核电站PING监测系统

张杰

【摘 要】根据国家战略需要，近年来核电产业在我国迅猛发展，同时核电的安全性也随着提升到重要的高度。PING监测仪用于监测核电站反应堆厂房一回路泄漏的辐射剂量并向主控室提供报警信息，供操作人员按照相关章程采取相应措施，是核电站不可缺少的重要设备。

【关键词】核电站；PING监测仪；取样气体

1 综述

压水堆核电站一回路由反应堆、蒸汽发生器、反应堆冷却剂泵、稳压器等设备以及连接管路组成，如果一回路压力边界完整性被破坏了，就会引起反应堆冷却剂异常泄漏。不但影响核电站的正常运行和安全同时还造成对周围环境的污染。因此对压力边界泄漏的监测十分重要。通过对反应堆厂房内空气中气溶胶颗粒（Particulate）、碘131（Iodine131）和惰性气体（Noble gas）放射性的测量来判断一回路压力边界是否发生泄漏，可实现上述功能的仪器称为PING监测仪，是核电站重要设备。如下图所示，气溶胶颗粒、碘131和惰性气体的测量共用一个取样点和取样泵，采样气体依次经过气溶胶颗粒、碘131和惰性气体测量单元。因为在同一点取的样品，、通过对三个监测单元的测量结果进行比较，可以更加可靠和准确的判断泄漏率。

2 气溶胶颗粒监测

反应堆运行时会产生裂变产物和腐蚀活化产物，当压力边界破损造成裂变产物和腐蚀活化产物以微小固体颗粒或液体粒子的形式悬浮在空气中，我们将之称为气溶胶颗粒（颗粒直径范围在10-3和103μm）。气溶胶颗粒监测单元可连续监测微尘α/β的体积活度（测量范围α为10-3-5x104Bq/m3；β为1-106Bq/m3），组成包括：取样管路、取样容器、过滤纸盒、探测器、气体质量流量计、压力开关就地处理单元、就地显示单元、供电单元、隔离阀和旁路隔离阀、旁路去尘过滤器和真空泵。互为备用的两台气体取样泵抽取安全壳内的空气，取样气体首先经过取样容器，取样容器是一个不锈钢的部件，特殊的曲线形状可使放射性气溶胶颗粒尽可能的不损耗粘在壁上同时均匀的分布在滤纸上，随着时间的增长，颗粒逐渐收集沉积在过滤纸上。一对硅探测器【第一个探测器用于测量α-β-γ辐射，第二个探测器只用于测量γ（微尘和环境本底）】及前置放大器置于铅室内，其正对着过滤纸上收集的气溶胶，探测气溶胶的α和β放射性。探测器的输出脉冲计数率与过滤纸上的α和β放射性成正比，脉冲幅度与测量的α和β射线能量成正比。探测器输出信号至就地处理单元，经处理和计算后将测量结果在就地显示并送主控制室计算机系统。测量结果与流量、脉冲计数率、测量时间、探测效率和滤纸的过滤效率有关。

过滤纸走纸有就地处理单元控制，滤纸长度大约10m，每次走纸长度约50mm，因此一卷滤纸大约可走纸200次，正常情况下一卷纸可用2个月时间，走纸是匀速的。导致走纸的原因：

正常走纸：周期性走纸（可设置，一般为168h）；

升降器抬起后

手动驱动走纸

非正常走纸：ΔP（ΔP 为滤纸上、下的气压差）过高（阻塞滤纸即滤纸上灰尘太多）

ΔP过低（滤纸破了或已走完）

流量过高或过低（通常是取样空气流量计的问题）

Cps计数率过高（通常是探头被粘污）

3 碘131监测

碘131监测系统包括：探测器、活性碳盒、铅屏蔽外罩、气体质量流量计、压力开关就地处理单元、就地显示单元、供电单元、隔离阀和旁路隔离阀。活性碳盒可以有效地从取样空气中把元素碘收集下来，只要不超过活性炭对碘的吸附容量。所谓吸附容量是指活性炭采集碘时，当达到这个容量时，活性炭就失去了进一步采集碘的能力。NaI闪烁探测器对着碳盒，外面罩有5cm厚铅屏蔽，可确保了4π的保护以避免环境的γ本底影响。NaI闪烁探测器探测活性炭滤筒上沉积物的总γ放射性，测量范围为3.7-3.7x106Bq/m3，241。碳盒和探测器之间很近的距离可使探测效率最优化并且避免任何的效率损失。Am源嵌于NaI闪烁体中与温度探头一起使能量谱稳定并对温度变化造成的潜在的漂移/损失进行补偿，温度探头安装在距闪烁体很近的地方，探测器输出脉冲和温度信号由测量单元处理、计算。测量单元由电荷前置放大器、主放大器、多道脉冲幅度分析器和单道脉冲幅度分析器等组成。它们将探测器输出的γ脉冲放大、分类和成形，仅由I131产生的γ脉冲才被数字式率表记录。数字式率表配有专用的线性回归软件。数字式率表上显示出相应于取样点的实时放射性，而不是过滤器上沉积物的放射性。

4 惰性气体监测

U235核裂变产生裂变气体，根据安全壳内空气中取样气体流动时间和惰性气体的半衰期选择氙和氪作为连续监测的对象，连续在线监测其β放射性，测量范围为104-1010Bq/m3。系统包括：探测器、活性碳盒、铅屏蔽外罩、气体质量流量计、压力开关就地处理单元、就地显示单元、供电单元、隔离阀和旁路隔离阀。系统取样点与气溶胶颗粒测量和碘131测量共用。取样容器为不锈钢材质，体积为300cm3。进气口和出气口位置交错，以使取样气体在容器内更好的混合便于监测。为了尽可能减少干扰，取样气体在被探测前还要再经过一次过滤。过滤后的含有惰性气体的取样空气由差分电离室（即补偿电离室）探测惰性气体的β放射性。差分电离室外面罩有5cm厚铅屏蔽以避免外界的影响，其与取样容器之间隔着一层钛膜，起到密封隔离作用。差分电离室由两个电离室组成，其中的主电离室对β射线和γ射线都灵敏。主电离室加正高压，取样气体流经主电离室，由主电离室探测取样气体的放射性，其输出电流为Iβ+Iγ；补偿电离室是密封式的，加负高压，它只对γ射线灵敏，它的输出电流为-Iγ。Iγ主要是环境本底形成的。两个电离室有同一个收集电极，所以差分电离室输出电流为Iβ+Iγ-Iγ=Iβ。差分电离室输出的电流信号传送到测量单元，测量单元将电流信号转换成电压脉冲信号，电压脉冲经过放大、整形后传送到信号处理单元。

5 结束语

福岛核事故后，能否处理好核电安全问题，是核电产业未来能否继续发展的关键问题。PING监测仪作为涉及到核电站安全的设备，是核电站保护系统的重要一环。由于国外设备对领域的垄断，对国内采购价格、使用运行和备件的提供都十分不便，因此国产PING监测仪的研究与开发工作迫在眉睫。

【参考文献】

[1]凌球，郭兰英，等.核电站辐射测量技术[M].北京：原子能出版社，1998：57-71.

[责任编辑：张涛]