燃料元件破損在線監(jiān)測裝置的試驗研究

孫偉中，雷小兵，茍家元

(中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610005)

燃料元件破損在線監(jiān)測裝置的試驗研究

孫偉中，雷小兵，茍家元

(中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610005)

為進一步進行燃料元件故障監(jiān)測技術(shù)研究，開展了燃料元件破損在線監(jiān)測裝置在HFETR上的試驗研究工作。本文對試驗結(jié)果進行了討論與分析，發(fā)現(xiàn)了“碘坑”現(xiàn)象和啟堆時135Xe中毒現(xiàn)象，這兩個現(xiàn)象都與理論分析結(jié)論一致。同時也將裝置監(jiān)測的結(jié)果與實驗室取樣測量結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)裝置的監(jiān)測結(jié)果與實驗室測量結(jié)果符合較好。試驗研究表明，燃料元件破損在線監(jiān)測裝置具備了在一回路水復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)跟蹤目標(biāo)核素進行定性及定量監(jiān)測的能力，具備了在實際工程應(yīng)用能力。

元件破損；在線監(jiān)測；HFETR；試驗；目標(biāo)核素

反應(yīng)堆燃料元件發(fā)生破損時，將釋放大量的放射性核素進入一回路冷卻劑中，對一回路冷卻劑中放射性核素含量變化的監(jiān)測，能夠及時、有效的判斷燃料元件是否破損及破損的程度[1]，這對反應(yīng)堆的安全運行具有重大意義。

目前，幾乎所有的反應(yīng)堆都對一回路冷卻劑中的放射性核素進行了監(jiān)測，通常的方法有兩種。一種方法為人工取樣測量，可以實現(xiàn)對一回路冷卻劑中的放射性核素的測量分析，這種方法測量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但時效性差，不能及時反應(yīng)一回路冷卻中放射性核素含量的變化，當(dāng)燃料元件發(fā)生破損時，不能及時發(fā)現(xiàn)，為事件處理決策及事件后果的評價提供依據(jù)。另一種方法為在線直接測量，即一回路冷卻劑總γ測量和緩發(fā)中子測量，這種方法技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。但是，這種測量不能實現(xiàn)對一回路冷卻中放射性核素的分辨，由于一回路冷卻劑中放射性核素含量的變化受其他很多因素的影響，所以總γ放射性水平及緩發(fā)中子水平的變化并不能準(zhǔn)確反應(yīng)燃料元件破損的程度。

因此，結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)點，設(shè)計出了一套燃料元件破損在線監(jiān)測裝置，既能實現(xiàn)放射性核素在線自動測量，又具有放射性核素分辨的功能。為了進一步測試驗證裝置的實際應(yīng)用的各種性能指標(biāo)，在HFETR(高通量工程試驗堆)上進行了試驗研究。

1 裝置原理及組成

燃料元件破損在線監(jiān)測裝置主要由高純鍺探測器、電制冷機、數(shù)字化譜儀、專用控制器(內(nèi)置UPS電源)、源檢器、計算機及專用軟件組成，裝置原理如圖1所示。裝置的正常工作流程如下。

圖1 裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the device

(1) 裝置總電源上電，專用控制器處于待機狀態(tài)；

(2) 啟動計算機，專用控制器檢測到計算機啟動的一個信號，憑這一信號喚醒專用控制器，給電制冷機、數(shù)字化譜儀等供電，制冷啟動；

(3) 計算機啟動后，專用軟件自動啟動，并等待制冷溫度達到設(shè)置值，當(dāng)滿足要求時，數(shù)字化譜儀獲得一個信號，這時允許軟件給探測器施加高壓(約3500V)；

(4) 獲得高壓后，探測器開始正常工作，輸出脈沖，經(jīng)譜儀采集，在計算機上進一步統(tǒng)計、分析。

裝置運行時如果外電源突然失電，專用控制器內(nèi)部的UPS電源將自動啟動工作，繼續(xù)維持裝置工作，同時，計算機將通過USB接口檢測到外電源失電，立即啟動關(guān)機程序：緩慢關(guān)閉高壓、軟關(guān)機。最后完全關(guān)閉系統(tǒng)。這一設(shè)計可實現(xiàn)掉電時對探測器、數(shù)據(jù)的保護。

關(guān)機時，只需按下計算機上的關(guān)機鍵，程序?qū)⒆詣油瓿梢幌盗斜Ｗo性關(guān)機，而不必用鼠標(biāo)或鍵盤進行一系列復(fù)雜操縱，這可有效簡化操作程序，減少人因出錯概率。

