壓水堆核電站泄漏監(jiān)測原理及方案研究

夏祖國

（中琺國際核能工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

核電站運行壽期內，冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界上的設備不可避免地因正常運行磨損、機械損傷、化學腐蝕或疲勞而老化，導致反應堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生微量的泄漏。冷卻劑的泄漏可能會導致硼酸腐蝕，一回路水應力腐蝕破裂和晶間應力腐蝕開裂等現(xiàn)象，進而嚴重危及到冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的完整性，引發(fā)失水事故。

同時，核電站設計中采用破前漏[1]技術，在考慮一定的安全裕量情況下，通過泄漏監(jiān)測系統(tǒng)測得的泄漏率來反推此時發(fā)生泄漏的裂紋長度，進而通過斷裂力學分析判斷該裂紋是否會失穩(wěn)，是否會發(fā)生雙端剪切斷裂，泄漏監(jiān)測是破前漏技術應用的基礎。

為了降低失水事故的風險，且滿足破前漏分析的要求，核電站應該設置對應的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，盡可能提前發(fā)現(xiàn)泄漏，并采取適當的措施對泄漏做出響應，以控制不良后果繼續(xù)蔓延。因此，在核電站的設計中，對于反應堆冷卻劑系統(tǒng)等重要的系統(tǒng)或設備，根據法規(guī)要求需要設置對應的泄漏監(jiān)測手段或者系統(tǒng)[2-4]。

1 泄漏的物理過程

壓水堆核電站的泄漏分為兩大類：可確定泄漏和不可確定泄漏。泄漏監(jiān)測的對象主要是安全殼內一回路和二回路高能管道，破前漏技術應用主要也是針對這些管道開展。

1.1 可確定泄漏收集

可確定泄漏主要是因閥門密封、設備密封、法蘭密封等退化或失效造成。通過有效的監(jiān)測，可以很好地確定泄漏源和泄漏量，也能夠與不確定泄漏進行區(qū)分。對重要的可確定泄漏源，應設置泄漏收集和測量系統(tǒng)，收集其源漏出的蒸汽和液體，實現(xiàn)泄漏的定量和定位。可確定泄漏不是破前漏技術關心的。

1.2 不可確定泄漏的物理過程

不可確定泄漏主要指管壁（包括焊縫）或承壓容器壁的結構發(fā)生不可隔離破損引起的泄漏，這些泄漏沒有被收集而是釋放到安全殼大氣中。在破前漏分析中主要關注的是這類泄漏。

以反應堆冷卻劑系統(tǒng)為例，管道出現(xiàn)穿壁裂紋泄漏至安全殼內的過程，大致可劃分為4 個物理過程：

1）破口處的臨界流過程。

2）水蒸汽在保溫層內壁與管道外壁之間的擴散過程。

3）蒸汽穿過保溫層進入設備隔間、安全殼空間內的擴散過程。

4）液態(tài)直接進入地坑，濕空氣在冷卻盤管表面內冷凝成液體水的過程。

泄漏在管道破口附近主要發(fā)生的物理現(xiàn)象如圖1 所示，主要會引起以下幾個對象數值或者狀態(tài)的變化：

聲音：在管道表面以縱波和橫波方式傳播，在空氣中以縱波方式傳播。

濕度：由于分子熱運動加上初始噴射的動能，汽液兩相混合物會在管道與保溫層之間的間隙內擴散，帶來濕度和溫度的變化，穿越保溫層后彌散到安全殼內也有濕度的變化。

溫度：在泄漏管道表面，泄漏附近的設備隔間都有變化。

放射性：一回路水含各種核素Ar、Kr、Xe、N-13、N-16、F-18，會引起放射性強度變化。監(jiān)測放射性可以用來區(qū)分一回路與二回路的泄漏。

化學性質：由于一回路含慢化劑硼酸，釋放到安全殼會帶來化學性質變化，可以用來區(qū)分一回路與二回路的泄漏。

壓力：當泄漏量很大，會引起安全殼內壓力的變化。

圖像：由于一、二回路的高溫高壓的冷卻劑噴放過程中與空氣能量交換，壓力的突降而發(fā)生閃蒸，會形成汽霧，持續(xù)一段時間后一回路的硼酸會在管道表面形成硼酸結晶。這些現(xiàn)象可以通過巡視或攝像系統(tǒng)觀察。

