气载流出物惰性气体核素分析系统的设计与实现

张志鹏　曾波　金涛　赵鑫　宋纪高

摘 要

为提高HFETR（高通量工程试验堆）气载流出物的监测能力，基于目前主流的压缩后谱分析方法，构建了惰性气体核素分析系统，有效提高惰性气体的探测下限，实现了低放射性水平惰性气体的核素分析测量。本文详细论述了惰性气体核素分析系统的设计与工程实现过程，可以为后续类似系统设计提供参考。

关键词

HFETR;惰性气体;压缩取样;核素分析

中图分类号： TL76                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.080

0 引言

对气载流出物中惰性气体放射性的监测是核设施气载流出物监测的重要内容，一方面确保了核设施气载流出物按国家标准规定的控制值达标排放，另一方面该数据是核设施环境影响评价、安全分析等的重要基础数据[1]。HFETR气载流出物监测系统通过惰性气体连续监测仪实现对惰性气体活度浓度的在线连续监测。但该惰性气体连续监测设备只能测得惰性气体总的活度浓度，无法确认惰性气体的核素组成及对应含量，从而无法对气载流出物排放和核设施运行状态做进一步的分析评价。

随着技术的发展和进步，对惰性气体核素的分析已得到普遍关注，在新建核电站中，气载流出物惰性气体核素分析设备已成为气载流出物监测系统的标准配置。因此在HFETR增设了气载流出物惰性气体核素分析系统，实现HFETR惰性气体的核素分析测量，本文详细论述了惰性气体核素分析系统的设计与工程实现过程。

1 系统原理及技术要求

对核素的分析测量，通常采用的是高纯锗能谱直接测量分析的方式，但气载流出物中惰性气体的放射性活度浓度通常很低，部分核素的能量范围窄，探测效率低，分辨困难。因此，为提高探测下限和核素识别能力，需将惰性气体压缩到一个特制的取样容器内，提高体积浓度，再将取样容器放到高纯锗谱系统中分析测量。

惰性气体核素分析系统用于实现排风塔气载流出物低放射性惰性气载的核素测量，其核心性能指标为关键惰性气体核素Xe-133、Kr-85的探测下限。参考核电站类似设备[1]，考虑惰性气体核素分析系统的探测下限应达到田湾、秦山等核电站同量级水平（探測限：Xe-133<1×103Bq/m3、Kr-85<104Bq /m3）。

2 系统方案

HFETR气载流出物惰性气体核素分析系统由压缩取样系统和谱分析系统两部分组成。

2.1 压缩取样系统

2.1.1 系统概述

如图1所示，惰性气体核素分析压缩取样系统由气溶胶及碘过滤盒、控制阀门、压缩泵、流量计、压力表、取样容器等组成。从HFETR排风塔气载流出物监测取样管道引出一条支路进入惰性气体压缩取样系统。气载流出物中的气溶胶和碘首先被过滤去除，过滤后的气体通过增压泵压缩至特制的取样容器中;当取样容器压力达到预设的压力时，增压泵自动停泵，并关闭取样容器入口保压阀保压。取样容器可通过快换接头快速取出，然后送至实验室谱分析系统做进一步分析测量。下次使用时，取样容器由快换接头接入系统，通过取样排气控制阀排气泄压，并进一步通过吹扫回路吹扫排气后，实现循环使用。

2.1.2 系统压缩比考虑

惰性气体的压缩比过大会对取样容器以及压缩取样系统的安全及性能提出较高要求，过小又会导致核素分析测量下限达不到预定目标。参考类似设备，综合考虑系统安全性、经济性、探测性能提升等因素，选用10倍左右压缩比（即最大压缩压力考虑10倍标准大气压，约1MPa），保证显著提高探测下限（1个量级左右）的同时压缩取样系统仍可按低压系统（<1.6MPa）进行设计。

2.1.3 系统控制

取样压缩系统采用PLC+工控触摸屏的控制模式。由PLC采集压力、流量等传感器信号并实现压缩泵启停、控制阀开关逻辑控制;由工控触摸屏作为上位机，实现人机交互控制。如图2所示，为取样压缩系统控制软件界面。软件带密码验证，正确输入账号和密码后，即可进入主操作界面。在主操作界面上按相应的按钮可启动增压泵、控制气动阀等设备，取样系统的气路流量、压缩压力等参数在主操作界面也可实时显示。通过“参数设置”界面，可对系统的压缩压力进行设置，当压力达到设置压缩压力时，系统自动停泵稳压。此外，系统控制软件自带“操作帮助”界面，通过该界面可以对取样系统的操作步骤、注意事项进行详细了解。

