一种基于滨海核电站海上γ辐射剂量率的智能化自动监测系统研究与设计

刘占阳，胡 澄，孙雪峰，张启明，陈 谦，杨立涛，贺一凡

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

我国目前的放射性污染监测制度规定，从事伴有电离辐射实践活动的单位必须开展辐射环境监测，对放射性流出物的排放情况进行监督性监测，独立、客观、公正地反映核电厂周围辐射环境质量状况及其变化趋势，预测和预警核与辐射事件或事故。

日本福岛核事故后，国家核安全局于 2012年6月发文《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求(试行版)》，其中，在第七项“辐射环境监测及应急改进的技术要求”第四条“设备要求”中对环境辐射水平连续监测站点位设置和传输功能提出了如下要求：①站址布点：核电厂监测站点应考虑与监督性监测站点互补的原则，保证核电厂周围 16 个方位的陆域原则上都布设至少 1 个自动监测站房。在核电厂烟羽计划应急区范围内，核电厂各堆址主导风向的下风向、居民密集区应适当增加布点；沿海核电厂应具备一定的海域方向监测能力，并对其合理性进行论证。②数据传输功能：应具有备用通信方式，保证各监测站点的监测数据能够实时传送到自动监测中央站；在失去外部电源的情况下，自动监测中央站应能保证较长时间(≥72 h)内的数据传输[1]。

对核电站周边水域的γ辐射剂量水平进行监测是核电站监督性监测系统的重要补充，完善了陆地监督性监测站点无法对液态放射性流出物监测的短板，是核电站运行、核安全监管、环境保护及公众关注的重要内容，可以有效地提升核电站海域方向的气、液放射性流出物的日常监测能力，实时反映核电厂海域方向的辐射环境质量状况及其变化曲线，进而达到预测和预警核与辐射事件或事故[2-5]。

1 海上γ辐射剂量率的监测现状

当前国内在运行的核电站均已在陆地方向建设了针对放射性流出物、气象等要素监督性监测站点，但是针对海域方向的放射性流出物监测尚处于空白状态，缺乏针对海域方向放射性流出物的监督性监测能力，尤其是针对液态放射性流出物的监测尚处于人工监测的状态。

在应急条件或事故状态下，目前国内所有的滨海核电厂在例行的应急演习过程中对周边海域进行辐射监测时，大部分都是采取在地图上确定测量位置或是按照既定的监测路线，然后由应急监测小组人员驾驶载有便携式仪器的船只进行实地测量。在核电厂发生大量放射性核素泄漏的情况下，这种方式存在的主要问题：①人员易受照射，心理负担重，船只易受污染；② 测量和传输技术方法落后，数据不及时，不连续，不能实现无人化、快速、大面积区域组网监测，影响评价和决策指挥；③ 只能做到定点监测或既定路线的巡测，无法做到日常监测；④ 技术保障复杂，行动代价高；⑤ 受天候和海况条件影响大。

针对核电厂周边海域的γ辐射剂量率的智能化自动监测系统，在非事故情况下，是对核电厂监督性监测系统的重要补充和完善，能够实时监测核电厂海域方向的气态放射性流出物和液态放射性流出物的排放情况，实时反映核电厂海域方向的辐射环境质量状况及其变化，进而达到核与辐射事件或事故预警的目的。

2 基于滨海核电厂γ辐射剂量率的智能化自动监测系统

基于滨海核电厂γ辐射剂量率的智能化自动监测系统作为一种全天候、无人值守的辐射监测装备，是海洋环境长期定点实时立体监测的基本手段，由浮标体、航标灯、监测设备、数据采集系统、数据传输系统、卫星定位系统、供电系统、安全防护系统、锚系系统、浮标接收岸站及数据平台组成，实现数据的自动采集、存储、传输、报警及自动定位等功能，为指定用户提供实时在线的海洋环境数据信息。

2.1 总体设计

整个系统由现场监测平台、无线数据采集传输模块和监控中心数据服务平台三大部分组成，如图1所示。

图1 总体设计Fig.1 Overall design of the monitoring system

设计说明：①现场监测平台：获取海水表面γ剂量率、海水中放射性核素的γ剂量率；②无线数据采集传输模块：由专网数据传输模块(GPRS/4G)和北斗卫星两种无线链路将现场监测的传感器数据上传至中央站服务器。通信以移动公网为主，北斗卫星为冗余备份；③监控中心数据服务平台：由中央站作为海上辐射安全智能化自动监测系统的指控中枢。接收海上监测浮标上传的数据并对其进行测控；通过有线或无线网络将监测数据实时上传至中心机房，并可根据要求调整现场监测的工作模式。

