重水堆核電機(jī)組空氣中的氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)1)

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山核電基地是中國(guó)核電的搖籃，是國(guó)內(nèi)核電機(jī)組數(shù)量最多、堆型最豐富、裝機(jī)最大的核電基地，而重水堆核電(CANDU)機(jī)組作為目前國(guó)內(nèi)僅有的兩臺(tái)重水堆機(jī)組，在核電行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。相較于壓水堆機(jī)組放射性產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，存在一種特殊的放射性產(chǎn)物——氚。氚，是氫、氘的同位素，密度小，氚的半衰期為12.43 a，氚在人體內(nèi)的半排期約為10.6 d，在反應(yīng)堆機(jī)組中，氚以氚水蒸氣的形態(tài)廣泛存在，無(wú)色無(wú)味，難于發(fā)現(xiàn)，易通過(guò)人員呼吸系統(tǒng)與皮膚進(jìn)入體，一旦氚蒸汽進(jìn)入人體，它就會(huì)均勻分布全身，對(duì)人體造成持續(xù)的內(nèi)照射污染，對(duì)人體造成傷害，并增加電站人員整體劑量。正常情況下，機(jī)組反應(yīng)堆廠房各個(gè)區(qū)域的氚水平極低，對(duì)人員影響甚微，不會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生影響。在CANDU機(jī)組，氚是重點(diǎn)防護(hù)的放射性產(chǎn)物，根據(jù)核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，工作現(xiàn)場(chǎng)氚水平瞬間上升，極有可能是某些重要回路設(shè)備或管線出現(xiàn)破口，導(dǎo)致一回路放射性重水泄漏，因此，若能及時(shí)快速有效監(jiān)測(cè)到核島區(qū)域的氚放射性水平，就能縮短氚的泄漏時(shí)間，一方面能有效降低重水的泄露，為公司節(jié)約生產(chǎn)成本；另一方面則是有利于保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員。所以，在CANDU機(jī)組運(yùn)行期間，必須對(duì)廠房?jī)?nèi)的氚濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以減少氚對(duì)工作人員的輻射風(fēng)險(xiǎn)[1]。

目前，CANDU機(jī)組空氣中的氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已布局完成，每臺(tái)機(jī)組的取樣點(diǎn)多達(dá)80多處，均勻分布在核島及輔助廠房區(qū)域，有效監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)設(shè)備及泄露高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的氚水平，基本能及時(shí)有效體現(xiàn)出氚放射性水平的變化趨勢(shì)，幫助相關(guān)部門人員及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)氚水平，保證現(xiàn)場(chǎng)工作的順利開(kāi)展。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

空氣中的氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是CANDU機(jī)組重要系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組多個(gè)區(qū)域氚水平，目前，CANDU機(jī)組內(nèi)具有3種型號(hào)的氚監(jiān)測(cè)設(shè)備，具體為B.O.T公司ES-RATM-F型(22臺(tái))、SARTREX公司MODEL 292型(2臺(tái))和OVERHOFF公司的MODEL347型(2臺(tái))，鑒于不同型號(hào)的氚監(jiān)測(cè)設(shè)備在機(jī)組內(nèi)的分布數(shù)量有差別，本文主要討論B.O.T公司生產(chǎn)的氚監(jiān)測(cè)設(shè)備。CANDU機(jī)組中，盡管氚監(jiān)測(cè)設(shè)備雖然型號(hào)和廠家不同，但均采用電離室測(cè)量原理，通過(guò)取樣泵，從監(jiān)測(cè)區(qū)域抽取氣體作為樣品，樣品通過(guò)電離室后，通過(guò)測(cè)量空氣中的氚水平，產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，再通過(guò)多次放大回路，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，顯示在測(cè)量機(jī)柜中。同時(shí)，因系統(tǒng)的重要性，系統(tǒng)后期增加了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能，將測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)CANDU機(jī)組的PI數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示到用戶終端，供用戶使用。

2 系統(tǒng)痛點(diǎn)及解決方案

2.1 研發(fā)專利，開(kāi)發(fā)專用工具，解決電離室標(biāo)定痛點(diǎn)

