氣載流出物惰性氣體核素分析系統的設計與實現

張志鵬　曾波　金濤　趙鑫　宋紀高

摘 要

為提高HFETR（高通量工程試驗堆）氣載流出物的監測能力，基于目前主流的壓縮后譜分析方法，構建了惰性氣體核素分析系統，有效提高惰性氣體的探測下限，實現了低放射性水平惰性氣體的核素分析測量。本文詳細論述了惰性氣體核素分析系統的設計與工程實現過程，可以為后續類似系統設計提供參考。

關鍵詞

HFETR;惰性氣體;壓縮取樣;核素分析

中圖分類號： TL76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.080

0 引言

對氣載流出物中惰性氣體放射性的監測是核設施氣載流出物監測的重要內容，一方面確保了核設施氣載流出物按國家標準規定的控制值達標排放，另一方面該數據是核設施環境影響評價、安全分析等的重要基礎數據[1]。HFETR氣載流出物監測系統通過惰性氣體連續監測儀實現對惰性氣體活度濃度的在線連續監測。但該惰性氣體連續監測設備只能測得惰性氣體總的活度濃度，無法確認惰性氣體的核素組成及對應含量，從而無法對氣載流出物排放和核設施運行狀態做進一步的分析評價。

隨著技術的發展和進步，對惰性氣體核素的分析已得到普遍關注，在新建核電站中，氣載流出物惰性氣體核素分析設備已成為氣載流出物監測系統的標準配置。因此在HFETR增設了氣載流出物惰性氣體核素分析系統，實現HFETR惰性氣體的核素分析測量，本文詳細論述了惰性氣體核素分析系統的設計與工程實現過程。

1 系統原理及技術要求

對核素的分析測量，通常采用的是高純鍺能譜直接測量分析的方式，但氣載流出物中惰性氣體的放射性活度濃度通常很低，部分核素的能量范圍窄，探測效率低，分辨困難。因此，為提高探測下限和核素識別能力，需將惰性氣體壓縮到一個特制的取樣容器內，提高體積濃度，再將取樣容器放到高純鍺譜系統中分析測量。

惰性氣體核素分析系統用于實現排風塔氣載流出物低放射性惰性氣載的核素測量，其核心性能指標為關鍵惰性氣體核素Xe-133、Kr-85的探測下限。參考核電站類似設備[1]，考慮惰性氣體核素分析系統的探測下限應達到田灣、秦山等核電站同量級水平（探測限：Xe-133<1×103Bq/m3、Kr-85<104Bq /m3）。

2 系統方案

HFETR氣載流出物惰性氣體核素分析系統由壓縮取樣系統和譜分析系統兩部分組成。

2.1 壓縮取樣系統

2.1.1 系統概述

如圖1所示，惰性氣體核素分析壓縮取樣系統由氣溶膠及碘過濾盒、控制閥門、壓縮泵、流量計、壓力表、取樣容器等組成。從HFETR排風塔氣載流出物監測取樣管道引出一條支路進入惰性氣體壓縮取樣系統。氣載流出物中的氣溶膠和碘首先被過濾去除，過濾后的氣體通過增壓泵壓縮至特制的取樣容器中;當取樣容器壓力達到預設的壓力時，增壓泵自動停泵，并關閉取樣容器入口保壓閥保壓。取樣容器可通過快換接頭快速取出，然后送至實驗室譜分析系統做進一步分析測量。下次使用時，取樣容器由快換接頭接入系統，通過取樣排氣控制閥排氣泄壓，并進一步通過吹掃回路吹掃排氣后，實現循環使用。

2.1.2 系統壓縮比考慮

惰性氣體的壓縮比過大會對取樣容器以及壓縮取樣系統的安全及性能提出較高要求，過小又會導致核素分析測量下限達不到預定目標。參考類似設備，綜合考慮系統安全性、經濟性、探測性能提升等因素，選用10倍左右壓縮比（即最大壓縮壓力考慮10倍標準大氣壓，約1MPa），保證顯著提高探測下限（1個量級左右）的同時壓縮取樣系統仍可按低壓系統（<1.6MPa）進行設計。

2.1.3 系統控制

取樣壓縮系統采用PLC+工控觸摸屏的控制模式。由PLC采集壓力、流量等傳感器信號并實現壓縮泵啟停、控制閥開關邏輯控制;由工控觸摸屏作為上位機，實現人機交互控制。如圖2所示，為取樣壓縮系統控制軟件界面。軟件帶密碼驗證，正確輸入賬號和密碼后，即可進入主操作界面。在主操作界面上按相應的按鈕可啟動增壓泵、控制氣動閥等設備，取樣系統的氣路流量、壓縮壓力等參數在主操作界面也可實時顯示。通過“參數設置”界面，可對系統的壓縮壓力進行設置，當壓力達到設置壓縮壓力時，系統自動停泵穩壓。此外，系統控制軟件自帶“操作幫助”界面，通過該界面可以對取樣系統的操作步驟、注意事項進行詳細了解。