在实体设计上，该系统由浮体(仪表舱)、塔架、锚链等组成，浮标体上安装水温、气象仪、辐射监测仪表(水体辐射NaI探头、空气辐射NaI探头)、北斗数传模块；仪表舱内装有数据采集器、数据传输模块、太阳能供电系统、漏水传感器、舱内温湿度、GPS模块等，浮体下系结有锚碇设备。在数据传输内容中，包含有仪表舱的温湿度和是否水浸，GPS系统的时间、经纬度，气象仪的风速、风向、大气压力、温度、湿度、露点，空气和水体辐射探头的γ剂量率及核素能谱等。

2.2 系统功能

系统功能主要包括： ①测量水体表面以及空气中的γ剂量率；②测量水中和空气中γ能谱数据，进行核素识别并计算活度浓度；③自动标识测量位置和测量时间；④无人值守、在线实时自动上传监测数据；⑤位移报警，夜间以灯光标示测点位置和监测范围；⑥抗盐雾和海水腐蚀 ；⑦多点位区域组网，实时连续测量，多链路自动传输数据；⑧满足应急辐射监测需要，及时为决策指挥服务，为后果评价实时提供依据；⑨能够在复杂气象和高海况条件下使用，具有抗风浪能力；⑩具有良好防腐蚀性能，适于在海水中长期使用。

2.3 现场监测平台

现场监测平台为一个直径为3 m的浮标(图2)，浮体材质是抗腐蚀、耐碰撞、重量轻、服役期长、不易为海洋生物附着的低表面能聚合物通体材质，其耐用性比传统钢铁浮标更小、更轻、更佳的搬运性。其主要特点有：①防风浪：配置整体重心下移，形成类似不倒翁原理，增加设备的稳定性，有防风抗浪的功能；②结实耐用、存活力强：低维护量与长使用寿命代表在整个生命周期间的成本低廉，浮标结构紧凑，仪表舱内配置温度传感器实时监测舱温，非法打开仓盖可报警；③浮标的水密装置应保证标体不变形，仪器舱内配置漏水传感器，可漏水报警；④配置GPS定位模块，浮标漂移200 m以上可报警处理。

其中浮体呈圆盘形的结构，能载有多种类型传感器，能自动、长期、连续地进行常规的水文气象参数测量，数据采集、处理后通过卫星通信系统/GPRS/CDMA等方式实时传输。

图2 浮标示意图Fig.2 Schematic diagram of a buoy

2.4 供电系统

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。各部分的作用为：①太阳能电池板。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作，太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。②太阳能控制器。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。③蓄电池。一般为铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

本系统使用太阳能为仪器仪表供电，不需要外接电源，利于偏远环境安装。按每5 min发送一次数据，理论供电持续时间可达20 d。

2.5 无线数据采集传输模块

海上γ辐射监测浮标和监控中心之间除了采用无线通讯模式外，还配有卫星通讯模块，可在无线通讯故障情况下自动切换到卫星通讯系统，确保数据的稳定传输。

数字采集传输仪设备按照工业级标准设计，同时具备数据采样、报警控制输出、实时在线数据远传功能。支持GPRS/GSM网络，具备RS232、RS485端口，可以通过本地通讯端口或GPRS/GSM网络实现远程参数配置和实时数据召测。支持标准Modbus、HJ/T 212协议。可跟水分仪表、在线分析仪表等对接，对监测数据进行采集、管理及传输到控制中心。

2.6 监控中心数据服务平台

中央站监控中心数据服务平台具有系统监控、数据查询统计的功能，它是架构在PC之上的自动化控制系统，运行于Windows Server、XP、Win7等操作系统，包含数据库管理系统、数据监听软件、大屏显示系统、报表管理系统等多个软件系统，为实现远距离水体辐射水平、空气辐射水平、气象等数据的采集、浏览及发布提供了一个开放性的、可扩展的系统平台，具备显示实时数据、查询历史数据、超标报警等功能。

软件采用先进的B/S结构体系，用户WEB浏览器方式操作，数据采集传输、报表分析图形化、动态化，报表报文可自动生成，应用工具组态化，开放的动态工具方便用户自行维护，具有很好的异构兼容性和可扩展性，系统配有IPAD移动终端可以随时随地查看监测数据，保证系统维护及设备故障维修的响应时间，确保维护维修人员及时跟踪监测数据。

