蒸汽发生器传热管泄漏的辐射防护响应

何李源

摘 要：介绍了APA1000蒸汽发生器传热管泄漏的运行工况。基于蒸汽发生器传热管泄漏运行工况下辐射影响的分析，提出了AP1000核电厂在蒸汽发生器传热管泄漏工况下的辐射防护措施。

关键词：AP1000；蒸汽发生器；传热管；泄漏；辐射防护

中图分类号：TL33 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）23-0125-03

蒸汽发生器其主要功能是将一回路冷却剂的热量传递给二回路的水，并使之变为蒸汽。同时蒸汽发生器作为一回路与二回路的边界，也承担着隔离一回路放射性的功能。

在蒸汽发生器一/二回路之间没有发生泄漏的情况下，二回路的系统或设备没有放射性。在运行过程中，蒸汽发生器传热管在运行过程中不可避免地会出现如一回路应力腐蚀、二回路应力腐蚀、微振磨损、凹痕、高周疲劳、点蚀和耗蚀等传热管降质，传热管的降质将会导致一/二回路的放射性屏障受到破坏，进而引起一回路冷却剂向二回路泄漏，使得二回路的系统和设备带有放射性。

本文针对三门核电可能存在的蒸汽发生器传热管泄漏的工况，分析在蒸汽发生器泄漏工况下二回路可能的放射性水平和汽轮机厂房受影响的区域，并提出了蒸汽发生器泄漏工况应采取的辐射防护措施，为蒸汽发生器传热管泄漏的辐射防护响应提供参考。

1 AP1000蒸汽发生器介绍

三门核电采用的是西屋公司的AP1000压水堆核电技术，其蒸汽发生器为Δ125型立式壳体U型传热管自然循环式的蒸汽发生器，每台机组两台。每台蒸汽发生器传热管的数量为10025，总换热面积为11477m2。正常运行情况下，反应堆冷却剂由热段管嘴进入蒸汽发生器一次侧水室，经倒置的U型管返回一次侧水室，最后返回堆芯。反应堆冷却剂在U型管内将热量传递给二次侧，将二次侧的水加热为蒸汽，蒸汽进入汽轮机做工后在凝汽器内凝结成水，最后返回蒸汽发生器。

参与二回路的水汽循环的主要系统为蒸汽系统、给水系统（FWS）、蒸汽发生器排污系统（BDS）、凝结水系统、凝结水精处理系统（CPS）等，水汽循环如图1所示。在设计基准情况下，一回路冷却剂向二回路发生泄漏，泄漏期间这些系统将带放射性，而蒸汽发生器排污系统和凝结水精处理系统中的树脂则会有一定的放射性累积[1]。

2 SG传热管泄漏的辐射影响分析

2.1 泄漏运行工况

在EPRI（美国电力研究院，下同）的导则-《PWR PRIMARY TO SECONDARY LEAK GUIDELINE》中规定[2]，单台蒸汽发生器允许的最大泄漏为568升/天（150加仑/天：gpd），并规定了不同泄漏率情况下电厂需要采取的行动。

AP1000电厂根据导则规定，设定单台蒸汽发生器允许的最大泄漏率（以下如无特殊说明均为单台）为150gpd，并通过主蒸汽管线N-16辐射监测通道SGS-JS-26B/27B（通道布置如图2所示，参数如表1所示）直接显示判断其泄漏率。一旦泄漏率大于150gpd，需要在6小时内将电厂置于模式3（热备用状态）。泄漏率在75～150gpd且泄漏率增加率大于30gpd/h，电厂需要在1小时内将功率降至50%以下，并在接下来的2小时内将电厂置于模式3；如果泄漏率增加率小于30gpd/h，需要在24小时内将电厂置于模式3。当泄漏率在30～75gpd时，每15分钟通过SGS-JS-26B/27B确定传热管泄漏率，每4小时取样一次定量确定泄漏率。当泄漏率在5～30gpd，需要每15分钟通过SGS-JS-26B/27B确定传热管泄漏率，如果传热管的泄漏率在1小时内维持稳定，需要每2小时确定泄漏率并将SGS-JS-26B/27B报警值重置高于当前读数但不低于75gpd。当泄漏率小于5gpd时，重置SGS-JS-26B/27B报警值，使其高于当前读数但不高于30gpd。

