電廠核島設備冷卻水系統放射性異常的響應分析及對策處理

□劉志遠

一、引言

安全導則HAF0213《核電廠反應堆冷卻劑系統及其有關系統》規定中間冷卻系統的安全功能是：1)將熱量從“冷卻劑系統”或其他安全重要熱源傳輸到最終熱阱；2)對放射性彌散或對化學污染物進入冷卻劑起屏障作用。某電廠的重要用戶中間回路冷卻水系統安全功能同導則中的中間冷卻系統。

某電廠重要用戶中間回路冷卻水系統由四個相互獨立(工藝和供電)的通道組成。40系列是向反應堆廠房以及核輔助廠房中正常運行的用戶提供冷卻水以及向安全廠房中第四系列的安全系統用戶提供冷卻水。目前已經多次出現系統大于1.0E+04Bq/m3放射性報警事件，升級為機組十大缺陷之一。

二、冷卻水放射性異常時的原因分析

在放射性報警時化學取樣分析可知最主要的核素是42K和24Na。42K放射性核素是一回路的活化產物，只存在于一回路，其半衰期只有12.36小時，所以存在泄漏的用戶一定是和一回路相關的。24Na與42K是某類型機組一回路冷卻劑獨有的核素，所以冷卻水出現以上核素，并長時間保持穩定或者上漲，說明是一回路冷卻劑持續的進入冷卻水系統。

一回路燃料在某些循環燃料組件出現缺陷，使得在功率運行期間一回路總碘、惰性氣體等核素的比活度明顯上漲。某循環燃料出現氣密性缺失時，一回路冷卻劑出現較高活度的惰性氣體、碘和銫等裂變產物，冷卻水系統的放射性報警升級到二級閾值報警，同時出現碘、惰性氣體等一回路冷卻劑燃料氣密性缺失的特征核素。而且133Xe的活度濃度要高于42K的活度濃度，此時一回路冷卻劑中42K活度濃度為1.0E+07Bq/L水平，133Xe為2.0E+06Bq/L水放射性報警時一回路向核島設備冷卻水系統泄漏量的計算。

(一)利用42K示蹤計算一回路向核島設備冷卻水系統泄漏量(平衡狀態)。系統放射性持續報警時，總γ活度濃度處于相對平衡狀態，一回路的42K的活度濃度為A0Bq/L，對應泄露時的核島設備冷卻水系統42K活度濃度為A1Bq/L。核島設備冷卻水系統水裝量為90m3；換水流量為F(L/h)。凈化系統流量為40m3/h。以t(h)的時間為例，計算泄露量Q(L/h)：

B1為一回路向核島設備冷卻水系統的泄露42K的原子個數：

B1=Q*A0/λ

B2為核島設備冷卻水系統中因衰變而減少的42K的原子個數：

B2=V冷卻水系統*A1(1-e-0.056*t)/λ

B3為因換水而減少的42K的個數：

B3=F換水*t*A1/λ

B4為凈化而減少的42K的原子個數：

B4=F凈化流量*t*A1/λ

根據物料守恒原則，利用同位素42K示蹤計算一回路向核島設備冷卻水系統泄露量：

B1=B2+B3+B4

化簡為

放化實驗室的高純鍺γ譜儀42K的檢測下限為1.0E+04Bq/m3，一回路冷卻劑的42K活度濃度為1.0E+06～2.0E+07Bq/L，按照公式計算理論的計算的最小泄漏量為0.006L/h，考慮放化儀器的誤差要求≤20%，按照此模型計算可以得出準確的最小泄漏量為0.01L/h的水平。

(二)利用3H示蹤計算一回路向核島設備冷卻水系統泄漏量(非平衡狀態)。放射性報警總γ活度濃度處于上漲狀態時，因系統內的42K沒有達到平衡狀態，無法利用物料守恒計算。而3H的半衰期長達12.3年，所以利用3H示蹤計算泄漏量，就不需要考慮衰變引入的變化量，且凈化床對3H核素沒有凈化效果。3H活度濃度的損失量只有因換水F(L/h)減少。一回路的3H的活度濃度為A3Bq/m3(3H活度比較穩定)，對應泄露開始，放射性上漲時核島設備冷卻水系統的初始3H活度濃度為A4Bq/m3，經過t時間，核島設備冷卻水系統3H活度濃度為A5。以t時間段內，計算平均泄漏量Q：

但是由于3H使用的液體閃爍儀測量，與高純鍺γ譜儀原理不同，靈敏度比較高但是測量的重現性比較差。會造成測量數據上有一定的波動，所以3H示蹤計算一回路向核島設備冷卻水系統的泄漏量，適合總γ活度濃度處于上漲狀態時，無法利用42K示蹤計算泄露量的替代手段。

三、降低核島設備冷卻水系統放射性的控制方法

一回路燃料沒有出現破損的時候，冷卻水出現放射性報警時，總γ的貢獻一般為42K、24Na兩種核素。由于一回路24Na一般比42K小1～2個數量級，所以泄漏量較小，冷卻水放射性觸發報警時，核素分析一般只有42K、3H。而3H為純β衰變，對總γ沒有影響。

以上情況時，降低核島設備冷卻水系統放射性的最佳方法是投運凈化床循環凈化冷卻水，系統放射性會迅速降低，最終達到平衡。由于系統換水流量為一般為300L/h，而投運凈化床流量為40m3/h。以上兩種方式相比，投床效果更有效。

在確認機組有燃料氣密性缺失的情況下，一回路Xe、Kr等氣體裂變產物會增大，那么相應的，冷卻水中的Xe、Kr等核素也會占據很大比重，而Xe等惰性氣體無法去除；同時碘同位素衰變會導致Xe活度的上漲和積累。當133Xe的累計量大于42K的去除量時，核島設備冷卻水系統將不能通過床進行凈化。

以上情況時，考慮到一回路燃料氣密性缺失的情況下，核島設備冷卻水系統放射性在處于上漲且較高水平，為有效降低放射性，采取投運凈化床的同時加大換水流量是有效控制和維持放射性的手段。

四、結語

電站重要用戶中間回路冷卻水系統由于設備老化、缺陷等問題，造成一回路冷卻劑向冷卻系統泄露的嚴重危害。通過依據物料守恒的模型和源項篩查的方法，成功的從實踐中歸納出一回路向核島設備冷卻水系統泄露觸發放射性報警時的有效處理方法。一是利用某類型電廠一回路冷卻劑的特征核素42K、3H做為特征核素，通過建模計算較準確地獲知一回路向中間回路冷卻系統的泄露量，即時判系統斷缺陷狀態。二是根據中間冷卻回路的核素特征，合理利用投混床凈化和換水兩種手段，可對核島設備冷卻水系統放射性的上漲起到明顯抑制作用。三是歸納總結出設備冷卻水系統放射性異常時的通用相應措施。