一種用于核電廠的輻射和火災探測報警設備

□侯 健 李曉賢

一、核電的發展

為了應對全球變暖，我國政府提出：力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和，在國家的“雙碳”目標下，核能作為清潔能源的重要的組成部分，面臨重大的歷史發展機遇，據國際原子能機構統計，預計到21世紀核電廠總數將達到1,000座，裝機容量將達到8億千瓦，根據中國核能行業協會發布的《中國核能年度發展與展望(2020)》中的預測數據顯示，到2025年，我國正在運行的核電裝機容量將達到7,000萬千瓦，現有的核電廠有：秦山、大亞灣、福清、方家山、田灣、昌江、防城港等，在建有：福清5、6號機組，徐大堡、石島灣等，裝機容量3,000萬千瓦，到2035年，在運和在建核電裝機容量合計將達到2億千瓦，由此可見，在今后一段時期內，預計核電建設有望按照每年6至8臺機組穩步推進。

二、核電廠輻射和火災探測報警的重要性

安全是核電廠的生命線，核電廠內部環境具有其獨特性，核電廠內的核反應堆運行時會輻射出的一些α、β、γ等放射性射線，放射性射線發生泄漏時極有可能導致核事故，根據國家核安全局法規，為保證核電廠在運行狀態和設計基準事故安全運行，需要配備一定的探測報警設備，如需要在人員出入涉核區域及其周圍環境等設置輻射監測系統，來保障反應堆安全的運行，并為在此區域工作的人員進行輻射防護和周圍環境的保護提供數據信息依據。隨著近年來核電廠的快速發展，作為核安全文化重要組成部分的消防安全日趨重要，火災對于核電廠安全來說具有特殊性，其具有不確定性的破壞力，火災與核事故在嚴重事故條件下可以相互派生或轉化，火災探測器作為核電廠火災自動報警系統重要組成部分，發揮著越來越重要的作用，核電廠核島內的火災探測器監測著環境中火災發生時的特征參量(煙霧、高溫、火焰等)的變化，對火災的探測和控制起著決定性作用。因此，非常有必要對核電廠的火災和放射性射線的泄漏同時進行探測。

因核島內電氣廠房和應急柴油發電機廠房等需要進行火災隱患的監測，同時需要對空氣中的輻射劑量進行監測。目前，通常采用獨立的火災探測器和輻射探測器分別對核電廠的火災和放射性射線進行探測，需要在核電廠內分別安裝火災探測器和輻射探測器實現對核電廠的火災和放射性射線進行探測，現有的火災探測報警器使用過程中功能單一，只能夠依據火光以及煙霧對火災進行檢測，而無法對γ射線輻射進行檢測，報警器的示警方式單一，效果較差，應用范圍較小，安裝過程費時費力；且由于火災探測器安裝在高輻射的核電廠內，核電廠內的γ射線和中子都是具有很強穿透性的高能粒子，容易造成火災探測器損壞，嚴重影響核電廠內火災探測器的正常使用，使用效果差。

三、一種用于核電廠的輻射和火災探測報警設備

針對上述現有技術中的不足，本文提出了一種用于核電廠的輻射和火災探測報警設備，包括安裝座和設置在安裝座上且與安裝座可拆卸連接的鉛屏蔽箱，以及均設置在鉛屏蔽箱上的火災探測模塊、輻射探測模塊和報警模塊；鉛屏蔽箱內設置有電子線路板，電子線路板上集成有微控制器和與微控制器相接的通信模塊；火災探測模塊包括設置在鉛屏蔽箱內的傳感器組和吸氣泵，吸氣泵由微控制器進行控制，用于將核電廠內的氣體吸至鉛屏蔽箱內；輻射探測模塊包括設置在鉛屏蔽箱底部的溴化鑭晶體和光電倍增管，以及集成在電子線路板上且依次連接的前置放大電路、符合數字多通道模塊、能譜處理模塊，光電倍增管的輸出端與前置放大電路的輸入端連接，能譜處理模塊的輸出端與微控制器的輸入端連接；報警模塊包括設置在鉛屏蔽箱上的蜂鳴器和激光筆，以及套設在激光筆上的聚光罩，蜂鳴器和激光筆均由微控制器進行控制。

