比林核研究中心辐射监测系统数字化升级改造技术方案设计
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作者:丁丽 徐鹏程 戴龙文 李华 王亚婷
摘 要：研究阿尔及利亚比林核研究中心一、二期工程（B1/B2）项目升级改造中工艺辐射监测系统的升级改造技术，通过现场就地调研、参照现行适用的标准规范，结合具体系统及设备的情况，经研究分析，确定了101子项反应堆厂房、106子项通风中心和205子项考验回路间的区域辐射监测、燃料破损监测、主换热器泄漏辐射监测、工艺房间放射性气溶胶监测、排出流辐射监测等工艺辐射监测系统的升级改造初步技术方案。
关键词：比林重水研究堆 辐射监测系统 升级改造
中图分类号：TH-3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）05（a）-0090-04
Abstract： This paper studies the upgrading technology of radiation monitoring system of Algeria Birine nuclear research center phaseⅠ and Ⅱ project（short for B1/B2 project）. Based on on-site investigation， by reference to current applicable standards and specifications， in view of the specific status of system and equipment， detailed research and analysis were done. Finally， The upgrading technology scheme of the radiation monitoring system in 101subitem，106 sub item and 205 subitems is determined which consists of Area Radiation Monitoring， Fuel Failure Radiation Monitoring， Main Exchanger Leakage Radiation Monitoring， Radiative Gas Monitoring and Effluents Radiation Monitoring，
Key Words： Birine nuclear research center; Radiation monitoring system; Upgrading and modification
1 B1/B2項目背景介绍
20世纪80年代，中国与阿尔及利亚两国政府签署了《关于和平利用核能合作议定书》。中方为阿方设计建造了一座15MW重水研究堆（即比林一期工程）、燃料和材料辐照后检验热室及燃料元件考验回路（即比林二期工程）。自建成后迄今，已有20多年，设备老化、备品不足及与现行标准规范不相符等问题突出，2014年12月，中阿双方签署了比林核研究中心一、二期升级改造合同。本文主要论述辐射监测系统数字化升级改造的技术方案设计。
2 改造目标、范围与内容
本工程的升级改造目标是，遵照我国现行标准和国际通用标准，实现比林堆辐射监测系统的现代化和数字化[1]。改造范围包括反应堆厂房、通风中心和考验回路工艺间的辐射监测仪表和全厂辐射监测系统。改造内容包括区域辐射监测、燃料破损监测、主换热器泄漏辐射监测、工艺房间放射性气溶胶监测、排出流辐射监测等系统。
3 改造技术方案
3.1 总体方案设计
将原就地一次仪表/二次数据处理仪表均拆除，部分系统保留部分原系统管道，更新辐射监测仪，重新设计辐射监控系统。辐射监测仪能量及测量范围需满足使用要求，具有至少一个RS232端口和两个独立RS485通讯口，可提供两路独立的0/4～20mA模拟量输出及一路独立模拟量输入，具有就地三级声光报警功能。
辐射监测仪的探测器输出模拟信号至就地处理箱，经处理后输出开关量信号及数字信号，其中开关量信号送报警装置，数字信号通过485信号线送至101子项辐射监测控制室内的专用计算机，辐射监测值班员可在专用计算机上实时查询各辐射监测系统设备运行状态及监测数据，并可授权对相应辐射监测回路中的动力设备进行控制。同时，专用计算机通过TCP/IP网线将信号传送给反应堆监控系统，实现在主控室进行显示和报警。
