程中，國內企業都遭遇了來自國外供貨商的激烈競爭，同時國內也涌現了不少國外產品的代理商和貿易公司，使國內有一定技術基礎和技術能力的企業，無論在市場和技術方面都陷入兩難的境地。

令人欣慰的是，目前在建的嶺澳二期核電項目、遼寧紅沿河核電項目、秦山二期擴建項目以及其他在建或即將開工的核電項目均對國產化提出了要求，這為裝備制造企業提供了發展的空間，但中國核電仍亟需建立以企業為主體的技術發展與創新體系。

3 輻射監測技術發展趨勢

輻射監測技術隨著科技的進步也產生了巨大的飛躍，從20世紀70年代簡單的模擬率表形式，經過幾十年的發展，當今的核電站輻射監測技術已步入充分體現“用戶化”概念的數字化網絡監測系統。

3.1 系統主要部件

3.1.1 探測裝置

在傳統探測方法的基礎上（如電離室探測器、閃爍探測器等），新型的半導體探測器（如PIPS型硅探測器等）將更加廣泛地運用到輻射監測儀表的探測裝置中；由于采用新工藝和新材料，探測裝置的外型尺寸將會大幅縮小，鉛屏蔽減小甚至可以去除，便于集成在輻射監測現場的“一體化”機架中；可通過多種方式對探測器工作性能進行檢查（包括光測試、電測試、探測器內置源、溫度傳感器等），無需外部檢查源裝置。

3.1.2 就地處理單元

就地處理單元（LPU）是輻射監測系統的核心部件，它與探測器相連，給探測器供電并獲取來自探測器輸出的模擬測量信號，通過其內置的合適的算法，以所需的單位（Gy/h，Bq/m3等）給出輻射測量值以及輸出報警和故障信息、存儲歷史值和歷史事件、譜的產生和存儲、對外模擬量/數字量輸入輸出、RS-485網絡連接等功能。

根據不同的探測器類型，可選擇不同的LPU，除了“測量板”依所連接的探測器類型不同而不同外，所有就地處理單元的外型尺寸和其他內置板件均相同，簡化了日后的維修和維護。

就地處理顯示單元（LPDU）是將就地處理單元和小型的顯示單元集成于一體的處理顯示裝置。它具有LPU所有的功能特性，可以很方便地與各種探測裝置集成在“一體化”機架中并安置在監測現場。

3.1.3 顯示單元

顯示單元（DU）包括就地顯示單元（LDU）和遠程顯示單元（RDU）。

就地顯示單元的主要功能是顯示多個就地處理單元傳送來的測量值和報警信息，并提供多組對外模擬量/數字量及串行接口連接。

遠程顯示單元與就地顯示單元具有相似的功能。其結構為機柜的機箱安裝方式，5個RDU可安裝在一個19英寸的5U機箱框架內。根據系統設計的需要，通過RDU可實現對各監測道遠程集中顯示。

圖1 輻射監測通道基本配置[2]Fig.1 Basic configuration of radiation monitoring channel[2]

圖2 輻射監測通道簡單配置[2]Fig.2 Simple configuration of radiation monitoring channel[2]

3.2 系統配置

由于采用了上述的數字化的處理和顯示部件，給輻射監測系統的構建方式帶來了極大的靈活性，系統可以以“用戶化”的配置實現最佳的性能價格比，見圖1。

輻射監測通道的基本配置方案包含一個就地安裝的就地處理單元和安裝在控制室機柜中的遠程顯示單元。由于RDU或LDU都能與LPU直接相連，所以兩者并不需要同時使用，視系統或用戶要求而定。另外，也可以使用將處理和顯示功能集為一體的LPDU取代圖1所示的LDU+LPU的方案。

輻射監測通道的簡單配置（見圖2）是低成本的系統構建方式，可直接將就地處理單元連接到一臺管理計算機，實現遠程監控管理。

輻射監測通道的復合配置（見圖3）充分利用了局域網概念，通過LDU（或LPDU）直接實現就地操作，遠程訪問可通過RDU實現，中央處理可通過控制室的管理計算機完成，而管理計算機可通過TCP/IP網絡連接到其他電廠計算機。可以看出，遠程操作可以很方便地實現，現場維護和服務工作因此減少，故障診斷和維護、對監測儀參數設置和校準等工作可由技術人員在現場通過便攜式電腦或在中央控制室完成。

