RMS 放射性探测性能试验方法缺陷分析与应对研究

2020-10-29柳继坤

科技视界 2020年28期

柳继坤

（中广核工程有限公司，广东深圳 518124）

0 引言

核电厂辐射监测系统（Radiation Monitoring System， RMS）为机组正常运行和事故响应提供用于放射性物质释放评价的监测信息，是核电安全纵深防御体系中的重要环节，也是核电厂应急响应和决策的重要依据[1]。RMS 监测通道放射性探测性能(以下简称探测性能)的主要技术指标包括相对固有误差和探测效率；通过对RMS 监测通道在出厂前进行计量校准获得相对固有误差数据，通过对RMS 监测通道执行探测效率检查试验获得监测通道的探测效率。RMS 试验技术程序中的试验方法主要来源于设计、供货技术文件，设计、供货技术文件中的缺陷如果不能被有效地辨识并纠正，这些技术性缺陷通常会被输入到试验技术程序中，这种缺陷往往会对使用相同型号的RMS设备的核电机组产生影响，可能导致群厂性问题。

某电站核电机组RMS 主要由国内某供应商供货（供应商-甲），RMS 定期试验程序的探测性能试验引用了供货技术文件中提供的试验方法，定期试验程序规定以RMS 通道在制造厂内的首次探测效率试验结果为基准对后续探测效率试验结果进行评价，电厂试验人员在试验期间以RMS 通道调试启动试验获得的探测效率为基准对定期试验获得的探测效率进行了评价，实际试验方法与定期试验程序规定不一致，违反了机组安全相关系统和设备定期试验监督要求，最终造成执照运行事件[2]。事后分析发现供应商-甲在其供货技术文件中提供的RMS 监测通道探测效率验收方法存在缺陷，即便试验人员严格按照定期试验程序执行试验，因为试验方法缺陷，最终对试验结果的评价亦存在不确定性，可能导致试验结果评价无效。因此，有必要对RMS 监测通道探测性能试验方法进行研究，辨识并纠正其中的缺陷，避免因技术程序存在缺陷造成试验结果无效，从而防止执照运行事件发生。

本研究基于RMS 有关的国家标准和检定规程对RMS 监测通道放射性探测性能指标的物理意义进行了分析，并给出了解读结果；分析了供应商-甲为核电机组供货的RMS 监测通道探测性能试验方法中存在的缺陷，并给出了应对措施。对国产化RMS 设备产品一致性不高，以及计量校准的质量控制问题进行了讨论，给出了改进建议。研究成果可供新建核电机组RMS 设计、采购和调试工作以及在役核电机组RMS定期试验和改造工作参考。

1 探测性能指标的物理意义

机组调试和运行期间，把RMS 监测通道探测效率作为判断通道的核辐射探测器能否继续使用的主要技术指标。某核电厂RMS 设备技术规格书中规定RMS 监测通道的相对固有误差应在-20%～20%范围内；部分RMS 监测通道探测效率的验收标准也是-20%～20%。由于上述两个验收标准在数值上一致，造成了部分试验人员认为RMS 监测通道相对固有误差与探测效率在物理意义上是相同的。

检定规程《辐射防护用X、γ 辐射剂量当量（率）仪和监测仪》（JJG 393—2003）中对相对固有误差的定义为：在规定的参考条件下，仪器对指定参考辐射的指示值的相对误差[3]。相对固有误差的计算式为：

式中，I 为相对固有误差；Hi为被检定仪器指示值；Ht为被测量约定真值。

国家标准《核科学技术术语第6 部分：核仪器仪表》（GB/T 4960.6—2008）中对探测效率的定义为：在规定的几何条件下，单位时间探测到的某类型粒子数与辐射源同类型粒子的表面发射率之比[4]。国家标准《辐射防护仪器便携式表面污染光子测量仪和监测仪》（GB/T 29788—2013）中对表面发射率（放射源用）的定义为：在单位时间内从放射源的表面或其窗口发射的能量大于一定给定值的给定类型的粒子数[5]。RMS 监测通道探测效率计算式为：

式中，E 为探测效率；Cb为 RMS 通道探测到的环境本底计数率，s-1；Cd为试验用放射源放置到位后RMS 通道测得的稳定计数率，s-1；q2π为试验用放射源的表面发射率，s-1·（2πsr）-1。