辐射监测专用计算机系统完成对各子项内辐射监测参数的统一监控，监测结构如图1所示。计算机监控系统设置主机一台，通讯机柜一台，以及相应的配套电缆等。各就地辐射监测仪将测量信号传送至辐射监测专用计算机，配置专用软件，用以实现各工艺房间、工艺流程中放射性水平的实时监测和控制，辐射监测专用计算机与反应堆监控系统的数据传输采用TCP/IP方式接口通讯，其系统配置如图2所示。
3.2 区域辐射监测系统改造
区域辐射监测系统探测射线类型分为区域γ辐射监测和区域中子辐射监测。区域辐射监测系统由多个测量通道组成，其中每个测量通道由探测装置、测量装置、报警装置等组成。
更新全部区域γ和区域中子辐射监测仪。对于γ辐射水平存在高、低不同状况的工艺房间，分别设置高、低量程两种区域γ辐射监测仪表，采用硅半导体探测器监测较低辐射水平，采用电离室探测器监测较高辐射水平。在运行期间禁止入内的强辐射区域，采用墙嵌式电离室探测仪，探测装置安装于就地工艺房间，测量装置安装于隔壁工艺房间，以便于维修和更换。区域γ监测仪测量范围为0.1～1×107Gy/h，能量范围为60keV～3MeV[8]。区域中子监测仪测量范围为1.0～1.0×105Sv/h[2]。当探测值超过预设报警值时，触发报警装置发出声光报警信号。 3.3 燃料破损监测系统改造
3.3.1 燃料破损气放辐射监测系统
拆除原监测仪及其前后段取样管线，更换监测回路中主要监测设备。采用不锈钢引出管从氦气回路中引出少量氦气（100L/h），经冷凝器，流量计、过滤盒、两台低、中量程探测器后返回氦气回路，形成“气放”监测小回路。一台低量程监测仪采用硅半导体探头，测量范围10-6～10Gy/h，另一台中量程监测仪采用电离室探头，测量范围10-5～103Gy/h。当连续监测仪表的读数升高时，初步判燃料元件可能有破损，通过对监测数据的变化趋势进行分析，进一步确认破损的程度。在取样回路前端设置过滤盒，用以进行气体杂质过滤及气溶胶取样，并设有短接支路，用以旁通取样过滤盒，便于过滤盒的更换及检修。取样过滤盒的尺寸与现有实验室测量仪器测量标准相匹配。
3.3.2 燃料破损液放辐射监测系统
本监测仪利用回路内不同位置的压力差，由压力较高的主换热器出口处取主冷却剂水样至取样监测回路，经前端蛇形管将16N衰变后，取样水进入带屏蔽的探测装置，测量水中γ放射性，经取样管线流入压力较低的冷却泵入口，实现对重水液放连续监测。
拆除原监测仪及其进出口附近管线，更新后的监测仪测量液体进出口管线口径与原有测量系统进出口管线相匹配，进入监测仪内部的测量管线采用4П铅屏蔽体;监测仪探测装置安装在就地支架上，测量装置可就近安装[7]。采用NaI（Tl）探头+光电倍增管（内置241Am源，用以补偿由温度引起的谱峰漂移）的监测仪，配套4П铅屏蔽包覆，测量射线能量范围为100keV～7MeV，测量范围为3.7×103Bq/m3～3.7×109Bq/m3，探测装置配套安装有检查源及其承载器。
3.4 主换热器泄漏辐射监测系统改造
主热交换器重水泄漏辐射监测系统主要用于二次水回路中放射性物质的监测。当主热交换器内管或内管两端焊缝破裂时，重水将渗入二次水回路中，造成二次水污染。因此连续监测二次水回路中放射性物质浓度，可以判断主热交换器的完整性。
拆除原系统供电及信號控制电缆，保留原系统取样回路部分，更换辐射监测仪、流量计及排放和取样截止阀。选用碘化钠监测仪，探测装置安装于屏蔽室内，有效测量范围为3.7×103～3.7×109Bq/m3。
3.5 放射性气溶胶辐射监测系统改造
本监测系统主要用于连续监测反应堆正常运行期间35个取样点区域内气体的放射性活度。设置有8个空气放射性气体辐射监测通道，采用巡检方式监测。取样点的选择由电磁阀控制，可在辐射监测与控制计算机系统操作。该系统主要由取样回路、探测装置、控制测量装置组成。取样回路包括电磁阀、过滤盒、抽气泵等设备。系统采用取样管路通过抽气泵抽取各个取样点的空气送入带屏蔽的探测装置，测量总β放射性活度。
拆除原系统供电及信号控制电缆，保留部分取样管道，更换放射性气体监测仪，更换取样口位置处的电磁阀及过滤盒。监测仪有效测量范围为104～3.7×108Bq/m3。