3.3 算法和系統應用軟件

就地處理單元在硬件上具有很強的互換性，根據探測器的不同，通過寫入不同的特定算法，適用于不同的應用和監測對象。但每種算法都具有一些共性特征，如計數死時間的動態修正、本底的靜態或動態補償、數據平滑功能等。

系統應用軟件包含：“數據采集和管理軟件”、“維護和設置軟件”、“譜分析處理軟件”、“仿真軟件”等。通過它們實現系統監測道數據和狀態監視、設備維護和設置、譜分析處理、設備診斷等。其中，“數據采集和管理軟件”用于控制室輻射監測系統中央計算機實時顯示系統各監測道測量值、報警信息、設備工作狀態，并形成監測道日常檔案文件?！熬S護和設置軟件”是一個非常實用和功能強大的工具軟件，它可以對任何就地處理單元和顯示單元（DU）進行編程和配置，實現系統的診斷和維護，當裝有該軟件的計算機通過串行口與系統任何一個就地處理或顯示單元相連時，軟件可以自動掃描、發現和識別系統所有連接的測量通道，并顯示出整個系統的網絡拓撲圖、連接狀態和類型，查看監測道歷史值及各種事件記錄，修改和設置監測道工作參數以及校準等。

由此看出，應用于未來批量投產的百萬千瓦級壓水堆核電站的輻射監測系統，通過采用高性能核探測裝置、智能化的處理和顯示部件單元，運用先進的數字化網絡技術及功能強大的應用軟件，可以以簡單、靈活的方式構建系統，體現系統數字化和用戶化、部件模塊化和標準化、易于安裝、維修和維護的特點。

圖3 輻射監測通道復合配置[2]Fig.3 Complex configuration of radiation monitoring channel

4 輻射監測系統產品研發思路

根據國家核電建設“以我為主、中外合作、引進技術、推進國產化”的原則，作為核電裝備制造企業，應堅持自主創新，而科技創新離不開國際合作，自主研發能力和效率的欠缺可以通過有效的對外合作和技術引進予以補充，只有這樣才能使核電裝備制造企業在核電大發展的機遇中步入快車道。

4.1 自主創新是企業發展的基石

“M-2036數字化就地處理箱”是由西安核儀器廠自主研制和開發的應用于核電站輻射監測系統的一種技術先進、性能可靠的就地處理顯示裝置，它可與多種探測裝置相連接組成各種輻射監測通道，各監測通道通過該設備聯網以后，可以方便地組成規模不等的輻射監測系統。

該項目科研自2006年3月正式啟動，通過了由上級主管部門及設計院組成的評審組的設計方案評審，之后完成了兩臺科研樣機的加工、調試工作；從2007年初開始，進行了小批量6臺樣機的加工、組裝和調試，并分別與6臺不同型號的輻射監測儀探測裝置連接，先后進行了環境試驗、電氣安全性試驗、電磁兼容性試驗、磨損試驗、耐輻照試驗、振動試驗、熱老化試驗、地震試驗以及由第三方進行的1E級輻射監測儀表軟件驗證和確認。試驗證明，該產品的所有結構設計和電路設計達到了規定的目標和技術要求，目前該產品已投入批量生產，輻射監測系統的聯機調試見圖4。

該產品的設計借鑒了國外同類產品的設計思想，采用先進的技術路線，其中包括數字化和模塊化設計、多CPU工作模式、光電隔離技術、電源隔離和管理技術、成熟的通訊技術、浮空設計和接地技術等；采用技術先進、表貼、高可靠性的元器件，配合優化的電路設計，大大縮小了體積，同時增強設備抗干擾的能力；該產品注重軟件的通用性要求，便于對軟件本身的后續開發、改進和升級；對外信號接口及內部模塊間電纜連接簡潔，便于現場安裝、維修與維護。