2.1.4 安全性考虑

压缩取样系统为承压系统，基于安全性考虑，从硬件和软件上进行了以下考虑和设计：

a.将压缩系统集成到一个1600mm×800mm×1800mm的机柜中，压缩取样时要求必须关闭机柜门，由柜体对承压部件进行包容，避免承压部件意外飞溅等情况造成人员伤害;

b.选用真空泵额定压缩压力为1.2MPa，保证系统压力不超过1.2MPa，同时系统承压管道、承压阀门、取样容器等均按至少1.5倍承压进行设计，保证系统固有特性偏安全;

c.为避免因传感器失效造成错误地控制，通过PLC软件实现安全控制：在压缩控制过程中，实时监控流量传感器和压力传感器数据。开始流量传感器应该有一定的流量，到压力逐步上升时流量逐渐减少。若出现开始流量过低或流量已明显减小但未见压力上升情况，软件提示传感器错误并自动泄压保护;

d.系统上位机软件和集成机柜上均设置急停按钮，点击之后自动泄压保护。

通过上述软硬件安全措施，保证压缩取样系统的安全。

2.2 谱分析系统

谱分析系统为一套高纯锗γ谱仪，安装在环境监测实验室，用于谱分析测量。谱分析系统探测器与取样容器相互配套，通过无源效率刻度，最终实现惰性气体的核素分析测量。如图3所示，为取样容器结构图。取样容器下部内凹槽和高纯锗谱仪探测器刚好配合，测量时取样容器可以刚好放置于谱仪探测器之上，以便更好地进行谱分析测量提高测量效率。取样容器下部内凹槽厚度t1应在承压安全的前提下尽量薄，以减少屏蔽影响，提高谱分析准确性。参考《GB150-2011压力容器》[2]标准，按照1.5倍承压保守计算，不锈钢取样容器的t1厚度不应小于1.67mm，但受限于焊接等加工制造工艺，最终选择t1厚度为5mm。

高纯锗谱仪的探测效率会直接影响惰性气体核素分析系统的探測下限，但高效率的谱分析系统价格昂贵。综合考虑性价比，高纯锗谱仪的探测效率应达到主流以上水平，最终要求高纯锗谱仪的探测效率大于40%。同时，高纯锗谱仪的铅室结合实际要求定制为可顶部整体打开，以适应取样容器的装卸需求。

高纯锗谱仪和取样容器设计完成后，将取样容器的尺寸、材质等参数输入谱仪自带无源效率刻度软件中，进行无源效率刻度。无源效率刻度修正之后，通过高纯锗谱仪系统测量分析计算，即可实现惰性气体的核素测量。

3 系统安装与调试

3.1 压缩取样系统安装调试

如图4所示，惰性气体核素分析压缩取样系统集成到一个机柜中，机柜顶部预留有气载流出物进出气口和吹扫气体进出口。在停堆期间，通过HFETR气载流出物监测取样系统接口改造实现惰性气体核素分析压缩取样系统的安装：从取样系统入口引支路进入惰性气体核素分析压缩取样机柜气载流出物进口，取样系统出口引旁路连接机柜气载流出物出口和管路吹扫出口，从吹扫空压机引管路至吹扫入口。同时，配套安装供电插口。

安装完成后，开展系统功能调试确认：打开取样系统入口阀门，启动取样系统控制软件，通过软件控制惰性气体核素分析压缩取样系统增压泵、控制阀等动作，实现取样容器的泄压、反吹、气载流出物惰性气体压缩取样等操作。

3.2 谱分析系统调试

通过高纯锗谱仪调试结果和无源效率软件刻度计算分析，惰性气体核素分析系统的探测下限参见表1，低于田湾、秦山等核电站的探测限（田湾探测限：Kr-85 8.54×103Bq/m3，Xe-133 6.90×102Bq/m3，5000s测量时间;秦山探测下限：Kr-85 3.07×104 Bq/m3，Xe-133 4.59×102Bq/m3，3600s测量时间）[3]，优于预期设计目标。

4 系统优化改进

在系统调试运行过程中发现了下述问题：取样容器虽进行了严格的气密性捡漏，并通过自封快换接头实现自密封，但无法完全确保压缩惰性气体不存在微漏。特别是在拆取取样容器的瞬间，快换接头处难以确保不存在微漏，谱分析测量时的气体压力可能略小于压缩压力。

为解决上述问题，一方面对取样容器进行了气密性检查确认，确保取样容器不漏气;另一方面在取样容器上增设压力表，使压缩压力实时可见，测量结果根据压力值进行修正，以提高测量准确性。通过上述措施，有效解决了可能的微漏带来的影响。

5 总结

本文详细论述了HFETR惰性气体核素分析系统的设计与工程实现过程。通过惰性气体核素分析系统的设计、安装、调试等工作，系统的性能指标达到了预期要求，满足了惰性气体核素分析测量的需求，实现了HFETR排风塔惰性气体的核素分析识别。同时，对系统调试运行过程中发现的问题进行了优化改进。本文总结的工程设计与实践经验，可以为后续类似项目提供参考和借鉴。

参考文献

[1]袁之伦，李宏宇，唐丽丽，等.我国核电厂气态流出物中惰性气体监测现状[J].环境保护部核与辐射安全中心，同位素，2013.

[2]GB 150.3-2011[S].压力容器，第3部分：设计，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会发布，2011.

[3]李厚文，王斌，秦山三期重水堆核电站流出物惰性气体133Xe和85Kr研究及监测改进[J].辐射防护，2016：7.