2.1.1 系統(tǒng)痛點(diǎn)：氚氣源采購(gòu)成本高，工具精度要求高

根據(jù)國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62303—2008[2]和國(guó)標(biāo)GB/T 7165.5—2008[3]的要求，為了保證監(jiān)測(cè)設(shè)備功能完整性，用于氚水平測(cè)量的設(shè)備需根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，定期對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。CANDU機(jī)組中使用的空氣中氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，無(wú)法將設(shè)備整體外送至計(jì)量院進(jìn)行標(biāo)定刻度；此外，測(cè)氚設(shè)備標(biāo)定中需要使用氚氣源，而長(zhǎng)期采購(gòu)氚氣源的難度頗大；同時(shí)，電離室產(chǎn)生的電流信號(hào)通過(guò)屬于fA級(jí)(即10-15～10-14A)，標(biāo)定中需要使用的該等級(jí)的電流源，在國(guó)內(nèi)的使用較少；因此，在線氚監(jiān)測(cè)設(shè)備的在線刻度也是系統(tǒng)的最大痛點(diǎn)。

電離室測(cè)氚設(shè)備的工作原理，是氚水蒸汽進(jìn)入電離室單元，產(chǎn)生微弱的電信號(hào)；而后通過(guò)信號(hào)放大部分，將微弱的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定可測(cè)量的電信號(hào)，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)氚的目的。整套氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核測(cè)部分的標(biāo)定刻度工作具體可分為兩部分，電離室部分及信號(hào)放大部分。CANDU機(jī)組在系統(tǒng)安裝調(diào)試期間，使用了標(biāo)準(zhǔn)的氚氣源對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了一次整體的標(biāo)定刻度，確保了系統(tǒng)功能的完整性。

調(diào)試時(shí)標(biāo)定刻度使用的氚氣源是為該項(xiàng)目定制產(chǎn)品，屬于一次性使用產(chǎn)品，考慮該微型氣瓶可能因壓力的降低，帶來(lái)氚氣源的損耗，標(biāo)定過(guò)程中使用了轉(zhuǎn)運(yùn)袋，導(dǎo)入方案如圖1所示；再通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)袋，將標(biāo)準(zhǔn)的氚氣源用于系統(tǒng)的首次標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，直接驗(yàn)證了測(cè)量功能的完整性。電離室標(biāo)定方案如圖2所示。

圖1 氚氣源導(dǎo)入方案

圖2 氚氣源標(biāo)定方案

2.1.2 解決方案

考慮生產(chǎn)成本及放射源采購(gòu)周期，氚氣源長(zhǎng)期采購(gòu)存在困難，隨著標(biāo)定工作的日常化、標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)，在針對(duì)氚監(jiān)測(cè)設(shè)備的日常標(biāo)定工作中，尋求替換方案，該替換方案可為公司節(jié)約采購(gòu)氚氣源的經(jīng)濟(jì)成本和人力成本。

(1)研發(fā)專利，研發(fā)放射源替代方案

針對(duì)電離室部分的標(biāo)定刻度工作，選擇β射線能量與氚的β射線接近的同一類型β放射性固體源137Cs源，利用氚監(jiān)測(cè)設(shè)備自帶的γ放射性補(bǔ)償特性，可以補(bǔ)償137Cs源的γ放射性對(duì)電離室產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。選擇3個(gè)不同活度等級(jí)β放射性固體源137Cs源，作為電離室部分標(biāo)定刻度工作使用的固體放射源。實(shí)際工作期間，因現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的β放射性固體源137Cs源活度不具備要求的等級(jí)跨度，使用將放射源疊加，產(chǎn)生不同的活度等級(jí)A1、A2、A3。

在測(cè)氚設(shè)備整體功能正常的情況下(即使用氚氣源驗(yàn)證系統(tǒng)功能合格時(shí))，將選擇的固定放射源置于每一個(gè)電離室頂部的幾何中心位置(電離室頂部的圓圈區(qū)域)，分別記錄下設(shè)備此時(shí)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)作為標(biāo)定的原始數(shù)據(jù)。以此數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證電離室單元功能的理論標(biāo)準(zhǔn)，電離室部分標(biāo)定參數(shù)如表1所示，根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)的線性度來(lái)進(jìn)行整體調(diào)節(jié)，確保各個(gè)量程的響應(yīng)數(shù)據(jù)均可滿足誤差范圍。