2 試驗?zāi)康募斑^程

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

開展燃料元件破損在線監(jiān)測裝置的試驗研究主要有兩個目的：

(1) 靜態(tài)試驗：在實驗室環(huán)境下，裝置能否對固體放射源響應(yīng)且自動連續(xù)跟蹤放射源核素；

(2) 在線試驗：在HFETR上，裝置能否復(fù)雜環(huán)境下對一回路水中放射性核素響應(yīng)且實現(xiàn)目標(biāo)核素的自動連續(xù)跟蹤。

2.2 試驗過程

2.2.1 靜態(tài)試驗

在裝置處于正常工作狀態(tài)下，用實驗室固體137Cs源測試裝置響應(yīng)情況，同時測試裝置自動連續(xù)跟蹤137Cs核素狀態(tài)。

2.2.2 在線試驗

在線試驗主要是在HFETR上試驗燃料元件破損在線監(jiān)測裝置能否在一回路水復(fù)雜環(huán)境下自動跟蹤目標(biāo)核素。裝置的試驗具體位置為HFETR破損系統(tǒng)間，選取房間中的破探回路一段取樣管(凈化前)為監(jiān)測目標(biāo)。具體步驟如下：

(1) 調(diào)整高純鍺探測器與取樣管之間的距離，使得探測器計數(shù)率處于有利于測量但不導(dǎo)致探測器阻塞的狀態(tài)。確定探測器位置后，繼續(xù)連接裝置后續(xù)的配套部件，完成裝置在線試驗的組裝，進而進行在線研究。

(2) 目標(biāo)核素選取

當(dāng)前，比較容易測量出的一回路水中主要典型裂變核素有[1]：

氣體組：133Xe，133mXe，135Xe，138Xe，85mKr，87Kr，88Kr；

碘組：131I，133I，134I，135I；

銫組：134Cs，137Cs。

這些裂變核素雖然可用于分析燃料元件破損狀況，但是一回路水中放射性核素γ能譜復(fù)雜，干擾因素很多。需要對上述核素甄別，選取易監(jiān)測，干擾小的幾個主要裂變核素，作為燃料元件破損目標(biāo)跟蹤核素。

在元件破損的實時監(jiān)測中主要干擾因素有，一回路水中活化腐蝕產(chǎn)物的γ輻射、水的中子活化產(chǎn)物19O及16N的γ光子、湮沒輻射及探測器有鉛層屏蔽是由高能γ產(chǎn)生的Pb X射線[2-4]。一回路水中活化腐蝕產(chǎn)物γ能譜的分布較廣，特別是800～2000 keV，元件破損目標(biāo)核素的光子不宜選擇在此能量區(qū)域。水的中子活化產(chǎn)物主要產(chǎn)物是19O及16N，16N的6134keV主γ及其另一些高能γ不僅會在探測器內(nèi)增加嚴(yán)重的散射本底，而且會在探測器包殼或監(jiān)測點附近結(jié)構(gòu)材料中產(chǎn)生電子對效應(yīng)從而生成511 keV的湮沒輻射，其能量與132I的522.6 keV、133I的529.5 keV及135I的526.3 keV相接近，會對監(jiān)測造成很大的干擾。

考慮活化腐蝕產(chǎn)物、水活化產(chǎn)物、湮沒輻射的影響，同時結(jié)合燃料元件破損通常監(jiān)測的典型核素情況，選取88Kr、131I、135Xe、137Cs這4個裂變核素作為燃料元件破損在線監(jiān)測的目標(biāo)核素。其中，137Cs、131I的特征峰能量分別為661.66keV和364.49keV，由反應(yīng)堆一回路水監(jiān)測的γ能譜可知，兩個能峰附近很潔凈，無其他特征峰造成干擾。一旦發(fā)生元件破損，由于目標(biāo)核素137Cs、131I的產(chǎn)額較高，使得一回路水中137Cs、131I的放射性核素很快升高，其特征峰容易在一回路水能譜的本底上凸顯出來，即可定量、定性監(jiān)測到元件的破損[2-4]。60Co作為活化產(chǎn)物，在一回路水中始終存在且比較穩(wěn)定，可作為監(jiān)測的參考核素。所以，選擇的目標(biāo)放射性核素分別是60Co、88Kr、131I、135Xe、137Cs，這5個核素的詳細信息見表1。另外，這5個核素的半衰期大于監(jiān)測出元件破損的時間(幾分鐘)，不必考慮其活度在破探回路不同位置及自身衰變的變化。

