一种用于核电厂的辐射和火灾探测报警设备

□侯 健 李晓贤

一、核电的发展

为了应对全球变暖，我国政府提出：力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和，在国家的“双碳”目标下，核能作为清洁能源的重要的组成部分，面临重大的历史发展机遇，据国际原子能机构统计，预计到21世纪核电厂总数将达到1,000座，装机容量将达到8亿千瓦，根据中国核能行业协会发布的《中国核能年度发展与展望(2020)》中的预测数据显示，到2025年，我国正在运行的核电装机容量将达到7,000万千瓦，现有的核电厂有：秦山、大亚湾、福清、方家山、田湾、昌江、防城港等，在建有：福清5、6号机组，徐大堡、石岛湾等，装机容量3,000万千瓦，到2035年，在运和在建核电装机容量合计将达到2亿千瓦，由此可见，在今后一段时期内，预计核电建设有望按照每年6至8台机组稳步推进。

二、核电厂辐射和火灾探测报警的重要性

安全是核电厂的生命线，核电厂内部环境具有其独特性，核电厂内的核反应堆运行时会辐射出的一些α、β、γ等放射性射线，放射性射线发生泄漏时极有可能导致核事故，根据国家核安全局法规，为保证核电厂在运行状态和设计基准事故安全运行，需要配备一定的探测报警设备，如需要在人员出入涉核区域及其周围环境等设置辐射监测系统，来保障反应堆安全的运行，并为在此区域工作的人员进行辐射防护和周围环境的保护提供数据信息依据。随着近年来核电厂的快速发展，作为核安全文化重要组成部分的消防安全日趋重要，火灾对于核电厂安全来说具有特殊性，其具有不确定性的破坏力，火灾与核事故在严重事故条件下可以相互派生或转化，火灾探测器作为核电厂火灾自动报警系统重要组成部分，发挥着越来越重要的作用，核电厂核岛内的火灾探测器监测着环境中火灾发生时的特征参量(烟雾、高温、火焰等)的变化，对火灾的探测和控制起着决定性作用。因此，非常有必要对核电厂的火灾和放射性射线的泄漏同时进行探测。

因核岛内电气厂房和应急柴油发电机厂房等需要进行火灾隐患的监测，同时需要对空气中的辐射剂量进行监测。目前，通常采用独立的火灾探测器和辐射探测器分别对核电厂的火灾和放射性射线进行探测，需要在核电厂内分别安装火灾探测器和辐射探测器实现对核电厂的火灾和放射性射线进行探测，现有的火灾探测报警器使用过程中功能单一，只能够依据火光以及烟雾对火灾进行检测，而无法对γ射线辐射进行检测，报警器的示警方式单一，效果较差，应用范围较小，安装过程费时费力；且由于火灾探测器安装在高辐射的核电厂内，核电厂内的γ射线和中子都是具有很强穿透性的高能粒子，容易造成火灾探测器损坏，严重影响核电厂内火灾探测器的正常使用，使用效果差。

三、一种用于核电厂的辐射和火灾探测报警设备

针对上述现有技术中的不足，本文提出了一种用于核电厂的辐射和火灾探测报警设备，包括安装座和设置在安装座上且与安装座可拆卸连接的铅屏蔽箱，以及均设置在铅屏蔽箱上的火灾探测模块、辐射探测模块和报警模块；铅屏蔽箱内设置有电子线路板，电子线路板上集成有微控制器和与微控制器相接的通信模块；火灾探测模块包括设置在铅屏蔽箱内的传感器组和吸气泵，吸气泵由微控制器进行控制，用于将核电厂内的气体吸至铅屏蔽箱内；辐射探测模块包括设置在铅屏蔽箱底部的溴化镧晶体和光电倍增管，以及集成在电子线路板上且依次连接的前置放大电路、符合数字多通道模块、能谱处理模块，光电倍增管的输出端与前置放大电路的输入端连接，能谱处理模块的输出端与微控制器的输入端连接；报警模块包括设置在铅屏蔽箱上的蜂鸣器和激光笔，以及套设在激光笔上的聚光罩，蜂鸣器和激光笔均由微控制器进行控制。