表1 電離室部分標(biāo)定參數(shù)表

注：1.根據(jù)放射源活度衰變公式，C=A×e-λt;

2.根據(jù)電離室對(duì)相同放射源響應(yīng)參數(shù)，D=K×B×e-λt，其中,K是縮放參數(shù)，由A1、A2、A3、B1、B2、B3算出;

3.誤差F=(E-D)/D×100%

(2)開(kāi)發(fā)專用工具

針對(duì)信號(hào)放大部分的標(biāo)定，主要通過(guò)開(kāi)發(fā)專用工具對(duì)其進(jìn)行信號(hào)傳遞刻度，保證信號(hào)放大部分的功能正常。考慮到電離室對(duì)電流信號(hào)的靈敏性和響應(yīng)周期要求極高，電流信號(hào)的跨量級(jí)跳變會(huì)導(dǎo)致電離室出現(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)，為降低人因風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)的專用工具增加自動(dòng)化控制模塊，使該工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，來(lái)完成信號(hào)放大部分的標(biāo)定工作，以降低人員不合格操作導(dǎo)致設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)如圖3所示。

此專用工具配套將電離室的陽(yáng)極柱引出，通過(guò)高性能專用屏蔽接頭連接，專用工具(該項(xiàng)目中使用的專用工具需按照國(guó)標(biāo)要求，定期送往計(jì)量院進(jìn)行檢定刻度，從而保證標(biāo)定工作的溯源性)，穩(wěn)定輸出的電流信號(hào)(fA級(jí))，輸出電流的具體數(shù)值如表2所示。

經(jīng)過(guò)放大回路的整合后，通過(guò)測(cè)量放大回路的輸出信號(hào)來(lái)標(biāo)定信號(hào)放大回路的功能。考慮電離室在微小電流(fA級(jí)～nA級(jí))工作狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定特性，對(duì)于該專用工具擁有更高的技術(shù)要求，該放大回路的輸入電流信號(hào)盡可能不跨量級(jí)跳變，為此，在專用工具中，利用Labview軟件，制作電流輸出的控制模塊，使放大回路輸入電流信號(hào)自動(dòng)化控制，輸出信號(hào)按用戶要求逐級(jí)變化。同時(shí)，考慮到用戶的多元化以及功能的全面性，將軟件制作成用戶可操作界面，使該專用工具擁有更廣闊的使用空間，供其他用戶使用。

2.2 研發(fā)軟著，解決系統(tǒng)顯示模塊冗余

2.2.1 系統(tǒng)痛點(diǎn)：系統(tǒng)無(wú)顯示模塊設(shè)計(jì)，難于滿足大眾用戶需求

作為CANDU機(jī)組在線監(jiān)測(cè)空氣中氚水平的系統(tǒng)，在項(xiàng)目初期設(shè)計(jì)中，未對(duì)項(xiàng)目的顯示終端進(jìn)行規(guī)劃。導(dǎo)致用戶只能通過(guò)PI系統(tǒng)查看目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4；如果用戶(包括大量的承包商用戶)想自主關(guān)注工作區(qū)域的氚水平，需要用戶具備一定的操作PI系統(tǒng)軟件的技能，同時(shí)，還需要用戶自己查詢目標(biāo)區(qū)域的AI信息，但對(duì)于電廠的多數(shù)用戶(包括大量的承包商用戶)，技能要求過(guò)高，難于實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目在顯示模塊的模糊設(shè)計(jì)存在一定的缺憾，系統(tǒng)最大的功能無(wú)法直觀展示給需求用戶，成為該項(xiàng)目的一大痛點(diǎn)。

