一次側放射化學監督報表內容詳解

田風龍

(山東核電有限公司，山東 煙臺　265116)

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一次側放射化學監督報表內容詳解

田風龍

(山東核電有限公司，山東 煙臺265116)

摘要：一次側放射化學監督報表反映了機組正常運行時的放射性水平，放射性核素濃度，以及燃料狀態。并對放射性水平、核素濃度及燃料狀態進行趨勢跟蹤，便于發現劑量水平異常和燃料發生破口。

關鍵詞：放射化學；監督報表；DEI；DEX；活化產物；固體裂變產物

1前言

運行人員了解燃料包殼狀態的唯一方法就是監測一回路冷卻劑的放射性核素的放射性活度。一次側系統放射化學監督報表中的數據反映了系統的化學運行工況，燃料包殼狀態等。由于我們的機組是新技術，系統、設備以及燃料的供貨商不同，一次側系統放射化學監督跟國內其他電廠會有差別。下面的信息結合了國內現在正在運行機組放射化學監督報表，總體反映了一次側系統放射化學監督的內容及其詳細信息，為我們能夠正確理解其中的參數信息提供基礎理論支持。

2機組狀態

Power%，機組當前功率水平：

1) CVS t/h，CVS系統下泄流量，會用于FRI(燃料性能指數)的計算當中。關于FRI將在后面介紹；

2) Gamma T，總γ計數，能最快的監測劑量率的異常變化。Alpha T，總alpha計數；

3) Alpha T，總alpha計數；

4) Beta T，總beta計數；

5) Tritium，氚液閃計數。

3放射性裂變產物

3.1　氣體放射性同位素

氣體反射性同位素主要包括Kr-85 m、Kr-85、Kr-87、Kr-88、Xe-131 m,Xe-133 m、Xe-133、Xe-135 m、Xe-135和Xe-138，是惰性氣體，能夠逃脫燃料和反應堆冷卻劑系統的限制而進入安全殼大氣。Xe-133是一種惰性氣體，能夠逃脫燃料和反應堆冷卻劑系統的限制而進入安全殼大氣，并且達到平衡狀態。由于Xe-133的存在，在反應堆正常運行期間，人員不能進入安全殼，而且由于Xe-133半衰期為5 d，所以在停堆后仍然存在人員不能進入安全殼的問題。因此，安全殼大氣通過排風來降低氣體濃度是正常停堆程序的一部分。

3.1.1DEX

重鉻酸鉀，天津市大茂化學試劑廠；硫酸，天津化學試劑三廠；硫酸鉀，天津市大茂化學試劑廠；硫酸銅，天津市北聯精細化工開發有限公司；氫氧化鈉，重慶茂業化學試劑有限公司；葡萄糖，天津市協和昊鵬色譜科技有限公司；乳酸，重慶川江化學試劑廠；甲醛，成都金山化學試劑有限公司；硼酸，天津市瑞金特化學品有限公司等，以上試劑均為分析純（AR）。

DEX為氙等效劑量，定義為能產生與惰性氣體同位素混合氣體(Kr-85 m、Kr-85、Kr-87、Kr-88、Xe-131 m,Xe-133 m、Xe-133、Xe-135 m、Xe-135和Xe-138)共同產生的等效放射性劑量的Xe-133的濃度。DEX計算公式如下：

3.2　碘放射性同位素

碘放射性同位素主要包括I-130、I-131、I-132、I-133、I-134和I-135，有些同位素在機組正常功率運行狀態可能監測不到。131I是反應堆冷卻劑系統中最重要的碘同位素，是因為它的生物效應，相對較長的半衰期，8 d，以及在甲狀腺有積累的傾向。在反應堆達到滿功率的穩定工況后不久，碘活度就會達到穩定值。如果發現有任何的I-131活度或者碘等效劑量(DEI)的異常升高，監測的頻率就要提高。另外，如果發現I-134活度或者131I/133I或者131I/134I比值異常升高，就有必要增加取樣和分析的頻次。