表1 目標(biāo)核素主要信息Table1 Main information of the target nuclides

(3) 啟動裝置，連續(xù)監(jiān)測至少一個啟停堆周期。

(4) 獲取數(shù)據(jù)，進行分析并與實驗室測量結(jié)果進行對比，評價其監(jiān)測能力。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)試驗

在裝置正常運行時，將固體137Cs源貼近高純鍺探頭靈敏區(qū)，查看目標(biāo)核素跟蹤軟件，結(jié)果表明裝置源響應(yīng)正常。

如圖2所示，裝置只跟蹤了放射源核素137Cs，當(dāng)137Cs源沒有放在高純鍺探頭靈敏區(qū)時，裝置監(jiān)測到的只是本底；而當(dāng)137Cs源放在高純鍺探頭靈敏區(qū)時，137Cs計數(shù)立刻上升，監(jiān)測跟蹤一段時間，計數(shù)一直保持穩(wěn)定；再把137Cs源移走，計數(shù)立刻下降到本底水平。如此反復(fù)試驗了幾次，裝置總是能夠及時響應(yīng)，這表明裝置在靜態(tài)測試時源響應(yīng)正常。

圖2 裝置源響應(yīng)曲線Fig.2 Curve for source response of the device

3.2 在線試驗

在HFETR上共測試三個爐次，分別是87-Ⅱ爐：測試30天；88-Ⅰ爐：測試30天；88-Ⅱ爐：測試15天。在這三個爐次期間，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)，從一回路水中目標(biāo)核素含量隨時間的變化情況，發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)象，對這些現(xiàn)象進行了說明與分析，并且將裝置監(jiān)測結(jié)果與實驗室測量結(jié)果進行對比，從而來驗證裝置的監(jiān)測能力。

3.2.1 “碘坑”現(xiàn)象

88-Ⅰ爐停堆后，裝置監(jiān)測到“碘坑”現(xiàn)象，即在2013年12月24日停堆后，一回路水中的135Xe的含量并沒有減少，反而繼續(xù)增加。如圖3所示，在停堆前一天，即2013年12月23日，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示一回路水中135Xe的含量一直保持穩(wěn)定。在停堆當(dāng)日，一回路水中135Xe的濃度開始增加。在停堆一天后，即25日，135Xe的含量達到最大值逐漸減少，在停堆2天后，即27日，監(jiān)測到的135Xe的含量已經(jīng)是測量本底。“碘坑”現(xiàn)象主要是由于停堆后裂變對135Xe的直接產(chǎn)生率也近似等于零，但是堆內(nèi)存在的135I繼續(xù)衰變成135Xe，而135Xe卻不能再吸收中子而消失了，同時由于135Xe的半衰期大于135I的半衰期，因而在停堆一段時間內(nèi)135Xe含量反而增加[5]。但是，由于停堆后沒有新的135I產(chǎn)生，135Xe濃度達到某一極值后，逐漸減小。

圖3 反應(yīng)堆關(guān)閉時一回路水中135Xe計數(shù)隨運行時間變化曲線Fig.3 Curve for counts of 135Xe in primary loop with change of operating time during shut-down of reactor

3.2.2 啟堆時135Xe中毒現(xiàn)象

HFETR的88-Ⅱ爐于2014年1月4日開堆，裝置監(jiān)測到了135Xe中毒現(xiàn)象，見圖4。在開堆前，即2014年1月3日時一回路水中135Xe濃度在測量本底水平，2014年1月4日開堆后135Xe計數(shù)迅速增加并且趨近飽和，這就是反應(yīng)堆啟動135Xe中毒現(xiàn)象。對于一個新的堆芯，135I和135Xe的初始濃度都等于零，反應(yīng)堆開始啟動后，135I和135Xe的濃度都隨著運行時間的增加而增加，當(dāng)運行一段時間后，135I和135Xe的濃度都達到了平衡濃度，即135I和135Xe核的產(chǎn)生率正好等于其消失率，因而它們的濃度將保持不變。

圖4 反應(yīng)堆啟動時一回路水中135Xe計數(shù)隨運行時間變化曲線Fig.4 Curve for counts of 135Xe in primary loop with change of operating time during start-up of reactor

“碘坑”現(xiàn)象和啟堆時135Xe中毒現(xiàn)象都是已經(jīng)經(jīng)過詳細理論分析與實驗驗證的現(xiàn)象，而裝置的監(jiān)測結(jié)果與實際情況一致，這就驗證裝置具備了目標(biāo)核素定性監(jiān)測能力且是可信的。

