核电厂辐射控制区出入监测系统的改进优化

2022-06-11傅灿

辐射防护通讯 2022年1期

傅灿

(中广核惠州核电有限公司，广东惠州，516338)

核电厂控制区出入辐射监测系统(KZC系统)具有个人剂量监测和管理、表面污染监测和保卫边界辐射监测等功能。个人剂量监测和管理包括控制区人员授权管理、个人剂量内外照射监测、电子剂量计监测和剂量管控等功能，保证个人剂量符合限值要求，便于实施最优化管理；表面污染监测用于对离开控制区工作人员衣物、体表、小物品进行污染检查，防止污染扩散；设置于电厂实体保卫边界的行人/车辆γ辐射监测设备监测进出核电厂的行人/车辆的辐射水平，防止放射性物质未经许可进入和被带出核电厂[1]。

随着核电厂运行经验的积累，以及探测技术和信息技术的发展，KZC系统也存在一些优化改进的空间。

1 优化系统网络架构，提升污染管控水平

目前KZC系统设计中有两套独立的网络：一是个人剂量的监测网络，由电子剂量计读出器组网连接至中央服务器；二是人员/车辆辐射监测仪(CSM)组网实现远程监控。表面污染监测设备包括C1型全身污染监测仪(C1门)、C2型全身污染监测仪(C2门)和小物品污染监测仪(CPO)，均只能“就地”使用。现有KZC系统设计的网络架构示于图1。

图1 现有KZC系统设计网络架构

表面污染监测设备(C1/C2/CPO)在日常监测过程中，如果人员沾污报警或者设备故障报警，只有就地的声响报警，需要通过工作人员的主动报告或者辐射防护和运维人员巡检发现，缺少远程污染监控，造成辐射防护人员无法及时响应和干预，存在无法第一时间锁定污染源防止污染扩散、部分工作人员在报警后自行处理污染、维修人员无法及时掌握设备状态等问题。

针对以上存在的不足，可以利用已有的个人剂量网络光纤增加交换机，实现表面污染监测设备的联网，并在辐射防护工程师办公室、现场值班室、运维办公室等增加工作站，实现远程污染监控，以加强辐射防护工作行为管理，提高机组污染管控的能力。改进优化后的网络架构示于图2。

图2 优化后的KZC系统网络架构

2 基于清洁控制区管理模式，优化污染监控屏障

核电厂一般将整个辐射控制区作为污染区，人员进入需要更换控制区专用工作服。国内三代核电EPR机组中开始采用清洁控制区的管理模式，在控制区中进行污染分级，一般划分为清洁区和污染区。人员进入清洁区域无需更换工作服，进入污染区按要求穿戴纸衣和其他防护用品[2]。清洁控制区的管理模式提升了进入控制区的通行效率，减少了放射性废物的产生，体现了卓越的辐射防护管理水平，部分在运二代机组和在建三代机组也都在积极探索建立清洁控制区。

清洁控制区对污染监测的要求也大大提高。与传统核电站在控制区出入口设置C1门测量γ污染、C2门测量β污染的方式不同，采用清洁控制区模式的核电站，C1门通常设置在反应堆厂房气闸门出入口测量β污染，C2门设置在控制区出入口测量α和β污染。清洁控制区对污染管理的要求更高，因此要求C1/C2门必须有更高的探测效率等[2]。同时，为了防止污染扩散，对出污染工作区和场所的污染监测也有更高的要求[2-3]。

基于清洁控制区模式对污染监测设备提出的要求，需进一步优化污染监控的屏障的设计，提升设备污染监测水平。

污染监控的第一道屏障为污染区边界的监测，考虑到污染区的划分，一般分为永久污染区和因检修等作业产生的临时污染区。

(1)对于污染比较严重的永久污染区，如反应堆厂房、地坑较多的厂房，设置C1门。传统的固定式C1门一般体积较大，考虑到厂房布置空间受限，需进一步研制小体积的C1门或者移动式C1门。