3.2.1DEI

DEI為碘等效劑量，定義為能產生與I-130、I-131、I-132、I-133、I-134和I-135等同位素聯合起來產生等效于I-131單獨產生的放射性劑量的濃度。計算公式如下：

4固體裂變產物

固體裂變產物主要有三個來源：一是燃料包殼表面痕量的游離鈾裂變產生的；二是前面燃料循環周期中，由于燃料包殼破口導致的泄露引起的裂變產物的殘留；三是當前燃料循環周期中燃料包殼發生破口導致的裂變產物的泄露。所以分析跟蹤放射性裂變產物的過程就是要建立一種基線，并對基線的趨勢進行跟蹤，以確定燃料是否發生破損，以及大致的破損狀況，從而決定是需要立即停堆呢，還是可以在現在的破口水平下繼續運行堅持到換料大修的時候再進行啜漏檢查。在建立基線和趨勢跟蹤的過程中，我們主要針對長壽命的裂變產物，因為它們在一個相對比較長的時間內活度更為穩定，更能說明燃料是否發生了破口。以上說明的是為什么要做長壽命固體裂變產物活度分析的原因。

當燃料包殼存在微小的破口時，只有氣體裂變產物能夠進入到冷卻劑當中，隨著破口逐漸變大，長壽命的固體裂變產物就會在機組功率沒有發生瞬態的情況下進入冷卻劑中，而出現固體裂變產物的峰值。在功率瞬態時，由于功率下降，燃料棒內部壓力下降，導致冷卻劑水能夠進入到燃料包殼內，而長壽命的固體裂變產物可能會被水替代而進入冷卻劑中，所以當裂變產物出現峰值時，需要增加取樣頻率。

由于反應堆內發生的鏈式反應非常復雜，產生的裂變產物或者裂變碎片豐富多樣，所以在實際過程中，并不是對每種可能的裂變產物都進行監測跟蹤。下面就是一些常見的長壽命裂變產物，Zr-95、Nb-94、Ru-106、Cs-134、Cs-137、Cs-138、Ce-144、Ba-140等，它們都是高能gamma發射體，能夠在高純鍺探測器上進行分析，其它的還有一些低能gamma發射體，一般電廠不做分析。對半衰期比較長的裂變產物我們要做長期的關注。

5活化產物

5.1　冷卻劑水和溶解于水中的化學物種

水的活化可以產生H-3(2H(n，γ)3H)和N-16(16O(n，p)16N)；由于系統補水、硼化、稀釋、反應性調節和PH調節等引入的化學物種，產生的放射性核素主要有N-16、N-13、C-14、F-18、Zn-65、Na-24和Ar-41。氚的測定在前面已經介紹過，這里主要檢測的核素為Na-24和Ar-41。其它的核素由于半衰期比較短，且是低能gamma發射體，不做分析；

5.2　一次側系統結構材料的腐蝕活化產物

一次側系統設備結構材料主要有下面四種構成：

(1)不銹鋼

(2)因科鎳合金

(3)鋯合金

(4)控制棒

由上面的來源產生的活化產物有：Cr-51、Mn-54、Fe-59、Co-57、Co-58、Co-60、Sb-122、Sb-124、Ag-108m、Ag-110m。對于系統的構成，可能還有其他元素的引進，而引入其它的活化產物，但是了解了這些之后我們就對一次側冷卻劑樣品中出現一些放射性核素就不覺得奇怪了。

5.3　燃料活化放射性產物

核燃料的構成主要為U-235和U-238，所以這些活化的放射性核素主要是U-235和U-238吸收一個中子或者更多中子而形成的超鈾元素，Pu238、Pu239、Pu240、Pu241、Am241、Cm242、Cm244和Np237。這些超鈾元素既可能來自于燃料包殼表面的游離的燃料鈾，也可能來自于燃料包殼破口之后的泄露，所以對他們的長期關注并建立基線跟蹤，可以很好的發現燃料發生破口。

