LBB泄漏监测系统在三代压水堆核电厂的应用研究

蒋天植　沈峰　杨戴博　王银丽　黄有骏　袁彬

【摘 要】LBB（Leak-Before-Break）技术是保证核反应堆结构安全和可靠的一種重要分析方法，广泛应用于三代核电堆型中。该技术降低了核电厂设计、建造及维护的复杂性，提升了核电厂的经济性。本文对LBB技术在三代核电堆型中的应用情况进行了研究，并对各堆型中基于LBB技术的泄漏监测系统的原理、技术特点及性能指标进行了介绍和分析。最后，对各种探测技术进行了总结。

【关键词】LBB；压水堆；泄漏监测；三代核电厂

Study on Application of LBB （Leak Before Break） Detection System in Third Generation PWR Nuclear Plant

JIANG Tian-zhi SHEN Feng YANG Dai-bo WANG Yin-li HUANG You-jun YUAN Bin

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China，

Chengdu Sichuan Prov. 610041， China）

【Abstract】LBB （Leak-Before-Break） is an important analysis method for insuring the structure safety and reliability of nuclear reactor， which is widely used in the third generation of PWR. By using LBB technology， the complexity of design， construction and operational of nuclear power plant is reduced， which improves the economic efficiency. This paper investigates the application of LBB technology in the third generation PWR， and gives a description and analysis of the principle， technology characteristic and performance index of the leak detection systems based on LBB technology. Finally， this paper gives a summary of the leak detection systems.

【Key words】LBB；Pressurized water reactor； Leak detection system； Third generation nuclear power plant

0 引言

三代核电总体设计准则要求：对安全重要的结构、系统和部件必须被设计成能够承受正常运行、预期瞬态和假定事故工况的影响。当分析证明流体系统管道破裂的概率极低时，由于管道破裂引起的动力效应的影响可以不考虑[1]。

LBB（Leak Before Break）简称“破前漏”，其主要原理是在管道裂纹扩展到发生突然破裂的临界裂纹尺寸前，其泄漏量已大到可以监测出来，以提醒操作员进行及时修复，避免突然破裂的发生，从而在设计中可以不考虑管道破裂引起的动力效应的影响。

目前世界上各种三代核电堆型都采用了LBB技术，该技术应用在管道上用来取消管道破裂动力效应的评估，主要包括以下四方面的内容：材料选择、分析、检查和泄漏监测。本文主要研究LBB泄漏监测系统在各种三代核电堆型中的应用情况。

1 泄漏监测方法介绍

1.1 泄漏的分类

核电厂的泄漏主要分为三大类，可识别泄漏、不可识别泄漏及系统间泄漏：

（1）可识别泄漏：流入收集系统的泄漏流，例如被收集和测量的从泵密封或者阀填料漏出的泄漏流；从已明确规定其位置并已明确识别的泄漏源进入安全壳内大气的泄漏，这种泄漏既不妨碍未确定泄漏探测系统的运行，也不是来自反应堆冷却剂压力边界的裂缝。

（2）不可识别泄漏：泄漏位置没有被发现，或虽已找到泄漏部位但其泄漏率仍是未确定的泄漏。

（3）系统间泄漏：泄漏发生在系统之间。

基于LBB技术的泄漏监测系统主要监测不可识别的泄漏并对其进行定位、定量分析，并产生相应的报警。

1.2 泄漏监测方法对比

各种泄漏监测方法见表1。表1对每种监测技术的泄漏监测灵敏度，泄漏量监测准确性及泄漏定位三个指标进行了分析，表中A代表如果设计合理该方法可广泛适用，B代表如果设计合理在部分范围可适用，C代表如果设计合理除了一些特定的泄漏一般不推荐使用。

从表1的对比分析中可知，没有哪一种方法能够完全满足电厂泄漏监测灵敏度，泄漏量监测准确性及泄漏定位三个指标。目前，专用的LBB泄漏监测系统有基于声发射的泄漏监测方法和基于温湿度测量的泄漏监测方法。