圖3 專用工具設(shè)計(jì)圖

PotentiometerBench Source Output(Femto Amps)Vout/mVDisplay Reading/(MBq/m3)Range Lights Status123R2forRange 10.01×10-127.692 3±25%0.284 61±25%ONOFFOFF0.06×10-1246.154±10%1.707 69±10%ONOFFOFF0.35×10-12269.23±10%9.961 53±10%ONOFFOFF0.85×10-12653.85±10%24.192 3±10%ONOFFOFFR4forRange 23.50×10-1226.923±10%99.615 3±10%OFFONOFF18.5×10-1265.385±10%241.923±10%OFFONOFF3.5×10-11269.23±10%996.153±10%OFFONOFF8.5×10-11653.85±10%2 419.23±10%OFFONOFFR6forRange 33.5×10-1026.923±10%9 961.53±10%OFFOFFON8.5×10-1065.385±10%24 192.3±10%OFFOFFON3.5×10-9269.23±10%99 615.3±10%OFFOFFON8.5×10-9653.85±10%241 923.1±10%OFFOFFON

圖4 氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PI數(shù)據(jù)界面

2.2.2 解決方案

對(duì)于電站不同崗位的員工及承包商單位員工來(lái)說(shuō)，使用起來(lái)存在不便，根據(jù)與不同部門員工進(jìn)行的溝通反饋，PI系統(tǒng)曲線顯示的數(shù)據(jù)過(guò)于專業(yè)，導(dǎo)致大多數(shù)人不懂如何利用該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致該系統(tǒng)的功能無(wú)法高效展示。作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，結(jié)合各層級(jí)用戶的需求，在統(tǒng)計(jì)大量的用戶需求后，對(duì)癥下藥，自主研發(fā)制作了兩種新的顯示終端，數(shù)字化氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示終端和可視化氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示終端，并用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)：

1) 為了盡可能滿足現(xiàn)場(chǎng)工作者(包括大量的承包商員工)的需要，即讓用戶進(jìn)入目標(biāo)房間或區(qū)域前，清晰了解目標(biāo)房間或區(qū)域的氚水平，研發(fā)制作了數(shù)字化顯示終端，并將其映射到輻射控制區(qū)的邊界，使進(jìn)入輻射控制區(qū)的工作人員清晰直觀看到真實(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)字化氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示終端如圖5所示。

數(shù)字化顯示終端從PI系統(tǒng)實(shí)時(shí)抓取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)信號(hào)電纜直接將信號(hào)傳輸?shù)斤@示終端，同時(shí)通過(guò)編寫的顯示軟件，將每臺(tái)機(jī)組所有的氚水平數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在輻射控制區(qū)的邊界，工作人員在進(jìn)入目標(biāo)房間或區(qū)域前，通常會(huì)自覺(jué)查看該房間的氚水平數(shù)據(jù)，若該數(shù)據(jù)異常時(shí)，通常會(huì)咨詢輻射防護(hù)人員，了解現(xiàn)場(chǎng)情況。

2) 針對(duì)運(yùn)行決策部門用戶來(lái)說(shuō)，該類用戶不僅需要實(shí)時(shí)清晰了解現(xiàn)場(chǎng)的氚水平，而且出現(xiàn)氚水平異常的情況下，他們需要盡可能快速弄清氚水平異常的根本原因，例如，快速判斷氚水平異常的區(qū)域及周邊區(qū)域(包括水平及縱深方向)是否存在工作組？若存在，應(yīng)第一時(shí)間通知相關(guān)區(qū)域的工作組成員及時(shí)撤離相關(guān)區(qū)域；快速定位氚水平異常的區(qū)域有哪些系統(tǒng)設(shè)備存在破口泄漏的風(fēng)險(xiǎn)、泄漏量屬于什么程度等等。對(duì)于運(yùn)行決策部門用戶，在時(shí)效性上做出了更高的需求，同時(shí)，針對(duì)泄漏房間或區(qū)域存在潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，也作為同樣重要的因素，只有在各方面信息迅速呈現(xiàn)至該類用戶面前，才能做出最正確的決策，減少經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，還能盡最大程度保護(hù)核安全及人員安全。為此研發(fā)制作了可視化氚監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。