除了SGS-JS-26B/27B外，电厂在二次侧布置了多个辐射监测通道用以指示和探测一次侧向二次侧是否存在泄漏，一旦这些监测通道探测出放射性异常，电厂进入蒸发器传热管泄漏规程，使电厂保持在技术规格书的限值内运行。

在蒸汽发生器排污系统（BDS）设置了EDI（电离除盐单元）净水出口辐射监测器（BDS-JS-010）和EDI浓水排污辐射监测器（BDS-JS-011），两个监测通道的报警值设置相同。当BDS-JS-010辐射水平达到3.7×104Bq/m3时，控制排污导向阀将EDI的净水出口将直接导向WLS的流出物排放监测箱；达到7.4×104Bq/m3时，关闭排污隔离阀和排污流量控制阀，旁路EDI模块，避免放射性在除盐单元上持续累积达到不可接受的水平。

对于凝结水精处理系统，在上述设计基准情况下，凝结水精处理系统仅有当二回路水质不满足技术规格书的要求时才投入运行，因此CPS除盐床将不会累积太高的放射性。

2.2 泄漏后二次侧源项

在进行二回路的辐射屏蔽计算时，基于偏保守考虑，使用的是在泄漏率为AP1000允許的最大泄漏率300gpd、单台蒸发器最大泄漏率为150gpd且燃料包壳破损率达到0.25%情况下的源项[3]。

在上述设计基准条件下，二次侧蒸汽源项如表2所示。

在对EDI模块进行屏蔽计算时，假定流入EDI单元的排污流中的放射性物质都滞留在EDI的树脂中，且不会释放到EDI单元的净水和浓水中。同时基于技术规格书中的规定，当蒸汽发生器传热管发生泄漏时，电厂将会在24小时内进入模式3。因此本文选取的是电厂在泄漏工况下运行24小时的源项数据进行讨论。在此基础上，分别得到EDI单元树脂内主要核素活度浓度，如表3所示。

蒸发器排污系统热交换器源项使用的是二次侧液相源项数据，其源项数据如表4所示。

2.3 可能受影响区域分析

蒸汽发生器发生一回路向二回路泄漏的情况时，二次侧可能受到放射性影响的区域包括BDS排污热交换器房间、EDI除盐单元隔间、排污过滤器间、凝结水精处理单元隔间、凝结水泵房等区域[4]。endprint

2.3.1 第一跨的影响

在设计基准工况下，利用设计基准源项计算得到EDI单元设备表面30cm处最大剂量率水平将达到8.96mSv/h，即其辐射水平将达到AP1000设计分区V区（1～10mSv/h）的辐射水平，对应于《压水堆核动力厂厂内辐射分区设计准则》（NB/T 20185-2012）中规定的橙区的辐射水平，即属于高辐射区[5]。AP1000在设计上基于10CFR20的要求[7]，对于辐射水平在1～10mSv/h的区域需要考虑通过设置路障等措施对其进行管控，例如采取设置链条或者设置隔离栅栏等方式。

利用设计基准源项计算得到BDS热交换器表面30cm处的剂量率达到10μSv/h而BDS热交换器间，其辐射水平已达到了设计分区II区的上限，对应于《压水堆核动力厂厂内辐射分区设计准则》标准规定的绿区。

2.3.2 常规岛其它区域

凝结水精处理系统仅有当二回路水质不满足技术规格书的要求时才投入运行，因此凝结水精处理单元预计不会累积太高的放射性，这些区域的辐射水平仍维持在设计分区I区的水平内。对于主蒸汽管线区域，利用Mercurad软件使用二次侧蒸汽源项计算得到主蒸汽管线区域附近的辐射水平将维持在设计分区的I区水平（0.5～2.5μSv/h）[6]。

由于传热管的泄漏，二回路水汽相关系统均含有放射性物質，一旦系统存在泄漏，汽轮机厂房存在放射性空气污染的可能性比较大，从2.2节分析的结果来看，这些区域主要污染的核素为惰性气体和碘。

3 SG传热管泄漏辐射防护响应分析

3.1 辐射调查

正常情况下，辅助厂房蒸汽管线区域（主蒸汽隔离阀间）及常规岛区域的第一跨作为监督区进行控制，监督区通常的调查频度为每月一次。在监测到蒸发器存在一次侧向二次侧泄漏的情况时，需要提高主蒸汽隔离阀间、第一跨区域和凝结水精处理间的辐射调查频率，同时可以利用电厂已有的无线电话系统，将无线探头布置到相应区域的房间内，对这些区域实施连续的环境剂量率水平监测，即利用三门核电开发的无线辐射监测系统（RMT）对这些区域进行连续监测。考虑相关到区域存在可能的空气污染风险，也需要对第一跨、汽轮机厂房等区域进行空气采样测量，以评估这些区域的空气污染风险[7]。

