一套核設(shè)施周界γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)改造

歐陽紅平 劉善清

摘 要：本研究針對在原子能院周界γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)故障排查過程中發(fā)現(xiàn)的信號傳輸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫和展示軟件等問題進行技術(shù)改造。改造之后系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡化，功能可擴展性更好。五年多的運行實踐表明，本次改造后的系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能在野外惡劣的環(huán)境中長期運行，可為相關(guān)系統(tǒng)改造實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：核設(shè)施;周界;輻射監(jiān)測;改造

中圖分類號：TL811.1 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0047-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.010

Modification of a Nuclear Facility Perimeter Gamma Radiation

Monitoring System

OUYANG Hongping1? ? LIU Shanqing2

（1.China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China;2.CNNC LiXin（Beijing）Technology Co.，Ltd，Beijing 100048，China）

Abstract：In this study，the problems of signal transmission，data collection，database and display software found in the troubleshooting process of the perimeter gamma radiation monitoring system of the Institute of Atomic Energy are reformed.After the transformation，the structure of the system is more simplified and the function is more expansible.More than five years of operation practice proves that the system has stable performance and can withstand the test of long-term operation in wild harsh environment.This work can provide reference for relevant system transformation practice.

Keywords：nuclear facility;perimeter;radiation monitoring;reconstruction

0 引言

隨著我國核能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對核電站等核設(shè)施周邊的γ輻射進行連續(xù)在線監(jiān)測具有十分重要的意義。國內(nèi)典型的核設(shè)施周界γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)有大亞灣KRS系統(tǒng)[1]、秦山核電環(huán)境γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)[2]、田灣核電監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)等。原子能院周界γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)是應(yīng)相關(guān)核安全法規(guī)的要求，建立起的一套布設(shè)在廠區(qū)周界的連續(xù)γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要作用包括：對原子能院周界γ輻射水平進行日常監(jiān)督性監(jiān)測;及時識別放射性煙羽的異常排放;在核事故情況下，實時獲取廠區(qū)周界的γ輻射水平，為應(yīng)急輔助決策提供技術(shù)支持。

1 周界輻射監(jiān)測系統(tǒng)概述

周界輻射監(jiān)測系統(tǒng)共有有線傳輸型GM探測器28個，其中廠界固定式GM管監(jiān)測單元有24個（1#～24#），分布在廠區(qū)邊界，約200 m布設(shè)一個監(jiān)測點;監(jiān)測站固定式GM管監(jiān)測單元4個（25#～28#）分別布設(shè)在廠區(qū)內(nèi)四個監(jiān)測站樓頂。高氣壓電離室有4個，分別安裝在廠區(qū)內(nèi)四個監(jiān)測站樓頂。所有探測器的供電都是由4個監(jiān)測站引出市電（220 V）提供的，各監(jiān)測站內(nèi)配電箱連接有UPS不間斷電源，確保在核事故應(yīng)急情況下能維持系統(tǒng)運行12 h。各監(jiān)測子站均安裝有數(shù)據(jù)采集器，負責采集并轉(zhuǎn)發(fā)該監(jiān)測子站所有設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器將從前端探測器獲取的數(shù)據(jù)用光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)換后，再通過光纖傳輸至應(yīng)急指揮中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 存在的問題

周界γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)為原子能院自主設(shè)計的廠區(qū)外圍γ輻射監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2011年投入運行后，為原子能院提供了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。但由于該系統(tǒng)涉及的戶外電子設(shè)備和線纜較多，多處設(shè)施老化嚴重，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障的頻率逐漸增大，頻繁檢修導(dǎo)致該系統(tǒng)無法正常運行。從2016年開始，該系統(tǒng)多處出現(xiàn)故障，應(yīng)急指揮中心已無法獲取任何數(shù)據(jù)，亟待進行改造。

運行人員通過排查檢修，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障主要有11種，分別是：GM管探測器故障、RS485通訊線纜故障、信號中繼器故障、220 V電纜故障、UPS故障、數(shù)據(jù)采集器故障、光纖收發(fā)器故障、光纖故障、服務(wù)器故障、數(shù)據(jù)庫運行查詢緩慢、展示軟件無法讀取數(shù)據(jù)。通過對系統(tǒng)架構(gòu)進行仔細分析研究，結(jié)合運行實踐經(jīng)驗，找出系統(tǒng)頻繁發(fā)生故障的關(guān)鍵是信號傳輸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫和展示軟件等過程存在問題。