1.2.1 基于温湿度测量的泄漏监测方法

基于温湿度测量的泄漏监测方法是基于管道泄漏后周围环境中空气的湿度与温度变化来判断泄漏量，以及通过两个湿度探测器探测到湿度的变化率来判定其泄漏位置。在实际的电厂运行中，如果管道发生破裂其泄漏出来的液体或蒸汽将逐渐扩散到周围空间中，考虑到在泄漏点两边探测器距离泄漏点的距离不同，因此不同探测器的信号变化率会有所不同，在这个原理上可以确定泄漏量及泄漏位置。

1.2.2 基于声发射的泄漏监测方法

由于被测管道内外存在较大的压力差，这样在管道出现泄漏时会产生噪声，该噪声的声波会改变管道周围声波场的分布，声波值（dB）的大小与探测器距离泄漏点的位置及泄漏量的大小成比例，ALMS就是利用这种原理在被测管道或设备上布置相应规模的声波探测器用来确定泄漏的位置及泄漏量。

在ALMS系统中认为声波场在泄漏点附近的数值分布符合高斯分布，每个声发射噪声信号由两部分组成：来自泄漏点的噪声（UT）及背景噪声（UΦ）：

噪声探头的信号将送往信号放大器转化为uV信号，通过以下的公式将采集到的uV信号转换为dB值：

M：转换后的dB数值。

转换后泄漏点的噪声值可由以下公式计算：

上述公式须在相邻探测器噪声值持续增长至少3dB的基础上进行计算，该原则也是噪声探测器布置的重要原则。

从泄漏点到第一个探测器的距离由以下公式获得：

L：泄漏点到第一个探测器的距离

l1：两个噪声探测器之间的距离

a：噪声沿管道的衰减参数

U1T、U2T：噪声探测器1及噪声探测器2的平均信号

噪声探测器测得信号的强弱与泄漏量大小的关系如下：

G=kUγ

γ：根据泄漏口形式及其他情况，该值在1～2之间取值

G：泄漏量

2 国内外三代核电中LBB技术及LBB泄漏监测系统应用研究

2.1 AP1000 堆型

基本设计准则2和30分别对厂址周围自然灾害的防护及反应堆冷却剂系统压力边界的泄漏质量及泄漏定位提出了要求。结合RG1.45[2]，AP1000为反应堆冷却剂压力边界（RCPB）泄漏监测提供一种适用的探测方法。

AP1000没有设置专用的LBB泄漏监测系统，通过其他系统的信息和报警，综合判断泄漏情况，以支持安全壳内高能管道LBB准则的应用。

RG1.45要求至少采用三种独立的方法对不可識别泄漏进行监测，AP1000采用了安全壳地坑液位监测，反应堆冷却剂系统装量平衡，安全壳大气辐射监测仪，安全壳压力、温度和湿度监测仪对不可识别泄漏进行探测。

反应堆冷却剂压力边界和其他设备泄漏到安全壳内的不可识别泄漏会冷凝并在重力作用下，通过地面疏水和其他疏水途径流入安全壳地坑。安全壳地坑液位传感器能够监测液位的变化，电厂数据显示和处理系统（DDS）根据传感器信号计算不可识别泄漏的泄漏总量和泄漏率（不可识别泄漏由总泄漏量减去可识别泄漏）。最小的可检测泄漏率是0.007m3/h（0.03gpm），如果泄漏率大于0.114m3/h（0.5gpm），则在主控制室中产生报警。

反应堆冷却剂系统装量平衡可对0.030m3/h（0.13gpm）的泄漏进行监测；安全壳大气辐射监测仪可对0.114m3/h（0.5gpm）的泄漏进行监测；安全壳压力、温度和湿度监测仪可以用来帮助确定和定位泄漏，但不能用来确定泄漏量。综合上述系统的信息，AP1000能够对不可识别的泄漏进行定位定量监测，并产生相应的信息和报警。

2.2 VVER堆型

田湾核电站1、2号机组采用了VVER堆型，在设计阶段，基于俄罗斯GAN批准的LBB准则，“破前漏”（LBB）准则被应用于一回路管道。俄罗斯导则中的方法与国际惯例普遍采用的方法相符。