3.2.3 目標(biāo)核素跟蹤

在HFETR的88-Ⅱ爐一回路水中跟蹤的目標(biāo)核素含量隨時間變化情況見圖5，135Xe濃度隨時間變化情況在上部分詳細描述過。除了135Xe，88Kr含量變化趨勢與135Xe一致，即開堆后迅速增加，并隨著堆的運行，逐漸趨于飽和，飽和后濃度88Kr要比135Xe少2倍左右。131I的計數(shù)沒有受啟堆的影響，一直保持在測量本底水平。137Cs和60Co的計數(shù)卻在開堆后不斷減小，當(dāng)堆運行一段時間后保持穩(wěn)定。

圖5 一回路水中目標(biāo)核素計數(shù)隨運行時間變化曲線Fig.5 Curve for counts of target nuclides in primary loop with change of operating time

3.2.4 與實驗室測量結(jié)果比較

圖6表示的是2014年1月3日至14日期間實驗室取一回路水樣測量目標(biāo)核素的活度濃度，每天測一次；圖中實線為擬合的變化趨勢線。由圖6可知，135Xe的活度濃度隨反應(yīng)堆運行而逐漸增加，并達到飽和。85Kr的變化趨勢與135Xe相似，但活度濃度要比135Xe小，131I的活度濃度隨運行時間變化較小，一直保持穩(wěn)定。將圖5與圖6比較發(fā)現(xiàn)，實驗室測量與裝置監(jiān)測的目標(biāo)核素變化趨勢完全是一致的，而且目標(biāo)核素含量之間的大小關(guān)系也是一致的，這也進一步驗證了裝置在定性監(jiān)測上是可靠可信的。

圖6 實驗室測量目標(biāo)核素活度濃度隨運行時間變化曲線Fig.6 Curve for activity concentration of target nuclides by laboratory method with change of operating time

88-Ⅱ爐期間，一回路水中裝置監(jiān)測及實驗室測量的135Xe與131I的比值見圖7。由圖7可知，裝置監(jiān)測135Xe與131I的比值與實驗室測量比值符合的較好，從而在一定程序上驗證了裝置的定性監(jiān)測能力。

圖7 實驗測量與裝置監(jiān)測目標(biāo)核素135Xe與131I比值對比圖Fig.7 Contrast figure for ratio of 135Xe and 131I measured respectively by laboratory method and the device

4 結(jié)論

通過燃料元件破損在線監(jiān)測裝置的試驗研究，得出以下結(jié)論：

(1) 裝置在實驗室環(huán)境下的源響應(yīng)正常且能自動連續(xù)跟蹤目標(biāo)核素。

(2) 裝置在HFETR上監(jiān)測到的“碘坑”現(xiàn)象和啟堆時135Xe中毒現(xiàn)象都與實際情況結(jié)論一致，而且裝置跟蹤目標(biāo)核素情況與實驗室取樣測量結(jié)果符合較好，從而驗證了裝置具備了在一回路水復(fù)雜環(huán)境條件下自動連續(xù)跟蹤目標(biāo)核素以及定性定量監(jiān)測能力，具備實際工程應(yīng)用能力。

5 展望

需要說明的是，現(xiàn)階段的試驗研究只是從驗證在線監(jiān)測裝置功能的角度從發(fā)，并不是真正意義上的燃料元件破損在線監(jiān)測試驗。裝置只是一個“工具”，并且該“工具”經(jīng)過試驗具備了在一回路水復(fù)雜環(huán)境下實時監(jiān)測目標(biāo)核素的能力。真正的燃料元件破損在線監(jiān)測，還需要進一步確定破損在線監(jiān)測的目標(biāo)核素及其閾值，而且要在真正意義上的破損回路上進行試驗，這還需進一步的理論與試驗研究。

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TheTestofOnlineMonitoringDeviceforFuelElementRupture

SUNWei-zhong，LEIXiao-bing，GOUJia-yuan

(Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610005，China)

In order to study the technology of fuel element rupture monitoring further，the test of the online monitoring device for fuel element rupture on HFETR was done. This paper described the test results and analysis. The iodine well phenomenon and xenon poisoning phenomenon were found，and there were agreed with theory. Moreover，the monitoring results of the prototype also accord with laboratories results. So the test results confirmed that the device have a ability of monitoring target nuclides in primary loop.

Fuel element rupture；Online monitoring；HFETR；Test；Target nuclides

2017-11-06

孫偉中(1986—)，男，江蘇鹽城人，助理研究員，碩士，現(xiàn)從事輻射防護與監(jiān)測方面工作

：TL363

A

0258-0918(2017)06-1033-06