圖1 不可確定泄漏的模型Fig.1 The model of unidentified leakage

質量流：兩相混合物中的水通過地漏、管道、最終在重力的作用下匯入安全殼地坑，蒸汽則由安全殼內布置的風管吸入，在冷凍水作用下發(fā)生冷凝，最終冷凝液進入地坑與破口噴放的兩相混合物中的水混合。

在泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設計中，可以根據監(jiān)測精度需要，監(jiān)測實現(xiàn)的難易程度，針對不同的物理量，采用不同的監(jiān)測方法。

2 泄漏的發(fā)展及對應的監(jiān)測方法

當壓水堆核電站高能管道發(fā)生泄漏時，針對泄漏的發(fā)展過程，對應的監(jiān)測方法如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，可確定泄漏主要發(fā)生在閥門密封、主要設備，如反應堆壓力容器法蘭和封頭法蘭密封，以及一回路向與相連系統(tǒng)的連接處等。對應不同的泄漏源，通過不同收集管道進行收集和監(jiān)測。泄漏監(jiān)測系統(tǒng)必須收集或隔離從可確定泄漏源漏入安全殼的泄漏，以便對可確定泄漏與不可確定泄漏分別進行監(jiān)測，提升泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對不可確定泄漏的監(jiān)測精度。

不可確定泄漏主要指管壁（包括焊縫）或壓力容器壁的材料發(fā)生破損引起的泄漏。通常有效的監(jiān)測方法如下：

1）當發(fā)生小破口失水事故時，當高溫高壓介質從承壓邊界穿壁裂縫或腐蝕孔逃逸時，將會產生兩種聲信號[5]：空氣傳播的人耳聽覺領域內的聲波信號；金屬邊界中傳播的應力波信號。這兩種信號均是連續(xù)性信號，并攜帶著泄漏點的特征信息（如漏孔形狀、大小、位置和泄漏率等）。根據這一特點，聲發(fā)射技術的基本原理是用靈敏的儀器接收和處理泄漏源的聲發(fā)射信號。聲波信號以縱波的方式在空氣中傳播，可以利用麥克風采集空氣進行泄漏監(jiān)測。管壁上應力波方式傳播通常采用壓電陶瓷傳感器進行監(jiān)測，其頻帶范圍是50kHz ～250kHz，主要能量集中在150kHz左右。通過對聲發(fā)射源特征參數的分析和研究，推斷出材料或結構內部缺陷位置、狀態(tài)變化程度和發(fā)展趨勢。

圖2 泄漏的發(fā)展及對應的監(jiān)測方法Fig.2 Leakage processing and detector methods

2）冷卻劑在噴射流出的過程中因壓力的突降而發(fā)生閃蒸，破口流出的介質一般為汽液兩相混合物。汽液兩相混合物穿越了一回路壓力邊界，泄壓后在保溫層內擴散；其蒸汽在管道外壁和保溫層之間迅速向兩邊依次擴散，布置在保溫層上的各個溫濕度探頭會依次探測到擴散的蒸汽，根據探測的濕度發(fā)生的先后時間以及探頭的布置位置，可以確定發(fā)生泄漏的大致位置。

也可采用FLüS 的監(jiān)測方法[6]，其核心部件“Sensor Tube”是一種多微孔的金屬陶瓷部件，安裝在要監(jiān)測的水/蒸汽管道旁邊，能夠耐受高溫和輻射。當管道或管道上焊縫出現(xiàn)貫穿性裂紋，從管道泄漏的高溫蒸汽通過分子擴散運動，通過微孔的金屬燒結物進入Sensor Tube 內，定期用壓縮的干空氣吹掃，擴散進入Sensor Tube 的高溫蒸汽被吹掃進入末端高靈敏的濕度分析儀來判斷是否發(fā)生泄漏。

3）在反應堆運行過程中，當燃料元件破損時或當一回路水及其中的雜質（腐蝕產物）被中子活化，這些情況可使一回路水中包含多種放射性核素。如果冷卻劑發(fā)生泄漏，這些放射性核素隨之泄漏到安全殼中，伴隨水的氣化形成氣載放射性粒子。監(jiān)測空氣中的放射性濃度的變化，也能很好地監(jiān)測承壓邊界的泄漏情況。也可以采用常規(guī)的熱電阻、壓力變送器和相對濕度傳感器來監(jiān)測泄漏造成的安全殼大氣溫度、濕度、壓力變化。