3 核电厂海上辐射剂量监测设备及测试

3.1 监测设备

SpetroTracer NaI是一种辐射探测器，能够测量空气、土壤或是水中的非常低的污染。该款设备能够对测量的放射性能量进行光谱分析，从而识别监测到的核素，并区分人工放射性核素和天然放射性核素，也能够进行半定量核素浓度水平分析，进行环境γ空气吸收剂量率的连续监测。

3.2 NaI海洋水体辐射剂量率测量结果

经测量，监测浮标所在海域海平面上方1.5 m处的空气NaI测量值为6.4±0.2 nSv/h，海平面下方1.0 m处的水体NaI测量值为7.6±0.1 nSv/h。扣除仪器本底干扰后，监测结果依次为2.4、3.7 nSv/h，结果见图3。

3.3 现场海洋NaI谱仪已测数据情况

2017年10月监测浮标上的空气NaI谱仪和水体NaI谱仪测量结果见图4，从图中可以看到水体NaI辐射剂量率测量结果稳定性好，受环境干扰极小；空气NaI辐射剂量率测量结果受环境影响较大，导致辐射剂量率的变化的因素较为复杂，降雨对辐射剂量率有一定的影响，但影响情况与陆地情况有所不同；从图中可以看到2017年10月14日—16日辐射剂量率有明显的升高，通过对周围环境情况识别，这应该为台风“卡奴”所导致的影响。

图3 NaI海洋水面空气中和水体中辐射剂量率测量结果Fig.3 NaI radiation dose rate measured of in air and in surface water on sea

图4 2017年10月海洋NaI谱辐射剂量测量结果Fig.4 Marine NaI spectrum by radiation dose measurements in October 2017

3.4 监测浮标附件海域的空气NaI和水体NaI辐射剂量率测量结果差异分析

根据已测数据，监测浮标附件海域的空气NaI和水体NaI辐射剂量率测量结果依次为2.4、3.7 nSv/h，相差约40%。海洋中天然核素分布较为平均，我国近岸海域天然226Ra、232Th、40K平均值依次为0.076、0.004和10.32 Bq/L，通过模拟计算得到的海洋水体中和水面辐射剂量率分别为0.3、0.8 nSv/h。测量结果高于模拟计算结果。经分析海洋中NaI测量谱数据(图5)，水面空气中和水体中40K对剂量率的贡献几乎一致，而水体中大量核素衰变退激产生的低能X射线对剂量率明显大于水面空气。另外，受海洋水体中悬浮物的影响，可导致水体中辐射剂量率测量结果比理论计算结果偏高。

3.5 NaI谱仪的连续测量在海域环境中的应用

相对于传统的辐射剂量率测量方法，NaI谱仪测量最大的优点就是具备核素识别能力，典型本底测量谱图见图6，常规测量时可通过各感兴趣区域计数变化情况分析导致环境辐射剂量率变化的原因。

NaI谱测量时本底剂量极低(约为4.0 nSv/h)，因此系统具备较高的探测能力和探测灵敏度。在应急条件下，根据NaI谱图信息，可及时识别排放到环境中的人工放射性核素，为及时计算排放源项和计算核设施周围人员可能受照剂量提供数据支持。

图5 海水水面和水体中NaI测量谱图对比Fig.5 Comparison of NaI spectrum measured in surface seawater and in water column

图6 NaI谱仪海洋水体测量谱图Fig.6 NaI spectrum obtained from sea water column by spectrometer

4 结论

(1)基于滨海核电站海上γ辐射剂量率的智能化自动监测系统作为一种全天候、无人值守的辐射监测装备，是海洋环境长期定点实时立体监测的基本手段，可全天候、长时间、在线组网、连续自动测量水面和空气中的γ剂量率、获取γ能谱数据并进行核素识别和计算活度浓度，实时将监测数据通过无线通信链路和北斗短报文两种形式上传至中央站服务器，可以有效地提升海域方向的气、液态放射性流出物的监测能力。

(2)在应急条件或发生重大核安全事故的情况下，该系统为核电厂实施海上应急辐射监测提供了一种有效的解决方案，同时也提供了一种新的方法和手段，能够有效避免传统的派船巡测时方法不标准、数据不及时不连续、人员受照风险大、船只易受污染和行动代价高等问题。

(3)该系统在非事故情况下是对核电厂监督性监测系统的重要补充和完善，能够对核电厂海域方向的气态放射性流出物和液态放射性流出物的排放情况进行监督性监测，尤其是在极端环境条件下无人值守的海上环境监测系统依然可以持续地为核电站提供辐射环境监测能力，对核电站运行期间整体的安全性和可靠性具有积极意义。