(一)探测报警设备概述。通过设置安装座为铅屏蔽箱提供安装基体，安装座通过膨胀螺栓安装固定在核电厂现有的墙体上，铅屏蔽箱与安装座可拆卸连接，便于在后期对该探测报警设备维修时，仅需要将铅屏蔽箱拆卸下来进行维修，避免直接将整个探测报警设备自墙体上拆卸下来，拆卸方便，并能够保证该探测报警设备维修之后再次安装的稳定性；火灾探测模块安装在铅屏蔽箱内，通过铅屏蔽箱对火灾探测模块的传感器组和吸气泵进行辐射防护，避免核电厂的放射性射线对传感器组和吸气泵造成辐射损坏，保证火灾探测模块的使用可靠性，并能够有效延长火灾探测模块的使用寿命，使用效果好；通过设置辐射探测模块探测核电厂内γ射线的剂量率值，判断核电厂内的γ射线是否发生泄漏，探测精度高；通过设置报警模块在火灾探测模块检测到核电厂内有可能发生火灾，或在辐射探测模块探测到该探测报警设备安装位置处的γ射线剂量率探测值大于γ射线剂量率设定值时，通过微控制器控制蜂鸣器发生声音，同时，激光笔发出红色光源，提醒监控人员该探测报警设备安装位置处可能发生火灾，或该探测报警设备安装位置处的γ射线发生泄漏。

实际使用时，微控制器优选为STM32F103RET6微控制器，通信模块优选为互信智能HX2002GPRS无线通信模块，通过设置通信模块将传感器组检测到的数据、定位模块检测到的位置数据，以及溴化镧晶体探测到的γ射线剂量率测量值远程传输给监控终端，便于监控人员对核电厂内的是否发生火灾和是否发生γ射线泄漏进行远程监控；定位模块优选为GPRS定位模块，通过设置定位模块定位该探测报警设备的安装位置，便于在该探测报警设备报警时快速确定该探测报警设备的安装位置，监控终端为计算机；铅屏蔽箱的上部还设置有1.5寸的TFT液晶显示屏，显示屏由微控制器进行控制，可以显示溴化镧晶体和传感器组探测到的数据；蜂鸣器安装在铅屏蔽箱的顶部，激光笔安装在铅屏蔽箱的顶部的底部，通过在激光笔上套设聚光罩对激光笔发出的红色光进行聚集，发光效果好，便于工作人员根据激光笔发射出的红色光快速确定该探测报警设备的安装位置。

(二)辐射探测报警原理。在使用辐射探测模块对核电厂内的γ放射性进行探测时，溴化镧晶体对核电厂内的γ放射性进行探测，光电倍增管将溴化镧晶体输出的闪烁光信号转换为电脉冲信号，并通过前置放大电路对脉冲信号进行放大，符合数字多通道模块对过前置放大电路输出的放大后的电脉冲信号进行采集，并根据放大后的电脉冲信号的脉冲幅度对其进行分类输出一个能谱，再通过能谱处理模块对能谱进行处理得到溴化镧晶体探测到的γ射线计数率探测值，并将γ射线计数率探测值传输给微控制器，当微控制器接收到的γ射线计数率探测值大于γ射线计数率设定值时，微控制器控制报警模块报警，警示工作人员该处的γ放射线超出设定值。

(三)火灾探测报警原理。通过在铅屏蔽箱的顶部设置两个连接板，并通过锁紧螺栓和锁紧螺母将铅屏蔽箱和安装座可拆卸连接为一体，安装和拆卸方便；铅屏蔽箱采用铅材质制成，吸气泵位于铅屏蔽箱内，吸气泵的吸气口连接有吸气管道，吸气管道远离吸气泵的端部伸出铅屏蔽箱，吸气泵的出气口暴露在铅屏蔽箱内；铅屏蔽箱上开设有供吸气管道伸出且对吸气管道进行固定的安装孔，铅屏蔽箱上还开设有用于排出铅屏蔽箱内气体的排气孔，安装孔和排气孔分别位于铅屏蔽箱相对的两个侧板上；通过设置吸气泵将核电厂内的气体吸入铅屏蔽箱，使安装在铅屏蔽箱内的传感器组主动检测吸入至铅屏蔽箱内的气体的温度，以及气体中的一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氢气浓度和烟雾浓度，检测精度高。

