核電廠安全殼氦質譜檢漏方法的可行性分析

李剛 李尚科 陳英瑜 單強 楊中華

摘? 要：安全殼是“核”與公眾之間的最后一道安全屏障，其密封性至關重要，核電廠需要定期執行安全殼密封性試驗。為提高核電廠安全殼泄漏檢測的精度和效率，探索一種安全殼泄漏定位檢測的新方法，即通過將氦氣作為示蹤劑按照一定比例充壓到安全殼內，利用電廠輻射監測系統（KRT）在安全殼廠房周圍的分布特點，檢測出從安全殼內部泄漏出來的氣體量分析判斷泄漏區域，并通過現場試驗驗證該方法的可行性及氦氣用量。實踐證明，氦質譜檢漏方法可用于核電廠安全殼檢漏工作。

關鍵詞：核電廠；安全殼；氦質譜；泄漏；檢漏

中圖分類號：TM621? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0020-04

Abstract： Containment is the last safety barrier between the "nuclear" and the public， and its tightness is very important. Nuclear power plants need to carry out containment tightness tests regularly. In order to improve the accuracy and efficiency of containment leakage detection in nuclear power plant， a new method of containment leakage location detection is explored， that is， by filling helium as a tracer into the containment according to a certain proportion， and making use of the distribution characteristics of the power plant radiation monitoring system around the containment plant， the leakage area can be detected by analyzing the amount of gas leaking from inside the containment. The feasibility of the method and the amount of helium are verified by field tests. The practice shows that the helium mass spectrometry leak detection method can be used in the containment leak detection of nuclear power plants.

Keywords： nuclear power plant; containment; helium mass spectrometry; leakage; leak detection

安全殼是核電廠的第三道核安全屏障，除了具有一般建筑物的承載功能，還保護著一回路系統及設備免受臺風、爆炸、外部飛射物等外來事故的影響。在一回路冷卻劑失水事故（LOCA）工況下，安全殼結構承擔著一回路流體外泄后產生的內部荷載，起到阻止核泄漏事故時放射性物質外漏和保護公共安全的作用[1]。

安全殼結構設計保守，安全系數較大。一般而言，安全殼結構破壞的情況很少出現，截至目前，國內各核電基地均未發生過類似事件。但安全殼整體密封性試驗的標準極高，以中國改進型三環路壓水堆（CPR1000）為例，泄漏率不得超過16 Nm3/h，相當于安全殼完整性邊界開口2 mm孔徑時已超過標準要求（參考運營試驗的經驗值）。同時，考慮到工程建設和運營投產階段的施工過程、在役維護、老化管理和偶然事件等不確定因素，隨著機組數量和使用年限的不斷提升，安全殼結構的完整性破壞事件將大概率發生。根據外部反饋的信息，安全殼結構完整性異常事件已出現過多起。一旦涉及安全殼復雜區域或敏感結構，漏點查找、技術評價、結構維修和評估決策等一系列流程十分復雜，導致運行機組長時間停堆檢修。

1? 氦質譜檢漏原理

氦質譜檢漏儀先在質譜室中將采集的被測氣體電離，再利用電磁場將不同荷質比的離子加以分離檢測，從中檢測出事先安排的示蹤氦離子，其主要由三大組件構成：真空系統、質譜室和電子學控制單元。檢漏儀內部配有一臺旋片式真空泵，用以維持儀器內部的高真空。質譜室是檢漏儀的核心部分，它包括離子源、聚焦、質量分析器和測量部分。質譜室入口連接在渦輪分子泵的前級真空部分，分子泵對不同的氣體具有不同的壓縮比特性，氦氣的壓縮比很小，可以逆著分子泵的抽氣方向流動進入質譜室。在質譜室中氦氣被電離，氦離子通過質量分析器的篩選到達收集極，產生一個正比于離子數量的電流信號，該信號經過放大和處理即為泄漏率[2]。

2? 核電廠安全殼特點

從安全殼的幾何結構來看，就像一個特大承壓容器。以CPR1000堆型為例，如圖1所示，從筏基底部表面至頂面總高度為69.83 m，外徑為38.80 m，筒體壁厚為0.90 m，穹頂壁厚為0.80 m，筏基厚度為5.50 m，其內部除建筑結構和設備外的自由空間為49 400 m3 [3]。

目前，安全殼整體完整性檢測技術較為全面，涵蓋了安全殼泄漏率測量、結構特性評價、表面缺陷檢測等技術領域，但對于安全殼局部漏點的定位，方法比較初級，措施也比較有限。隨著科學技術的發展，超聲波、聲發射、紅外、鹵素檢漏和氦質譜檢漏等方法廣泛應用于泄漏探測定位[4]。各種探測方法適用于不同種類＼不同尺寸＼不同漏率的應用場景，其中，氦質譜檢漏方法是一種可應用于普通設備、容器的常見檢測方法，其響應快速、靈敏性高、性能穩定，但對于結構尺寸巨大的安全殼，沒有可直接應用的方案，需進行深入具體的可行性分析和方案設計。

3? 安全殼氦質譜檢漏方案

一般來講，根據失效概率和經驗，安全殼泄漏的最大可能是由于貫穿件隔離閥或相關管線密封性失效引起的。為查找具體泄漏位置，可向安全殼內充入一定濃度的氦氣，如果某個貫穿件隔離閥失效，則氦氣會通過此處泄漏到安全殼外側的相鄰廠房，通過檢測這些廠房的通風系統是否有氦氣，就可判斷出哪個貫穿件可能出現了泄漏。具體方案如下：將示蹤氣體氦氣注入安全殼內，利用電廠輻射監測系統（KRT）的多區域放射性監測取樣管線，用氦質譜儀探測不同區域的氦氣濃度，從而推斷出安全殼泄漏區域，縮小檢漏范圍，如圖2所示。然后再用便攜式氦質譜儀或超聲波檢漏儀進一步確認泄漏位置，探測路徑如圖3所示[5]。