为了满足“破前漏”（LBB）方案应用的要求，采用不同冷却剂泄漏检测的物理方法和原理来建立复杂泄漏监测系统。VVER堆型采用了两个专用的LBB泄漏监测系统：基于声发射的泄漏监测系统ALMS（Acoustic leak monitoring systems）和基于温湿度的泄漏监测系统HLMS（Humidity leak monitoring systems）。同时，通过与辐射监测系统的信息交互情况对泄漏进行综合分析。

ALMS系统能够对核反应堆装置一回路设备以及管道大于等于3.8升/分钟的泄漏进行定位定量判断。泄漏发生时信息延迟不超过3分钟，泄漏位置检测以及泄漏量的估算延迟不应超过10分钟。泄漏量估算的相对误差不超过±50%，泄漏位置检测的相对误差不超过已经检测到泄漏的相邻指示器之间区域长度的±50%。

HLMS系统能够对核反应堆装置一回路设备以及管道大于等于1升/分钟的泄漏进行定位定量判断。泄漏发生时信息延迟不超过3分钟，泄漏位置检测以及泄漏量的估算延迟不应超过10分钟。泄漏量估算的相对误差不超过±50%，泄漏位置检测的相对误差不超过已经检测到泄漏的相邻指示器之间区域长度的±50%。

辐射监测系统是机组仪表与控制系统的一部分，通过连续监测房间中惰性气体体积活度来实现冷却剂泄漏检测。当一回路中惰性气体体积活度取决于燃料棒包壳的表面污染时，灵敏度不小于3.8升/分钟。辐射监测系统能够保证检测到泄漏并可以将泄漏位置定位到各个房间。

2.3 “华龙1号”堆型

“华龙1号”在主管道和波动管上采用LBB技术，为保证该技术的实施，设置了专用的主管道和波动管LBB泄漏监测系统。该系统采用基于声发射的泄漏监测方法，在机组正常运行工况的不同功率水平下和停堆工况下，监测主管道和波动管的密封性能，以便早期发现冷却剂的泄漏，并对泄漏进行定位和定量分析。

主管道和波动管LBB泄漏监测系统能够对主管道和波动段大于等于3.8升/分钟的泄漏进行定位定量判断。泄漏发生时信息延迟不超过3分钟，泄漏位置检测以及泄漏量的估算延迟不应超过10分钟。泄漏量估算的相对误差不超过±100%，泄漏位置检测的相对误差不超过已经检测到泄漏的相邻指示器之间区域长度的±50%。

2.4 EPR堆型

EPR堆型在设计、设计论证、制造检查、在役监控等各个阶段采取预防措施，以强调不可能发生管道破裂及论证在整个电站寿期内一回路管道的完整性。泄漏监测系统能够在管道发生破口断裂（临界裂纹）之前探测到泄漏，从而保证“破前漏”（LBB）准则的实施。

在安全壳内，利用对湿度、冷凝装置中冷凝物流量和地坑液位的测量来探测泄漏率，可以探测到安全壳内部任何部位的泄漏。安全壳外部的蒸汽发生器管线泄漏依靠定期的巡视和泄漏探测系统实现检测。为了进行灵敏度分析，上述系统的最小可探测泄漏率至少要达到3.8升/分钟。

3 总述

通过以上分析，“破前漏”（LBB）技术广泛应用于各三代核电堆型中，不同堆型基于自身的技术特点，采用了不同的方法、原理来实现LBB泄漏监测。在后续项目中，可参考各种技术的优点，选择合适的方法实现LBB泄漏监测。

【参考文献】

[1]United States Nuclear Regulatory Commission， Appendix A Part 50， General Design Criteria for Nuclear Power Plant，US NRC，Washington.

[2]United States Nuclear Regulatory Commission， Regulatory Guide 1.45， Guidance on Monitoring and Responding to Reactor Coolant System Leakage， US NRC， Washington， （2008）.

[责任编辑：朱丽娜]