某實驗堆區域輻射監測系統改造設計及實施

戎永華、李永生、張春杰、劉洋

（中國原子能科學研究院，北京102413）

1 修改背景

輻射監測系統是保證反應堆安全運行的重要系統，其中，區域輻射監測系統可以實時監測反應堆廠房內區域放射性水平，對保證人員安全有重要作用[1]。某實驗堆的輻射監測系統設備訂貨于2004年，部分設備元器件出廠日期為2003年，而電子器件一般壽命約為10 a。輻射監測系統中的G-M計數管區域γ監測通道自2015年起多次出現故障，主要表現為G-M計數管失效導致無計數、測量箱內元器件故障導致計數混亂等。計數管監測通道的故障率超過40%。隨著運行時間的增長，G-M計數管監測設備出現故障的概率正在逐漸增大，進而影響了實驗堆輻射監測系統的穩定運行，無法實現監測功能。

2 修改的必要性

因設備升級換代，原型號區域γ監測設備在廠家已經停產，且相關元器件采購困難。后續反應堆需長期連續運行，在此期間控制區內部分區域的劑量率隨著反應堆運行時間的增加而增大，該部分區域將限制進入，使維修工作受到限制。為了滿足長期穩定運行的要求，需要想辦法降低輻射監測儀表的故障率。而原型號設備備件采購困難，大部分電子元器件已經達到甚至超過一般電子元器件壽命，為保證輻射監測儀表能夠長期穩定運行，需要更換故障率高的部分探測器和處理單元。

此外，實驗堆的相關數據需要長期儲存，以備后續研究使用。但原輻射監測計算機監控系統設計完成于2005年，軟件和硬件較現在的技術有很大差別。其數據存儲需要定期導出，否則將影響系統穩定運行。

3 修改方案

3.1 修改范圍和要求

3.1.1 區域γ監測設備改造范圍

經過綜合分析，納入首批改造范圍的是區域γG-M計數管放射性監測系統18個監測通道和排風過濾器工藝間輻射監測系統14個監測通道，共32個監測通道。根據新型號設備的特點，需將舊的探測器、測量箱和處理組件更換為探測器和就地處理箱，就地處理箱具備原測量箱和處理組件的所有功能，并且能夠就地顯示測量值并給出聲光報警。

為保證新設備與現有輻射監測系統的兼容性，新設備建議選用國內某廠家生產的M-2036Q2ⅢX就地處理箱和雙G-M計數管探測器。M-2036Q2ⅢX就地處理箱的箱體結構為壁掛式，外形尺寸為300 mm×400 mm×226 mm（寬×高×厚）。雙G-M計數管探測器外套筒采用外形尺寸為φ60 mm×250 mm（直徑×高度）的不銹鋼筒，并帶有壁掛安裝支架，不銹鋼筒和壁掛安裝支架之間以蝶形螺母相連接，方便拆卸，可縮短維修時間。雙G-M計數管探測器的技術特性與原探測器參數一致或能覆蓋原參數，具體見表1。

表1 雙G-M計數管探測器技術特性要求

3.1.2 輻射監測計算機監控系統改造范圍

經過分析，為了實現輻射監測數據能夠連續長期儲存，并且滿足舊采集系統與新采集系統兼容，需要對輻射監測監控系統進行改造。參考其他核電廠輻射監測系統架構[2,3]，結合本項目實際情況，制訂方案如下：舊的采集系統硬件不變，另外增加1臺數據采集機和1臺服務器，使舊采集系統采集原輻射監測系統其余監測通道數據，新數據采集機接收新的輻射監測設備數據，然后同時匯總到服務器上，在服務器上將所有數據集成到1個監控系統顯示和存儲，服務器可連接多臺操作員站，用于監控監測數據、查詢歷史記錄等。輻射監測監控系統架構圖如圖1所示。

圖1 輻射監測數據存儲系統示意圖

輻射監測計算機監控系統改造要求如下。

原有采集計算機功能要求：

1）主畫面保持不變，標題改為：輻射監測采集系統1；

2）軟件中的數據采集功能保持不動；

3）軟件中的實時數據存儲功能按照新的數據庫格式存儲。

新增采集計算機功能要求：

1）主畫面按原采集計算機畫面風格，按總通道數（127個通道）設計，標題為“輻射監測采集系統2”；

2）數據采集：只對本次改造的32臺設備的實時數據、狀態進行采集、顯示，其余通道按未連接顯示，采集周期仍為10 s；

3）參數提取：可以提取就地處理箱的報警閾值、實時數據、工作狀態等信息；

4）數據存儲：能將32臺就地處理箱的實時數據、狀態保存到數據庫中。

數據服務器功能要求：

1）能保存所有通道的10 s實時數據、狀態；

2）能保存所有通道的報警記錄；

3）能保存19個流量計信號的每分鐘的流量值、報警閾值；

4）能保存01、02子系統的每分鐘的取樣流量率和煙囪流量率；

5）按原軟件模式保存巡檢設置、巡檢房間等信息；

6）給網絡內的其他3臺計算機每天定時發校時命令；

7）數據自動備份，同時能夠根據需要進行手動備份；

8）能夠連續保存10 a以上運行數據。

查詢計算機功能要求：

1）主畫面按原采集計算機畫面設計，顯示所有通道的實時數據、狀態；

2）主畫面增加報警信息窗口，顯示報警記錄，最新發生的報警記錄在最前面顯示；

3）平面分區圖功能：移植原采集計算機上的平面分區圖功能，功能不變。

4）歷史曲線功能：顯示每個通道的實時數據曲線，可以切換顯示感興趣時間段內的每10 s歷史曲線，最多可以同時顯示6個通道的歷史曲線趨勢圖；趨勢圖為線性曲線圖，橫坐標為時間，縱坐標為劑量率值，去掉線性顯示改為對數顯示，保留打印曲線；