4? 氦質譜檢漏方案可行性分析

為驗證安全殼氦質譜檢漏方案的可行性，在某核電廠開展了驗證試驗，即直接在安全殼外側的貫穿件隔離閥所在的房間投放一定量的氦氣，通過通風系統的傳導、混合、稀釋，在下游DVW風機處用氦質譜檢漏儀檢測氦峰值和反應時間，并計算出氦氣在空氣中的體積占比，流程圖如圖4所示。下文詳細介紹驗證試驗的具體方案和過程。

4.1? 試驗方案

選定2個典型房間（1號房間和2號房間）對其長、寬、高進行測量，計算出房間體積Vroom，再測量該房間的排風量Qroom，投放氦氣時使用不同儲氣袋容積VHe進行投放，并根據投放速度分為快速投放和慢速投放。

若采用快速投放，房間中短時間加入一定體積的氦氣，則房間空氣中的氦氣體積占比為

由于DVW系統涉及到所有連接廠房（WX）的排風，總風量為QDVW，該房間排風匯入到DVW總管后，氦氣濃度會進一步稀釋，因此，在總管下游DVW風機處空氣中的氦氣體積占比為

若采用慢速投放，氦氣在被投放到房間的同時，已有部分氦氣混入到排風氣流中，則該房間排風管道內氦氣的體積占比為

式中：t為投放時間。

則下游DVW風機處空氣中的氦氣體積占比為

4.2? 試驗數據

1）1號房間的測量面積S1為13.75 m2，高度H1為3.395 m，體積V1約為46.7 m3；排風口風量為451 m3/h；從DVW風機下游的取樣口引出取樣管線，氦質譜檢漏儀放置在DVW風機房間外的走廊，檢漏人員與投氦人員可實時通訊聯絡。

投氦人員在1號房間靠近吸風口處先后使用5、10 L氣袋進行3次初步測試，測試結果見表1。由表1可看出，DVW風機下游可檢測到氦氣。

投氦人員在靠近房間門的地面（離吸風口最遠距離）采取快速和慢速的投放方式，分別投放5、2.5、1.25 L氣袋進行5次正式測試，測試結果見表2。

2）2號房間的測量面積S2為26.4 m2，高度H2為7.73 m，體積V2約為204.1 m3。房間共設有2個排風口，測量排風口風量分別為160、390 m3/h。

投氦人員在2號房間靠近吸風口處使用5 L氣袋進行初步測試，測試結果見表3。由表3可看出，DVW風機下游可檢測到氦氣。

投氦人員在靠近房間門的地面（離吸風口最遠距離）投放氦氣，分別進行了快速和慢速投放，結果見表4。

4.3? 數據分析

4.3.1? 氦氣體積占比計算

根據式（2），1號房間快速投放5、2.5、1.25 L氦氣，可計算得出C值分別為4.0×10-6、2.0×10-6、1.0×10-6；2號房間快速投放1.25 L氦氣，可計算得出C=×=2.8×10-7。

4.3.2? 數據分析結論

試驗數據表明，若采用快速投放，氦氣體積占比會受到氦氣投放量和房間空間體積的影響較大；若采用慢速投放，氦氣體積占比會受到氦氣投放量和投放時長的影響。安全殼泄漏是一個持續過程，與慢速投放過程更為接近，因此，查漏方案中的氦氣體積占比應采用慢速投放公式進行計算更合理。

4.3.3? RX廠房投放氦氣計算

向RX注入一定體積VHe的氦氣進行查漏，RX廠房氦氣的體積占比為

假定RX廠房內的氦氣是均勻分布的，如果RX廠房泄漏率為QL，則從RX廠房泄漏出去的氣體含有CRX比例的氦氣，泄漏氣體中的氦氣泄漏率QHe為

結合式（4）—式（6），可得

以1號房間慢速投放得到的C計算

投入不同體積的氦氣，最終在DVW系統中的氦氣體積占比也會不同，只要保證氦氣濃度能滿足氦質譜檢漏儀的最小可檢漏率，就可實施安全殼氦氣查漏方案。

5? 結論

通過初步驗證試驗的結果可知，氦質譜檢漏方法具備在貫穿件隔離閥密封性失效造成安全殼泄漏的場景下查找漏點的可行性，該方法靈敏度高，響應時間短，查漏效率高，檢漏方案中利用KRT036MA的切換，可判斷出安全殼泄漏區域，進一步通過使用便攜式氦質譜儀或超聲波檢漏儀可確認具體泄漏位置。

參考文獻：

[1] 蘇林森，楊輝玉，王復生，等.900 MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京：原子能出版社，2007：207-209.

[2] 張皓純.氦質譜檢漏技術在火電廠中的應用[J].能源技術，2004，25（6）：257-260.

[3] 賈武同.安全殼打壓試驗中高氣壓環境安全分析[J].大亞灣核電，2015（1）：53-56.

[4] 吳孝儉，閆榮鑫，肖祥正，等.泄漏檢測[M].北京：機械工業出版社，2009：10.

[5] 大亞灣核電運營管理有限責任公司.安全殼密封性超技術規范的查漏導則：CTPLXEPP083[Z].2018：7-9.