3.6 通风中心排出流辐射监测系统
通风中心排出流辐射监测系统实时监测比林堆烟囱气态放射性气体浓度，为判断和评价正常运行工况及异常时，反应堆气态流出物对环境的影响提供基础数据。
拆除原放射性气体监测仪、微粒取样器、碘取样器、氚取样器、流量计及其管线和阀门，仅保留进出口取样管线。增加在线微粒监测仪、碘监测仪、氚取样器和惰性气体监测仪，增加系统取样泵及相应连接管线、干燥箱、快速接头及阀门等。
通风中心排出流辐射监测通道取样口设在离烟囱5m远的总风道内的中心部位上，取样气体经管线进入工艺测量房间，经放射性微粒监测仪、放射性碘监测仪、放射性惰性气体监测仪、氚取样器，然后汇入排出总管，接至通风系统管道的风机吸入口[3]。在通道的取样管线中预留快速接头，必要时，可进行气体取样送实验室测量。
惰性气体监测仪[5]：测量射线类型为β、γ，测量射线能量范围为80keV～2.5MeV，测量范围为3.7×104Bq/m3～3.7×1011Bq/m3。
碘监测仪[6]：测量射线类型为γ，测量射线能量范围为100keV～3MeV，测量范围为3.7Bq/m3～3.7×105Bq/m3，探头选型为NaI（Tl）+光电倍增管且配有4П铅屏蔽包覆，碘盒的俘获效率大于99%。
气溶胶监测仪[4]：测量射线类型为α、β，测量射线能量范围为2MeV～10MeV（α射线），80keV～2.5MeV（β射线），测量范围为10-2Bq/m3～104Bq/m3（α射线），1.0Bq/m3～3.7×107Bq/m3（β射线）。
系统测量流程如图3所示。
4 遇到的主要问题及解决方案
原区域辐射监测系统采用模拟量信号，报警信号统一传送至反应堆主厂房地下室60号房间，通过60号房间的控制柜实现报警和定期检查等功能。本次改造后，60号房间的控制柜拆除，各辐射监测仪的就地测量装置将信号传送至位于厂房三层的辐射监测专用计算机，不再经过控制柜，这需要重新设计电缆敷设方式。
同时，原通风中心和考验回路的各监测仪信号仅分别送至各自的监控点，本次改造后，需分两路，一路送至子项监控站，另一路送至辐射监测专用计算机，这就需要重新设计电缆敷设方式。
依据就近原则，将改造涉及的辐射监测系统设备按子项分为三大组，充分利用原预埋的电缆贯穿件，每组采用“串接并联”方式连接入辐射监测专用计算机。即信号线接线是串接的，但线内是并联的，这样可以避免当其中一台设备出现故障时不影响其它设备的正常通讯。
5 结语
改造项目与新建项目不同，其具体的改造方案，必须考虑原有运行条件和现场建设条件的限制，最大程度的利用现有配套设施和条件，同时遵照现行标准满足现代化数字化功能的实现，技术难度比新建项目大。比林堆一、二期工程升级改造项目已于2019年3月13日实现15MW满功率运行72h的验收目标。调试和运行实践证明，比林堆辐射监测控制系统的数字化升级改造设计是成功的，系统仪器设备性能和运行特性达到了设计预期。
参考文献
[1] 《比林核研究中心一、二期工程现有核设施及辅助系统设计改造项目合同》的《技术说明书》2013.6.
[2] EJ/T 1011-96，固定式中子剂量当量仪、报警装置与监测仪[S].1996-04-18.
[3] GB/T12726.2-2013《核电厂安全重要仪表事故及事故后辐射监测 第2部分：气态排出流及通风中放射性离线连续监测设备》[S].中国国家标准化管理委员会.2013.12.17.
[4] GB/T 7165.1-2005，《气态流出物（放射性）活度连续监测设备 第一部分 一般要求》[S].中国国家标准化管理委员会.2005.
[5] GB7165.3-2008，《气态排出流（放射性）活度连续监测设备 第三部分：放射性惰性气体监测仪的特殊要求》[S].中国国家标准化管理委员会.2008.
[6] GB 7165.4-2008，《气态排出流（放射性）活度连续监测设备 第四部分：碘监测仪的特殊要求》[S].中国国家标准化管理委员会.2008.
[7] EJ/T 708-92，《轻水堆正常工况和预计运行事件下的工艺流辐射监测设备 一般要求》[S].CN-EJ.1992.12.07.
[8] GB14054-2013，《辐射防护用固定式X，γ辐射剂量率仪、报警装置和监测仪》[S].中国国家标准化管理委员会.2013.
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