2.1.4 安全性考慮

壓縮取樣系統為承壓系統，基于安全性考慮，從硬件和軟件上進行了以下考慮和設計：

a.將壓縮系統集成到一個1600mm×800mm×1800mm的機柜中，壓縮取樣時要求必須關閉機柜門，由柜體對承壓部件進行包容，避免承壓部件意外飛濺等情況造成人員傷害;

b.選用真空泵額定壓縮壓力為1.2MPa，保證系統壓力不超過1.2MPa，同時系統承壓管道、承壓閥門、取樣容器等均按至少1.5倍承壓進行設計，保證系統固有特性偏安全;

c.為避免因傳感器失效造成錯誤地控制，通過PLC軟件實現安全控制：在壓縮控制過程中，實時監控流量傳感器和壓力傳感器數據。開始流量傳感器應該有一定的流量，到壓力逐步上升時流量逐漸減少。若出現開始流量過低或流量已明顯減小但未見壓力上升情況，軟件提示傳感器錯誤并自動泄壓保護;

d.系統上位機軟件和集成機柜上均設置急停按鈕，點擊之后自動泄壓保護。

通過上述軟硬件安全措施，保證壓縮取樣系統的安全。

2.2 譜分析系統

譜分析系統為一套高純鍺γ譜儀，安裝在環境監測實驗室，用于譜分析測量。譜分析系統探測器與取樣容器相互配套，通過無源效率刻度，最終實現惰性氣體的核素分析測量。如圖3所示，為取樣容器結構圖。取樣容器下部內凹槽和高純鍺譜儀探測器剛好配合，測量時取樣容器可以剛好放置于譜儀探測器之上，以便更好地進行譜分析測量提高測量效率。取樣容器下部內凹槽厚度t1應在承壓安全的前提下盡量薄，以減少屏蔽影響，提高譜分析準確性。參考《GB150-2011壓力容器》[2]標準，按照1.5倍承壓保守計算，不銹鋼取樣容器的t1厚度不應小于1.67mm，但受限于焊接等加工制造工藝，最終選擇t1厚度為5mm。

高純鍺譜儀的探測效率會直接影響惰性氣體核素分析系統的探測下限，但高效率的譜分析系統價格昂貴。綜合考慮性價比，高純鍺譜儀的探測效率應達到主流以上水平，最終要求高純鍺譜儀的探測效率大于40%。同時，高純鍺譜儀的鉛室結合實際要求定制為可頂部整體打開，以適應取樣容器的裝卸需求。

高純鍺譜儀和取樣容器設計完成后，將取樣容器的尺寸、材質等參數輸入譜儀自帶無源效率刻度軟件中，進行無源效率刻度。無源效率刻度修正之后，通過高純鍺譜儀系統測量分析計算，即可實現惰性氣體的核素測量。

3 系統安裝與調試

3.1 壓縮取樣系統安裝調試

如圖4所示，惰性氣體核素分析壓縮取樣系統集成到一個機柜中，機柜頂部預留有氣載流出物進出氣口和吹掃氣體進出口。在停堆期間，通過HFETR氣載流出物監測取樣系統接口改造實現惰性氣體核素分析壓縮取樣系統的安裝：從取樣系統入口引支路進入惰性氣體核素分析壓縮取樣機柜氣載流出物進口，取樣系統出口引旁路連接機柜氣載流出物出口和管路吹掃出口，從吹掃空壓機引管路至吹掃入口。同時，配套安裝供電插口。

安裝完成后，開展系統功能調試確認：打開取樣系統入口閥門，啟動取樣系統控制軟件，通過軟件控制惰性氣體核素分析壓縮取樣系統增壓泵、控制閥等動作，實現取樣容器的泄壓、反吹、氣載流出物惰性氣體壓縮取樣等操作。

3.2 譜分析系統調試

通過高純鍺譜儀調試結果和無源效率軟件刻度計算分析，惰性氣體核素分析系統的探測下限參見表1，低于田灣、秦山等核電站的探測限（田灣探測限：Kr-85 8.54×103Bq/m3，Xe-133 6.90×102Bq/m3，5000s測量時間;秦山探測下限：Kr-85 3.07×104 Bq/m3，Xe-133 4.59×102Bq/m3，3600s測量時間）[3]，優于預期設計目標。

4 系統優化改進

在系統調試運行過程中發現了下述問題：取樣容器雖進行了嚴格的氣密性撿漏，并通過自封快換接頭實現自密封，但無法完全確保壓縮惰性氣體不存在微漏。特別是在拆取取樣容器的瞬間，快換接頭處難以確保不存在微漏，譜分析測量時的氣體壓力可能略小于壓縮壓力。

為解決上述問題，一方面對取樣容器進行了氣密性檢查確認，確保取樣容器不漏氣;另一方面在取樣容器上增設壓力表，使壓縮壓力實時可見，測量結果根據壓力值進行修正，以提高測量準確性。通過上述措施，有效解決了可能的微漏帶來的影響。

5 總結

本文詳細論述了HFETR惰性氣體核素分析系統的設計與工程實現過程。通過惰性氣體核素分析系統的設計、安裝、調試等工作，系統的性能指標達到了預期要求，滿足了惰性氣體核素分析測量的需求，實現了HFETR排風塔惰性氣體的核素分析識別。同時，對系統調試運行過程中發現的問題進行了優化改進。本文總結的工程設計與實踐經驗，可以為后續類似項目提供參考和借鑒。

參考文獻

[1]袁之倫，李宏宇，唐麗麗，等.我國核電廠氣態流出物中惰性氣體監測現狀[J].環境保護部核與輻射安全中心，同位素，2013.

[2]GB 150.3-2011[S].壓力容器，第3部分：設計，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會發布，2011.

[3]李厚文，王斌，秦山三期重水堆核電站流出物惰性氣體133Xe和85Kr研究及監測改進[J].輻射防護，2016：7.