2.1 信號傳輸問題

RS485信號線布設(shè)在鍍鋅鋼管中，鍍鋅鋼管沿廠區(qū)圍墻布設(shè)在實體保衛(wèi)內(nèi)。信號線總長約5 500 m。在現(xiàn)場檢測過程中發(fā)現(xiàn)多處信號線存在短路問題。初步判斷原因為：白天鍍鋅鋼管受太陽曝曬導(dǎo)致內(nèi)部高溫，夜晚由于氣溫下降，鋼管內(nèi)壁有水珠凝結(jié)，信號線長期處于濕度較大的環(huán)境中，導(dǎo)致其老化速度加快;部分鍍鋅鋼管點位未做好防水工作，雨水通過鍍鋅鋼管連接處或管口滲入到鋼管內(nèi)部，導(dǎo)致信號線浸泡在水中，從而被腐蝕;使用的RS485信號線纜為市面上普通的雙絞單屏蔽電纜，其不具備耐高溫和抗腐蝕性能;信號線纜使用年限較長，已嚴重老化。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

改造前，220 V市電供電電纜和RS485信號線（電壓一般為3.5～5 V）接在檢修盒的同一個線排上。系統(tǒng)在檢修時，需要在狹小的空間進行信號檢測、電壓檢測、螺絲緊固等工作，有觸電危險（見圖2、圖3）。

2.2 數(shù)據(jù)采集問題

數(shù)據(jù)采集器將各監(jiān)測站的GM管和電離室的信號進行匯總后，通過光纖傳輸至終端服務(wù)器。改造前各監(jiān)測站都安裝有兩臺數(shù)據(jù)采集器，一臺數(shù)據(jù)采集器用于接收電離室的數(shù)據(jù)，另一臺數(shù)據(jù)采集器則用于接收GM管的數(shù)據(jù)。兩臺數(shù)據(jù)采集器的功能較為簡單，僅作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，無本地存儲功能。當多個數(shù)據(jù)采集器發(fā)生故障時，將導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運行（見圖4）。

2.3 數(shù)據(jù)庫和展示軟件問題

服務(wù)器端安裝配置了兩個數(shù)據(jù)庫，一個數(shù)據(jù)庫存儲前端GM管探測器上傳的原始計數(shù)信息，另一個數(shù)據(jù)庫則存儲解析后的劑量率數(shù)據(jù)（單位：nGy/h）。由于GM管發(fā)送的原始計數(shù)字符串在1 s內(nèi)上傳至服務(wù)器，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大，容易出現(xiàn)“丟包”現(xiàn)象，造成最終取平均值得到的劑量率數(shù)據(jù)不準確。由于原始計數(shù)信息中的冗余信息量大，占用內(nèi)存較多，且兩個數(shù)據(jù)庫之間存在接口，再加上服務(wù)器長時間運行后，數(shù)據(jù)不斷累積，導(dǎo)致上位機查詢數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的效率十分低，甚至經(jīng)常發(fā)生“卡死”現(xiàn)象。

3 改造實施

改造項目不同于新建項目，需要充分考慮多方面因素，如哪些設(shè)備可以繼續(xù)使用，哪些設(shè)備需要改造或升級，還需要考慮設(shè)備的兼容性、成本等問題。實際上，改造項目有時候比新建項目的難度更大。下面對信號傳輸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫和展示軟件的改造進行闡述。

3.1 信號傳輸線路改造

3.1.1 更換信號線。由于GM管之間是通過RS485信號線進行信號傳輸?shù)模虼薘S485信號線的可靠性是關(guān)鍵。本次改造定制了一種雙絞雙屏蔽的信號線纜。相比原來的銅芯導(dǎo)體銅網(wǎng)屏蔽聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護套的信號線纜，該線纜有以下優(yōu)點：鍍錫銅導(dǎo)體鍍錫屏蔽相比銅芯導(dǎo)體銅網(wǎng)屏蔽的耐腐蝕、抗氧化性能更好;相比于聚氯乙烯絕緣材料，交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的耐熱溫度從60 ℃提高到90～100 ℃;排流導(dǎo)線和鋁箔屏蔽使信號線的抗干擾能力更強。本次改造將原來的信號線全部更換為此種定制線纜，提高了信號線的耐腐蝕、耐高溫和抗干擾性能，使之更適合在戶外長期使用。

3.1.2 新增信號接線盒。為了解決檢修時的安全隱患，在每個GM管監(jiān)測點位新增一個轉(zhuǎn)接盒，將市電和弱電分開。市電轉(zhuǎn)接盒內(nèi)添加一個空氣開關(guān)，需要斷電時斷開空氣開關(guān)即可，從而避免拆卸電源線等煩瑣操作，杜絕安全隱患。