5）報表管理功能：包括儀器屬性一覽表、所有通道的當前實時數據顯示、所有通道的每10 min平均值報表、所有通道的日報表；

6）流量計查詢：能查詢19個流量計信號的每分鐘的流量值、報警閾值。

3.2 安裝要求

3.2.1 區域γ監測設備安裝要求

改造后，每個測量通道的測量箱和處理組件由就地處理箱（帶有報警燈鈴）取代，每個探測器對應1個就地處理箱，就地處理箱就近安裝在探測器所在房間的墻壁上或探測器所在房間門外走廊的墻壁上（探測器所在房間沒有空間安裝就地處理箱的情況下）。各通道的探測器所在房間和具體監測位置均保持不變，只需拆下現用探測器，在其所在位置安裝上新探測器即可。

新探測器通過5芯電纜（7芯插頭）與就地處理箱連接，原來的G-M計數管探測器與處理組件之間通過4芯電纜（5芯插頭）相連，兩種電纜不匹配，因此，需要更換探測器與就地處理箱之間的連接電纜（每根電纜長度2～10 m），由4芯電纜更換為5芯電纜。

就地處理箱經由RS485接口與輻射防護值班室房間輻射監測系統新增數據采集計算機通信，將就地處理箱存儲的測量數據和工作狀態傳輸到輻射監測計算機上進行實時顯示。就地處理箱的報警輸出接入輻射防護值班室房間機柜上的端子排，然后連接到主控室光字牌上，與原設計保持一致。

考慮到區域γ監測通道布置分散，為了節約電纜，在核島廠房內根據樓層分布，每層的就地處理箱之間就近串聯，然后連接到輻射防護值班室數據采集計算機。

3.2.2 監控系統安裝要求

輻射監測監控系統新增的數據采集機和服務器均安裝在輻射防護值班室原操作臺上，運行軟件安裝在各自工控機內，并做好備份。

3.3 驗收要求

1）新更換的區域γ監測儀工作正常，檢查方法為：在設備安裝完成通電后，使用一枚105Bq量級的137Cs放射源，將其放在探測器附近，檢查就地處理箱讀數和計算機監控系統讀數，雙方讀數應一致；

2）所有通道與輻射監測計算機監控系統通信正常，且讀數的固有誤差在允許范圍內；

3）各通道報警響應及聲光報警提醒功能正常；

4）監控系統數據存儲、導出導入、歷史數據查詢等功能正常。

4 改造實施

根據改造需求，出版了正式的改造方案，改造方案中除了上述信息描述，還包含改造計劃和經費預算。改造計劃主要節點及完成情況見表2，所需材料及經費預算見表3。

表2 改造計劃主要節點及完成情況

表3 改造所需材料及經費預算

因廠家原因，導致設備到貨較預計時間晚了2個月，后續為了節省時間，根據區域γ監測設備安裝位置和接線分布情況，設計人員配合施工人員進行了施工計劃細化分解，并請施工人員分組，采取多頭并進的方式，多個通道同時進行，拆除一臺安裝一臺，供電獨立的通道安裝完成具備條件立即開始調試。

通過努力，自第一臺舊設備拆除開始至全部32套區域γ監測設備調試完成，共計用時10 d。最終改造完成安裝和調試時間較原計劃只延遲了1個月。

在改造過程中，根據管理要求，還出版了相關設計變更（包括設備安裝圖、接線圖等變更）、調試程序（包含區域γ監測設備和輻射監測監控系統調試）等文件。

在安裝完成后，根據調試程序要求，進行了相關調試工作。主要包括通電前檢查電纜接線是否正確，無誤后設備通電，檢查本底計數是否正常。然后使用放射源檢查，所有通道讀數正常，報警功能正常。監控系統相關的所有數據傳輸、報警輸出、歷史記錄等功能正常。輻射監測系統向管理系統數據傳輸正常。

5 結語

本次改造共更換了32套區域γ輻射監測設備及其部分配套電纜，并更新了輻射監測監控系統的架構和存儲、查詢設備，以及部分軟件設置和功能，使其對操作人員的操作更加友好，從而減少操作員人因失誤。

在改造過程中，設計、安裝、調試人員全力配合，相關審批、隔離手續辦理迅速，為本項目改造順利實施創造了條件。另外，通過資源再利用，設計人員深入現場配合安裝，節省了大量施工時間和經費。僅通過利用舊電纜一項，不僅節省了施工周期，還節約了電纜采購、敷設施工等費用約20萬元。本次改造為實驗堆的相關系統改造積累了經驗，其完成時間滿足整體工作要求，改造工作獲得了相關領導和運行維修人員的認可和好評。

改造后，不僅保證了區域γ輻射監測系統的長期穩定運行，也為運行人員和工作區域輻射安全提供了有力保證，還為輻射監測數據的長期存儲解決了后顧之憂，使其相關數據能夠留存用于相關研究，從而發揮實驗堆的相關作用。