(一)探測報警設備概述。通過設置安裝座為鉛屏蔽箱提供安裝基體，安裝座通過膨脹螺栓安裝固定在核電廠現有的墻體上，鉛屏蔽箱與安裝座可拆卸連接，便于在后期對該探測報警設備維修時，僅需要將鉛屏蔽箱拆卸下來進行維修，避免直接將整個探測報警設備自墻體上拆卸下來，拆卸方便，并能夠保證該探測報警設備維修之后再次安裝的穩定性；火災探測模塊安裝在鉛屏蔽箱內，通過鉛屏蔽箱對火災探測模塊的傳感器組和吸氣泵進行輻射防護，避免核電廠的放射性射線對傳感器組和吸氣泵造成輻射損壞，保證火災探測模塊的使用可靠性，并能夠有效延長火災探測模塊的使用壽命，使用效果好；通過設置輻射探測模塊探測核電廠內γ射線的劑量率值，判斷核電廠內的γ射線是否發生泄漏，探測精度高；通過設置報警模塊在火災探測模塊檢測到核電廠內有可能發生火災，或在輻射探測模塊探測到該探測報警設備安裝位置處的γ射線劑量率探測值大于γ射線劑量率設定值時，通過微控制器控制蜂鳴器發生聲音，同時，激光筆發出紅色光源，提醒監控人員該探測報警設備安裝位置處可能發生火災，或該探測報警設備安裝位置處的γ射線發生泄漏。

實際使用時，微控制器優選為STM32F103RET6微控制器，通信模塊優選為互信智能HX2002GPRS無線通信模塊，通過設置通信模塊將傳感器組檢測到的數據、定位模塊檢測到的位置數據，以及溴化鑭晶體探測到的γ射線劑量率測量值遠程傳輸給監控終端，便于監控人員對核電廠內的是否發生火災和是否發生γ射線泄漏進行遠程監控；定位模塊優選為GPRS定位模塊，通過設置定位模塊定位該探測報警設備的安裝位置，便于在該探測報警設備報警時快速確定該探測報警設備的安裝位置，監控終端為計算機；鉛屏蔽箱的上部還設置有1.5寸的TFT液晶顯示屏，顯示屏由微控制器進行控制，可以顯示溴化鑭晶體和傳感器組探測到的數據；蜂鳴器安裝在鉛屏蔽箱的頂部，激光筆安裝在鉛屏蔽箱的頂部的底部，通過在激光筆上套設聚光罩對激光筆發出的紅色光進行聚集，發光效果好，便于工作人員根據激光筆發射出的紅色光快速確定該探測報警設備的安裝位置。

(二)輻射探測報警原理。在使用輻射探測模塊對核電廠內的γ放射性進行探測時，溴化鑭晶體對核電廠內的γ放射性進行探測，光電倍增管將溴化鑭晶體輸出的閃爍光信號轉換為電脈沖信號，并通過前置放大電路對脈沖信號進行放大，符合數字多通道模塊對過前置放大電路輸出的放大后的電脈沖信號進行采集，并根據放大后的電脈沖信號的脈沖幅度對其進行分類輸出一個能譜，再通過能譜處理模塊對能譜進行處理得到溴化鑭晶體探測到的γ射線計數率探測值，并將γ射線計數率探測值傳輸給微控制器，當微控制器接收到的γ射線計數率探測值大于γ射線計數率設定值時，微控制器控制報警模塊報警，警示工作人員該處的γ放射線超出設定值。

(三)火災探測報警原理。通過在鉛屏蔽箱的頂部設置兩個連接板，并通過鎖緊螺栓和鎖緊螺母將鉛屏蔽箱和安裝座可拆卸連接為一體，安裝和拆卸方便；鉛屏蔽箱采用鉛材質制成，吸氣泵位于鉛屏蔽箱內，吸氣泵的吸氣口連接有吸氣管道，吸氣管道遠離吸氣泵的端部伸出鉛屏蔽箱，吸氣泵的出氣口暴露在鉛屏蔽箱內；鉛屏蔽箱上開設有供吸氣管道伸出且對吸氣管道進行固定的安裝孔，鉛屏蔽箱上還開設有用于排出鉛屏蔽箱內氣體的排氣孔，安裝孔和排氣孔分別位于鉛屏蔽箱相對的兩個側板上；通過設置吸氣泵將核電廠內的氣體吸入鉛屏蔽箱，使安裝在鉛屏蔽箱內的傳感器組主動檢測吸入至鉛屏蔽箱內的氣體的溫度，以及氣體中的一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氫氣濃度和煙霧濃度，檢測精度高。