3.2 數(shù)據(jù)采集改造

本次改造對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。僅用一個數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)進行接收，該數(shù)據(jù)采集器的RS232串口用于接收電離室的數(shù)據(jù)，RS485串口用于接收GM管的數(shù)據(jù)（見圖4）。該數(shù)據(jù)采集器有以下特點：采集器將采集到的GM管探測器、電離室原始計數(shù)信號轉(zhuǎn)換為劑量率數(shù)據(jù)后再發(fā)送至服務(wù)器，從而大大減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量，可有效避免數(shù)據(jù)“丟包”現(xiàn)象的發(fā)生;其內(nèi)置的大容量SD卡對劑量率數(shù)據(jù)進行備份，一旦數(shù)據(jù)采集器到終端服務(wù)器的傳輸鏈路中斷，可以將采集器的本地數(shù)據(jù)導(dǎo)出;其程序可實現(xiàn)遠程升級，無需到現(xiàn)場對程序進行更新，從而減少了日常維護的工作量;其核心部件為嵌入式Linux主板，內(nèi)置硬件看門狗，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能自主恢復(fù)。該數(shù)據(jù)采集器提供8個硬件輸入輸出接口，理論上只要有通信協(xié)議，就可以進行設(shè)備添加。該設(shè)計有利于系統(tǒng)的功能擴展。由于γ空氣吸收劑量率受大氣中氡濃度和降雨等因素的影響[3-4]，為準確分析γ輻射的測量數(shù)據(jù)，建議添加氣象觀測儀（觀測要素包括風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、雨量、大氣壓）和大氣氡濃度監(jiān)測儀。

3.3 數(shù)據(jù)庫和展示軟件改造

本次改造項目建立了一個SQL server數(shù)據(jù)庫，用于存儲前端數(shù)據(jù)采集器上傳的劑量率數(shù)據(jù)。設(shè)置電離室數(shù)據(jù)頻率為每1 min一條數(shù)據(jù)，GM管的數(shù)據(jù)上傳頻率為每5 min一條數(shù)據(jù)。按照年份創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表，每一年份使用單獨的表，這樣可以提高數(shù)據(jù)存儲和檢索的速度。本次改造重新開發(fā)了展示軟件。展示軟件用于展示廠區(qū)各監(jiān)測點的劑量率數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出、參數(shù)設(shè)置、報警提示等功能。通過GIS地圖將各個點的數(shù)據(jù)直觀地展示到地圖上。各個站點上傳的劑量率信息可以通過表格的方式展現(xiàn)出來，方便瀏覽短時間內(nèi)的歷史信息;通過實時劑量率趨勢圖，方便對某個站點的劑量率走勢圖進行直觀判斷。另外，可以在客戶端遠程查看各站點設(shè)備的工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)改造后的效果

在本次改造后，系統(tǒng)恢復(fù)了正常運行，且運行更加穩(wěn)定，故障率大大降低。在環(huán)境輻射狀況相對穩(wěn)定的情況下（如無降雨、核設(shè)施排放的氣載放射性可忽略等），γ劑量率監(jiān)測數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。

氡釷子體為環(huán)境γ輻射劑量率的主要來源之一。由于降雨期間，氡釷子體或空氣中的放射性煙塵隨著雨水的沉降被沖刷到地表，會引起地表γ輻射水平的瞬時上升。圖5為北京市2021年7月12日一次降雨期間位于氣象站屋頂?shù)牡?8號監(jiān)測點γ劑量率的變化曲線。

從圖5可以看出，降雨使劑量率增加了約20%～30%，雨停之后地表γ輻射劑量率水平逐步恢復(fù)正常，這與鄭國棟等[5]在試驗中觀察到的現(xiàn)象是一致的。

5 結(jié)語

本研究對周界γ輻射監(jiān)測系統(tǒng)進行改造，增加了系統(tǒng)功能的可擴展性，同時簡化系統(tǒng)架構(gòu)，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。信號線纜的改造使得系統(tǒng)能夠經(jīng)受戶外嚴峻環(huán)境的長期考驗，總體上來說本研究的改造取得了良好的效果。但該系統(tǒng)仍然存在著GM管待升級、單一通信方式可靠性不高等問題，有待后續(xù)進一步升級。總之，不斷總結(jié)經(jīng)驗并對系統(tǒng)進行完善，對原子能院的環(huán)境監(jiān)督性監(jiān)測具有十分重要的意義。

參考文獻：

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