由此可知，RMS 监测通道的相对固有误差与探测效率是两个完全不同的技术指标，其物理意义也不同。国产化RMS 设备出厂前普遍按照JJG 393—2003检定规程进行校准，相对固有误差应由资质合格的计量检定实验室完成对RMS 设备校准后，在RMS 设备校准证书中给出；RMS 通道在核电机组现场安装完成后，通过执行调试试验获得通道在机组现场的探测效率，后期通过执行定期试验可跟踪、评价通道探测效率的变化，根据变化趋势为RMS 设备老化和机组备件管理提供参考。因此，不能以现场试验期间获得的RMS 监测通道探测效率等效或替代相对固有误差。

2 探测性能试验方法缺陷分析

2.1 试验方法描述

供应商-甲在RMS 设备运行与维修手册中给出的RMS 监测通道探测性能试验方法如下：

根据试验测量数据计算RMS 监测通道的当前探测效率，计算式为：

式中，Et为监测通道安装到现场后的探测效率；Md为试验过程中监测通道指示值的平均值；Mb为监测通道测量环境本底指示值的平均值；A 为放射源的当前活度。

计算RMS 监测通道当前探测效率与出厂试验测得探测效率的偏差，计算式为：

式中，ε 为探测效率偏差；E0为监测通道出厂试验测得的探测效率。

试验验收标准为-20%≤ε≤20%，探测效率偏差满足验收标准要求，则RMS 监测通道的放射性探测性能合格。

2.2 探测效率计算方法缺陷分析

基于前文分析可知式（3）的计算结果与式（2）计算结果存在差异。选择使用137Cs 固体放射源作为试验放射源的γ 监测通道为分析对象，图1 为137Cs 的衰变纲图。放射源的活度单位是Bq，其物理意义为1Bq 等于每秒发生1 次核跃迁或1 次核蜕变[6]。使用137Cs 放射源对γ 监测通道进行探测效率试验时的有效射线是能量为0.661 7 MeV 的γ 射线，从137Cs 的衰变纲图中可以得出其衰变产生能量为0.661 7 MeV，γ 射线的产额约80.5%，该计算结果与文献[7]中给出的结果（84.99%）相近。因此放射源活度与放射源表面发射率除了物理意义不同外，在数值上也存在差异。

图1 137Cs 衰变纲图

若要获得相对准确的探测效率计算结果，放射源表面发射率的数据必须足够准确。RMS 监测通道探测性能试验使用的放射源只有少数几颗α、β 源是立体角为2π 的平面源，大多数试验用放射源是圆柱状放射源，对于难以给出准确表面发射率的放射源，RMS监测通道探测效率近似值可使用式（5）进行计算，式（5）也是法国MGP 公司供货的RMS 监测通道探测效率的主要计算式。

式中，E*为探测效率近似值，s-1·Bq-1。

假定使用137Cs 平面源为一个RMS γ 监测通道执行探测性能试验，由0.661 7 MeV 的γ 射线产额可知基于同一次试验数据使用式（5）计算得出的探测效率值约为使用式（2）计算值的 0.805 0～0.849 9 倍。

使用式（5）时RMS 监测通道必须具备显示射线粒子计数率的功能。以供应商-甲为某核电厂供货的蒸汽发生器排污水γ 活度监测通道为例，该通道没有设计射线粒子计数率显示窗口，从设备显示器上只能获得体积活度（单位为 Bq·m-3），使用式（3）计算得到试验结果的量纲为Bq·m-3·Bq-1，这只是一个在数值上与探测效率存在一定关系的计算结果（通道γ 计数率与体积活度的换算关系属于供应商技术保密内容，暂时无法评估由γ 计数率与体积活度换算对探测性能试验结果造成的影响）。由前文分析可知，使用供应商-甲给出的RMS 监测通道探测效率计算方法无法计算得到国家标准中定义的探测效率；相比较而言，式（5）的计算结果更接近国家标准中定义的探测效率。