6放化分析對燃料破損的簡易判斷

Gamma譜分析是正常運行階段檢測一回路冷卻劑中所含放射性核素的重要工具。再用gamma譜分析判斷有誤燃料包殼破損時，通常對下述的核素比較關注：

6.1　碘同位素

碘是一種可直接由固態轉化為氣態的元素。從燃料包殼破口轉移到冷卻劑中比惰性氣體困難，但是比其他固態的裂變產物要容易的多。如果在功率運行時，惰性氣體的改變量不大，而碘同位素的比活度在增加，可以認為發生包殼破損的燃料根數不變，但是破口的尺寸在變大。

在碘同位素中131I和133I的半衰期差異較大。前者半衰期為8.021d，后者為20.8h，當燃料包殼破口小時，碘同位素從包殼內轉移到冷卻劑的時間長，由于兩者的半衰期的差別，131I/133I大，則說明破口較小，131I/133I小，則說明破口在變大。因此從131I/133I也可以得到一些燃料包殼破口的信息。

134I是幾個放射性碘同位素中半衰期最短的，它的半衰期為52.6min，可用來做UO2的靈敏指示劑。新燃料投入運行時，如果134I的比活度比其它碘同位素高出很多，可以判斷在包殼外有鈾粉污染，但在反應堆運行的中、后期，134I的活度增加，則可能是燃料包殼有較大破口，使UO2從包殼內沖刷到堆芯中。

6.2　固體裂變產物

在一回路冷卻劑中最容易得到的固體裂變產物是Cs，其次是Ba、La等核素。有這些裂變產物存在，說明破口比單有惰性氣體和碘同位素是更大，因為固體裂變產物更不容易從小破口進入一回路冷卻劑中。由于燃料外表面存在燃料粉塵，所以在我們長期對一些固體裂變產物進行基線跟蹤的時候，如果發現哪一次的裂變產物的劑量發生了異常突越，那么可以表明燃料發生了破口或者破口在變大。

7總結

主回路放射化學監測的目的就在于控制主回路總體放射性劑量水平。通過對特定放射性核素的定期監測和趨勢跟蹤，建立基線，及時發現放射性濃度出現異常，從而及時發現可能的燃料破口，對機組的正常運行和換料運行提供數據支持。放射性氣體很容易進入安全殼大氣，造成在停堆后人員進入安全殼的問題。活化腐蝕產物，例如Co-58和Co-60，都是高能gamma發射體，它們的存在也會造成維修人員工作的障礙。放射化學監測就是要確定放射性核素的劑量水平，根據它們的半衰期，來確定停機后進入安全殼的時間延遲。根據放射性核素的劑量水平來驗證停機、啟機期間化學運行對放射性雜質去除的有效性，期望將堆芯外輻射場降至最低。

參考文獻：

[1]EPAFederalGuidanceReportNo. 11:LimitingValuesofIntakeandAirConcentrationandDoseConversionFactorsforInhalation,Submersion,andIngestion.

[2]Eckerman,K.F.andJ.C.Ryman.1993, "ExternalExposuretoRadionuclidesinAir,Water,andSoil,"FederalGuidanceReportNo. 12,EPA-402-R-.

The primary radiochemical supervision report content Comments

TIANFeng-long

(Shandong Nuclear Power Co., Ltd., Shandong Yantai 265116,China)

Abstract：The primary side radiochemical supervision report reflects the radioactivity level of the unit normal operation, the concentration of radionuclides, as well as fuel status. And levels of radioactivity, radionuclide concentration and fuel status for trend tracking, easy to find abnormal dose levels and fuel break occurs.

Key words：Radiation chemistry; supervision reports; DEI; DEX; activation products; solid fission products.

中圖分類號：O615.1

文獻標志碼：B

文章編號：1003-6490(2015)06-0011-03

作者簡介：田風龍(1985.7)男，回族，寧夏人，學位學士，研究方向：化學分析工作。

收稿日期：2015-12-08