传感器组包括温度传感器(型号优选为DS18B20)、一氧化碳传感器(型号优选为HONEYWELL4CO-500)、二氧化碳传感器(型号优选为CCS811HDC1080)、氢气传感器(型号优选为winsenZE03-H2)和烟雾传感器(型号优选为winsenMP503)，且传感器的的输出端均与微控制器的输入端连接；铅屏蔽箱的底部还设置有液晶显示屏，液晶显示屏由微控制器进行控制。

(四)实际使用具体操作流程。在核电厂需要安装该探测报警设备的墙体上钻设设备安装孔，并将膨胀螺栓穿过安装座的底板伸入至所述设备安装孔内，实现安装座的安装；再将铅屏蔽箱顶部的两个连接板穿过底板通孔，使连接板远离铅屏蔽箱的端部位于底板的上方，再将锁紧螺栓依次穿过侧板上的侧板锁紧孔和连接板上的连接板锁紧孔与锁紧螺母连接，完成该探测报警设备的安装；该探测报警设备安装完成后，微控制器控制吸气泵工作，吸气泵将核电厂内的气体吸入铅屏蔽箱，铅屏蔽箱内的温度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氢气传感器和烟雾传感器对铅屏蔽箱内的气体进行检测，温度传感器检测铅屏蔽箱内气体温度，一氧化碳传感器检测铅屏蔽箱内气体中一氧化碳气体的含量，二氧化碳传感器检测铅屏蔽箱内气体中二氧化碳气体的含量，氢气传感器检测铅屏蔽箱内气体中氢气气体的含量，烟雾传感器检测铅屏蔽箱内气体的烟雾浓度，当温度传感器检测到的气体温度测量值大于气体温度设定值、或当一氧化碳传感器检测到的一氧化碳含量测量值大于一氧化碳含量设定值、或当二氧化碳传感器检测到的二氧化碳含量测量值大于二氧化碳含量设定值、或当氢气传感器检测到的氢气含量测量值大于氢气含量设定值、或当烟雾传感器检测到的烟雾浓度测量值大于烟雾浓度设定值时，微控制器均控制蜂鸣器发生声音，同时，激光笔发出红色光源，提醒监控人员该探测报警设备安装位置处可能发生火灾；在微控制器控制吸气泵工作的同时，溴化镧晶体对核电厂内的γ放射性进行探测，并将探测到的γ射线计数率探测值发送给微控制器，当微控制器接收到的γ射线计数率探测值大于γ射线计数率设定值时，微控制器均控制蜂鸣器发生声音，同时，激光笔发出红色光源，警示工作人员该处的γ放射线超出设定值，可能发生γ射线泄漏。

四、结语

本文提出的一种用于核电厂的辐射和火灾探测报警设备，通过膨胀螺栓安装固定在核电厂现有的墙体上，安装座为铅屏蔽箱提供安装基体，便于在后期对该探测报警设备维修时，仅需要将铅屏蔽箱拆卸下来进行维修，避免直接将整个探测报警设备自墙体上拆卸下来，拆卸方便，并能够保证该探测报警设备维修之后再次安装的稳定性；结构简单、设计合理且体积小，将火灾探测模块和辐射探测模块集成为一体，能够利用一个设备同时对核电厂内的火灾和辐射进行探测，探测精度高；通过设置辐射探测模块探测核电厂内γ射线的剂量率值，判断核电厂内的γ射线是否发生泄漏，探测精度高；通过设置铅屏蔽箱对火灾探测模块的传感器组和吸气泵进行辐射防护，避免核电厂的放射性射线对传感器组和吸气泵造成辐射损坏，保证火灾探测模块的使用可靠性，并能够有效延长火灾探测模块的使用寿命，使用效果好。