電磁兼容性設計在以往類似的產品中未能很好地解決，在該產品研制過程中，設計中采取了各種措施來解決該難點問題，包括：采用EMC機箱；對易感受電磁干擾或本身會產生電磁干擾的模塊或板件的屏蔽措施；電源抗干擾、接地及強、弱電走線的處理、信號間的隔離措施；電纜屏蔽層的處理等，基于以上措施使樣機通過了電磁兼容性各項相關試驗。

盡管該裝置只是輻射監測系統的一個部件，但反映出裝備制造企業通過自身建立科學的科研管理機制，根據現有的技術基礎和能力，把握核電技術發展的趨勢和方向，借鑒和分析先進的技術思想和產品的設計理念，就具備研發滿足未來核電發展要求的產品的能力。

圖4 輻射監測系統的聯機調試Fig.4 Testing of radiation monitoring system

4.2 引進技術、消化吸收和再創新，讓核電裝備制造企業步入發展快車道

西安核儀器廠采用法國MGP Instruments公司提供的技術，項目組成功完成了ABPM 201L αβ粒子監測儀和ABPM 203M移動式αβ粒子監測儀（見圖5）的整機及氣路采樣控制單元的技術消化吸收和技術轉化，依靠自有設備和資源完成了機械加工、整機組裝等工作，并按照外方所提供的測試程序進行了測試和校準，各項試驗結果表明，國產化的產品完全滿足各項技術要求。其中，西安核儀器廠已將ABPM 203M移動式αβ粒子監測儀的國產化產品成功推向市場。

項目組對已完成的ABPM 203M移動式αβ粒子監測儀進行了技術總結，為今后的技術引進和消化吸收提供有效的技術數據和經驗。需要強調的是，技術合作及引進并非單純的“復制”，在對ABPM 203M移動式αβ粒子監測儀的技術消化吸收過程中，我們在基于對外方技術資料充分消化理解的基礎上，項目組成員在滿足技術要求的前提下采用了較多的國產零部件、元件，亦對該產品探測和測量方法和整機設計思想進行了提煉和總結。我們渴望通過引進技術、消化吸收、再創新這樣一個途徑，不斷將先進的核輻射測量產品推向核電市場，從而快速推進核電裝備國產化進程，提高企業核心競爭力，契合國家核電發展的節奏。

圖5 ABPM 203M移動式αβ粒子監測儀Fig.5 Prototype of Localized ABPM 203M mobile αβ particulate monitor

5 結束語

核電裝備制造是整個核電產業鏈中重要的一環。為適應國家核電發展的需要，核電裝備制造企業可以結合自身實際情況，在立足自主研發和自主創新的基礎上，通過對外技術合作，快速、有效地提高國內輻射監測技術的研究起點和技術水平。通過技術引進和消化吸收，將先進的產品設計思想和制造技術為我所用，在此基礎上快速實現產業化和實施再創新。同時也建議行業主管部門給予裝備制造企業更大力度的政策引導，最終實現核電裝備制造業的跨越式、可持續發展。

[1] 凌球. 核電站輻射測量技術[M]. 北京:原子能出版社，2001.

[2] MGP INSTRUMENTS.RAMSYS Radiation Monitoring System[G]. France: MGP INSTRUMENTS, 2007.

Technology development tendency and R＆D idea of NPP radiation monitoring system

LIU Jie，SUN Ming
(Xi’an Nuclear Instrument Factory，Xi’an of Shaanxi Prov. 710061，China)

This paper gives a general description of functions, usages and system configurations of the instruments and their major units or components of the radiation monitoring system, as well as the status and technical gap between domestic and foreign technologies. And then the paper also puts forward an idea on product R&D, i.e. combination of independent R&D and innovation, assimilation and re-innovation of foreign advanced technology at present situation in order to keep pace with the rapid development of nuclear power in China and achieve the goal of localization of nuclear power equipment.

radiation monitoring system (RMS); development tendency; research and development (R&D)

TL81

A

1674-1617(2009)02-0133-07

2008-06-30

劉 杰(1968—), 男, 北京人，高級工程師, 工學學士，從事核輻射監測系統及儀表設計與開發。