傳感器組包括溫度傳感器(型號優選為DS18B20)、一氧化碳傳感器(型號優選為HONEYWELL4CO-500)、二氧化碳傳感器(型號優選為CCS811HDC1080)、氫氣傳感器(型號優選為winsenZE03-H2)和煙霧傳感器(型號優選為winsenMP503)，且傳感器的的輸出端均與微控制器的輸入端連接；鉛屏蔽箱的底部還設置有液晶顯示屏，液晶顯示屏由微控制器進行控制。

(四)實際使用具體操作流程。在核電廠需要安裝該探測報警設備的墻體上鉆設設備安裝孔，并將膨脹螺栓穿過安裝座的底板伸入至所述設備安裝孔內，實現安裝座的安裝；再將鉛屏蔽箱頂部的兩個連接板穿過底板通孔，使連接板遠離鉛屏蔽箱的端部位于底板的上方，再將鎖緊螺栓依次穿過側板上的側板鎖緊孔和連接板上的連接板鎖緊孔與鎖緊螺母連接，完成該探測報警設備的安裝；該探測報警設備安裝完成后，微控制器控制吸氣泵工作，吸氣泵將核電廠內的氣體吸入鉛屏蔽箱，鉛屏蔽箱內的溫度傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、氫氣傳感器和煙霧傳感器對鉛屏蔽箱內的氣體進行檢測，溫度傳感器檢測鉛屏蔽箱內氣體溫度，一氧化碳傳感器檢測鉛屏蔽箱內氣體中一氧化碳氣體的含量，二氧化碳傳感器檢測鉛屏蔽箱內氣體中二氧化碳氣體的含量，氫氣傳感器檢測鉛屏蔽箱內氣體中氫氣氣體的含量，煙霧傳感器檢測鉛屏蔽箱內氣體的煙霧濃度，當溫度傳感器檢測到的氣體溫度測量值大于氣體溫度設定值、或當一氧化碳傳感器檢測到的一氧化碳含量測量值大于一氧化碳含量設定值、或當二氧化碳傳感器檢測到的二氧化碳含量測量值大于二氧化碳含量設定值、或當氫氣傳感器檢測到的氫氣含量測量值大于氫氣含量設定值、或當煙霧傳感器檢測到的煙霧濃度測量值大于煙霧濃度設定值時，微控制器均控制蜂鳴器發生聲音，同時，激光筆發出紅色光源，提醒監控人員該探測報警設備安裝位置處可能發生火災；在微控制器控制吸氣泵工作的同時，溴化鑭晶體對核電廠內的γ放射性進行探測，并將探測到的γ射線計數率探測值發送給微控制器，當微控制器接收到的γ射線計數率探測值大于γ射線計數率設定值時，微控制器均控制蜂鳴器發生聲音，同時，激光筆發出紅色光源，警示工作人員該處的γ放射線超出設定值，可能發生γ射線泄漏。

四、結語

本文提出的一種用于核電廠的輻射和火災探測報警設備，通過膨脹螺栓安裝固定在核電廠現有的墻體上，安裝座為鉛屏蔽箱提供安裝基體，便于在后期對該探測報警設備維修時，僅需要將鉛屏蔽箱拆卸下來進行維修，避免直接將整個探測報警設備自墻體上拆卸下來，拆卸方便，并能夠保證該探測報警設備維修之后再次安裝的穩定性；結構簡單、設計合理且體積小，將火災探測模塊和輻射探測模塊集成為一體，能夠利用一個設備同時對核電廠內的火災和輻射進行探測，探測精度高；通過設置輻射探測模塊探測核電廠內γ射線的劑量率值，判斷核電廠內的γ射線是否發生泄漏，探測精度高；通過設置鉛屏蔽箱對火災探測模塊的傳感器組和吸氣泵進行輻射防護，避免核電廠的放射性射線對傳感器組和吸氣泵造成輻射損壞，保證火災探測模塊的使用可靠性，并能夠有效延長火災探測模塊的使用壽命，使用效果好。