3.2 区域隔离控制

在一次侧向二次侧的泄漏情况下，预期BDS排污热交换器房间、EDI除盐单元隔间的辐射水平会超出原有的辐射分区-I区（0.5～2.5μSv/h），且有可能会使周边房间的剂量率水平上升而超过原设计分区的辐射水平。因此，为了降低源项对区域外的影响，在设计上采取了对EDI除盐单元所在房间的东南北三面墙体采用永久性混凝土形式，EDI西侧则采用临时混凝土块进行屏蔽；对于BDS热交换器所在房间，则在原有设计基础上增加混凝土屏蔽墙体。

在上述已有屏蔽的基础上，可以降低BDS设备对常规岛其它区域的影响，但BDS设备本身所在房间的辐射水平并没有因此而降低。从2.3节的分析可以看出，BDS设备所在的区域房间，在可能存在蒸汽发生器一次侧向二次侧泄漏的情况时，需要予以特别关注，提升辐射防护管理等级。针对EDI除盐单元所在房间，在正常运行工况下，机组存在少量的泄漏，而机组仍然维持长时间的运行，会使EDI单元树脂长期累积放射性，因此对第一跨区域的监测频率应当提高，以及时发现EDI单元区域的辐射水平达到了辐射控制区的辐射水平并区别于其它监督区的调查。一旦达到辐射控制区II区的水平，需要为这些房间的出入口加设污染监测设备，将该房间按照辐射控制区进行管理等。仅当这些房间的辐射水平小于2.5μSv/h且连续三次的EDI及BDS排污的取样结果显示低于MDA时，才可以对这些区域进行解除辐射防护控制。

3.3 废物处理及去污

当常规岛的系统或设备，在此设计基准工况下存在泄漏时。辐射防护人员需要对泄漏区域进行表面污染取样测量，确认污染水平是否超过表面污染的控制值。一旦超过表面污染控制值，则需要对这些区域采取去污措施。

电厂在长期运行后，需要更换电离除盐装置。由于存在EDI潜在的放射性累积，对于更换下来的电离除盐装置，如果其放射性水平超出清洁解控水平，那么EDI单元的树脂需要作为放射性废物来进行后续处理。若可以达到清洁解控的水平，那么应当遵照国内法规标准的规定，申请清洁解控。在清洁解控之前需要将这些树脂暂存到待解控废物库。如果电解装置未受放射性污染，则不需要特殊包装处理而可以作为洁净固体废物处理。其余更换部件可在进行去污处理后，申请清洁解控。

4 结语

AP1000核电厂在设计上已经充分考虑了蒸汽发生器传热管泄漏运行工况下的辐射影响和传热管泄漏的运行应对措施，并对蒸汽发生器排污系统相关设备和区域做出了屏蔽改进设计。然而，这些也仅是从物理防御的角度去考虑蒸汽发生器一/二回路之间泄漏的辐射影响问题，并不能完全解决现实运行过程中的辐射防护问题，如第一跨区域相关工作的辐射防护控制问题和BDS产生废物处理问题。作者基于蒸汽发生器传热管泄漏工况下的辐射影响和现有的运行应对措施，提出了易于操作的辐射防护措施。后续随着电厂的运行，将逐步检验并改进针对蒸汽发生传热管泄漏的辐射防护措施，实现辐射防护最优化和放射性废物最小化。

参考文献

[1]顾军主编.AP1000核电厂系统培训与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]Westinghouse Electric Company， LLC. AP1000 Steam Generator Secondary Side Sources[Z].2015.

[3]中华人民共和国国家标准.电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].GB 18871-2002.

[4]上海核工程研究设计院，《辐射屏蔽设计说明书》（SMG-GX-N2R-001）.

[5]中华人民共和国能源行业标准.压水堆核动力厂厂内辐射分区设计准则[S].NB/T 20185-2012.

[6]NRC，10CFR20，Standards for Protection Against Radiation.

[7]中华人民共和国核工业标准.电离辐射工作场所监测的一般规定[S].EJ381-1989.endprint