2.3 探测效率验收方法缺陷分析

RMS 设备安装到核电现场后的环境本底差异、试验放射源差异（个别机组已发现制造厂与现场试验用放射源不是同一颗放射源）都会对探测效率的试验结果产生影响，放射性统计涨落等特点决定了RMS 设备在制造厂内试验测得的E0 本身就存在一定误差，因此基于式（4）评价RMS 监测通道探测效率变化的方法存在会引入误差的缺陷，严重时会造成评价结果失效。

假定某RMS 监测通道初始探测效率的约定真值（E0，T）已知，核电现场测得探测效率 Et相对 E0，T的误差会受 E0与 E0，T之间的误差和 Et与 E0之间的误差的影响而发生变化，从表1 的误差传递计算示例中可以发现当误差的叠加达到一定程度时会造成Et相对E0，T的误差超出-20%～20%的范围，因此这种误差跟踪与评价方法用于判断RMS 监测通道的放射性探测性能是不恰当的。

表1 误差传递计算示例

2.4 分析结果

基于上述分析，供应商-甲在供货技术文件中提供的RMS 监测通道探测效率计算方法与国家标准给出的探测效率计算方法存在差异，其计算结果不是严格意义上的探测效率；供应商-甲给出的以E0为基准的RMS 监测通道探测效率评价方法存在缺陷，因E0可能存在误差或因制造厂与核电机组现场试验条件差异造成E0不能作为比较基准，有导致现场RMS 监测通道探测效率试验结果评价存在不确定性或无效缺陷，因此不建议在RMS 试验技术程序中使用供应商-甲在供货技术文件中提供的RMS 监测通道探测效率验收方法。

3 应对措施

由前文分析可知供应商-甲给出的RMS 监测通道探测效率验收方法存在缺陷，参考法国MGP 公司RMS 设备的成熟应用经验，RMS 监测通道探测效率是否合格应根据具体RMS 监测通道探测效率的验收范围进行评价，RMS 设备安装到核电机组现场后的试验结果只需与约定的验收范围进行比较评价即可；当前已在阳江核电厂、红沿河核电厂的5、6 号机组RMS调试环节完成了这项改进。

为了实现在现场试验期间能够相对准确地计算RMS 监测通道探测效率的目标，即以式（2）计算探测效率或以式（5）计算探测效率近似值，应在RMS 监测通道中设计射线粒子计数率显示功能，已向RMS 供应商提出了此项改进意见。

4 讨论与建议

4.1 国产RMS 产品一致性现状与建议

国产RMS 设备的运行稳定性已接近国外主流RMS 供应商的产品，但从近三年交付核电现场的国产RMS 设备实际性能分析，产品一致性还有待提高；文献[8]中亦指出了国产RMS 产品一致性的不足。 RMS监测通道探测效率主要受核辐射探测器性能影响，如果相同型号RMS 监测通道的产品一致性不高，容易造成同一台机组的同型号RMS 监测通道探测效率验收标准不统一问题，即相同型号RMS 监测通道存在多个验收标准，目前已有数台核电机组遇到了此问题；上述问题会导致RMS 监测通道因随机设备故障更换新的核辐射探测器后现场试验人员无法准确确定探测效率验收标准的问题，验收标准不准确存在造成试验结果评价无效的风险。

某核电厂的RMS 设备技术规格书中未对RMS产品一致性做出约束，因此，建议后续新建机组设计或运行机组采购备件时应对RMS 产品一致性给出明确要求。

4.2 RMS 出厂前校准质控现状与建议

文献[9]提供的检查结果显示40 个型号的用于辐射防护监测的γ 辐射监测仪中相对固有误差绝对值在10%～20%范围的有24 型（占比为60%），相对固有误差在-10%～10%范围的有 11 型（占比 27.5%），超出-20%～20%范围的有5 型（占比12.5%）。当前RMS设备出厂前的校准环节存在下列3 种常见不规范问题：（1）部分 RMS 设备到货后缺少校准证书；（2）个别核电机组RMS 设备的校准证书中批次性缺少相对固有误差的校准结果；（3）一部分RMS 设备的校准证书中给出的相对固有误差结果为0 或约为0，从当前民用RMS 设备的实际探测性能分析，这种校准结果不可靠。因此，后续应从核电厂设备质保管理环节加强对RMS 设备出厂前校准工作的监督。