該顯示系統(tǒng)已收集了大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要包括現(xiàn)場(chǎng)房間布置、房間設(shè)備布置、涉重水系統(tǒng)設(shè)備布置、房間報(bào)警閾值、高風(fēng)險(xiǎn)操作區(qū)域布置等，利用大數(shù)據(jù)，將反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部的所有房間或區(qū)域以三維立體的成果展示在用戶面前。該系統(tǒng)整體采用C/S客戶端和服務(wù)器端框架，服務(wù)器端負(fù)責(zé)提供顯示數(shù)據(jù)，客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示和操作的響應(yīng)。該前端界面采用Vue-Electron 1.0.6顯示框架和VUE 2.3.3組件框架，后臺(tái)采用C++數(shù)據(jù)服務(wù)器。后端服務(wù)器采用VC++6.0為編輯器，采用語(yǔ)言為C++，編譯環(huán)境為Windows7X64，運(yùn)行環(huán)境為Windows7X64,數(shù)據(jù)獲取采用PISDK2016版本接口API程序。服務(wù)器采用Select技術(shù)模型，用于監(jiān)聽(tīng)外部連接，提供以標(biāo)準(zhǔn)JSON格式的HTTP服務(wù)將數(shù)據(jù)傳遞到前端。前端編輯器為WebStrom,采用語(yǔ)言為JS，編譯環(huán)境為Windows10X64，程序運(yùn)行環(huán)境為Windows X86和X64系統(tǒng)，如圖6所示。前端通過(guò)異步http請(qǐng)求獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)VUE組件框架組成標(biāo)準(zhǔn)HTML頁(yè)面，由Electron框架提供的瀏覽器內(nèi)核渲染成應(yīng)用界面進(jìn)行展示。該軟件由于采用了Vue-Electron框架，具有良好的可移植性，可通過(guò)不同平臺(tái)編譯形成Mac、Windows、Linux、Web上的應(yīng)用。

圖5 數(shù)字化氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示終端

圖6 可視化氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示終端編程器

正常運(yùn)行期間，系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)從PI系統(tǒng)抓取氚水平數(shù)據(jù)，直接呈現(xiàn)給該類用戶，如圖7所示。當(dāng)某房間或區(qū)域的氚水平超過(guò)報(bào)警閾值，該系統(tǒng)能出現(xiàn)紅色的持續(xù)報(bào)警狀態(tài)，此時(shí)，該類用戶可直接利用反應(yīng)堆呼叫系統(tǒng)，第一時(shí)間通知對(duì)應(yīng)房間或區(qū)域的員工及時(shí)從高氚水平現(xiàn)場(chǎng)撤離，返回至安全區(qū)域；然后，通過(guò)該軟件，可快速查看該房間存在哪些涉重水系統(tǒng)及設(shè)備，快速分析判斷是否引起其他的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，準(zhǔn)確快速將反應(yīng)堆置于安全可靠狀態(tài)；同時(shí)，安排現(xiàn)場(chǎng)人員快速確定準(zhǔn)確漏點(diǎn)、泄漏量，準(zhǔn)確快速?zèng)Q策出最合理化方案，快速安全處理該異常工況。

圖7 可視化氚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示終端

3 結(jié)束語(yǔ)

CANDU機(jī)組目前有3種型號(hào)的空氣中的氚監(jiān)測(cè)設(shè)備仍在使用，根據(jù)接下來(lái)的工作計(jì)劃，后續(xù)將陸續(xù)統(tǒng)一成同一型號(hào)(B.O.T公司生產(chǎn)的ES-RATM-F型)設(shè)備，便于后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)及成本控制。本文結(jié)合該設(shè)備存在的主要痛點(diǎn)進(jìn)行了討論，同時(shí)，針對(duì)痛點(diǎn)，對(duì)癥下藥，自主開(kāi)發(fā)研制了配套軟件、開(kāi)發(fā)專用工器具、制定合理可行的專業(yè)方案，方便各類型的用戶使用，降低設(shè)備痛點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中的影響。作者相信，該系統(tǒng)將長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，為CANDU機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，打造堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。