4）蒸汽釋放到安全殼大氣中，通過強迫對流回到通風管道進入安全殼下部冷卻器內，在冷凝盤管處發(fā)生結露冷凝，表面的冷凝水靠重力作用匯集到管道。由于在泄漏初期冷凝水流量很低，當破口嚴重時流量會較高，通常需要選擇量程比高（可達100 倍以上）的質量流量計來測量冷凝物流量。

最終冷凝液進入地坑與破口噴放的兩相混合物中的水混合，在重力作用下直接通過地漏、管道，最終匯入安全殼地坑，通安裝液位計來監(jiān)測液位的變化率來計算泄漏率。

5）在一回路中，無論可確定泄漏還是不可確定泄漏都會引起一回路水裝量變化，在平穩(wěn)的運行工況下，監(jiān)測一回路受影響系統(tǒng)內水箱中異常的水位和流量，就可以獲得一回路總的泄漏量。由于水裝量平衡包含了可確定泄漏和不可確定泄漏，總的泄漏量減去可確定泄漏即可獲得不可確定泄漏。

3 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)技術要求

壓水堆核電站中泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設計要遵循中國的法規(guī)[7]，或者參考RG1.45 的要求[8]，滿足核電站安全運行的需要，同時在監(jiān)測精度、監(jiān)測范圍等方面，還需要考慮破前漏技術的相關要求。結合RG1.45 的相關要求，并綜合考慮破前漏分析的需要，壓水堆核電站泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足的主要技術要求如下：

安全分級：泄漏監(jiān)測系統(tǒng)屬于早期故障監(jiān)測系統(tǒng)，按照其對核電站安全運行所起作用的大小進行分級。安全分級必須與使用它們輸出信息的系統(tǒng)相一致。

表1 泄漏監(jiān)測方法能力評估摘要Table 1 Summary of capacity assessment of leakage monitoring methods

靈敏度：定量監(jiān)測泄漏率的靈敏度不低于1gpm，泄漏監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度還與破前漏應用的管道有關，如果管徑越小，要求的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度越高。

響應時間：儀表系統(tǒng)的響應時間小于1h，不含泄漏擴散時間，同時破前漏分析中，疲勞裂紋擴展分析結果證明裂紋擴展很慢，總體響應時間對泄漏監(jiān)測并不是最重要的影響因素。

多樣性：應采用至少兩種不同的泄漏測量方式。

抗震：至少一種監(jiān)測方式滿足抗震要求。

其他要求：必須滿足核電站運行期間溫度、濕度和輻射水平的環(huán)境條件，具有靈活的擴展功能，具備與其他系統(tǒng)（DCS）接口，方便運行人員及時獲取信息。

4 各種方法泄漏監(jiān)測能力小結

核電站不需要采用上述提及的全部泄漏監(jiān)測方法或手段。然而，由于各種方法在敏感性和反應時間上的差異，監(jiān)測手段應充分地多樣化，以確保在某些手段的有效性變差甚至完全無效的情況下仍能夠保持有效的監(jiān)測，保證泄漏監(jiān)測的可靠性。表1 從監(jiān)測靈敏度、可靠性、響應時間和定位能力4 個維度對各種監(jiān)測手段進行了評估。

1）E（Excellent）表示如果正確設計和應用，能滿足RG1.45 標準的要求。

2）G（Good）表示可能、勉強能滿足本標準的要求（這需根據應用條件、測點位置和測點數量而定）。

3）W（weak）表示通常不建議采用，但可用于監(jiān)測特定位置的泄漏。

表1 中能力的排列順序是根據這些儀表的運行經驗的結果做出的，且排列順序僅為選擇泄漏監(jiān)測儀表提供指導。上述提及的方法或手段是目前壓水堆核電站泄漏監(jiān)測系統(tǒng)常用的監(jiān)測手段，反應了目前的科技水平。早期的泄漏監(jiān)測對預防事故是非常重要的。因此，核電站應不斷地尋求和運用泄漏監(jiān)測及定位技術的改進，提升泄漏定量監(jiān)測的精度和泄漏定位監(jiān)測的準確性。