(2)对于污染工作区的边界，传统模式一般采用便携式β污染监测仪进行测量，缺点是手动测量的时间太长，且部分污染工作区场所γ剂量率较高。考虑到传统的手脚污染监测仪体积大，不便于现场移动使用，需进一步研制简易型的手脚污染仪，并提高在γ辐射场下的β探测效率。

污染监控的第二道屏障为对于污染场地较多的厂房和人员主通道的定期污染普查。传统地面污染监测仪需要人工推行测量，效率偏低，污染普查效果较差。研制带地面β污染测量的机器人，不间断的对监测场所进行测量，将极大提升污染普查的效率，防止污染扩散。

污染监控的第三道屏障为控制区出入口的监测。传统的C1/C2门监测方式，可简化成C2门监测。对于控制区出入口已经设置C1门的电站，可将C1门设置为穿行模式，提高通行效率。对C2门的探测性能要求更高，需要提高探测效率，优化探测结构，以探测到更低的放射性污染水平和更大的人体表面探测面积。

污染监控的第四道屏障为监督区出入口的污染监测。考虑设置C3门进行全身γ污染的监测，以防止少数未被C2门检测到的工作服上微量放射性的扩散，提升污染监控的屏障。

3 采用自动配发系统，优化控制区进出流程

核电厂个人剂量监测一般采用电子剂量计(EPD)和热释光剂量计(TLD)组合的方式。传统的方式是在控制区入口采用人工配发，工作人员进入控制区后，将控制区通行证交给发表员，发表员配发电子剂量计和热释光剂量计，工作人员出控制区后交回剂量计领回控制区通行证[4]。

自动配发系统配备有配套的更衣柜、TLD配发柜和EPD配发柜等硬件设备，实现同步自动管控。放射工作人员在配发柜上刷通行卡，系统验证通行授权有效后，自动分派可供使用更衣柜、EPD和TLD；当放射工作人员完成工作出控制区后，刷通行卡，自动打开已经分派的更衣柜、EPD配发柜、TLD配发柜，实现回收流程。

采用自动配发系统可实现控制区通行授权的自动审核，系统与核电厂控制区通行授权管理系统、TLD动态配发系统的数据通讯，系统自动审验人员控制区通行授权信息，取消纸质控制区通行证的携带和人工查验流程。

不同配发系统的流程比较示于图3，自动配发系统减少了工作人员到控制区发表间领取、归还钥匙的业务流程，提高了控制区出入口的通行效率，降低了运营成本。

图3 传统和自动配发方式流程比较图

4 改进设备指标性能，提高辐射管控水平

核电厂出入辐射监测系统中的设备在实际应用中，存在一些问题。较为常见的故障包括C2门探测器的故障率偏高、行人/车辆的误报警等。随着新型探测器技术和数字化信号处理技术的发展，KZC系统相关设备也迎来改进提升的机会。

C2型全身污染监测仪采用门框式β污染检测设备，在运电厂一般采用流气式探测器或者闭气式探测器，优点是探测效率高，缺点是密封膜容易破损，维修费用较贵，易受环境温湿度影响导致不稳定。目前，随着新型探测技术的发展，硅光电倍增管(SiPM)和塑料闪烁体已被应用在部分β污染测量的仪表中，相比于传统的光电倍增管，基于SiPM的闪烁探测器具有体积小、成本低、不需要高压等优点。C2门探测器改进为SiPM探测器将提高设备探测性能，降低运行维修成本。

行人/车辆γ辐射监测仪采用安装于道路两侧的一对大面积塑料闪烁体探测器。仪器一般采用动态本底监测功能，以实现在天然本底变化的条件下对放射性灵敏有效的探测。但是在实际使用中经常存在误报警的情况：一种是在大量人员集中通过和大型车辆通过时，存在对环境本底的屏蔽，探测器会测到较低的本底，在人群和车辆离开探测器后，屏蔽作用消失，环境本底恢复，这时仪器会产生误报警；另一种常见的误报警是车辆运输花岗岩等存在天然放射性物质时，由于仪器无法区分造成报警。这些误报警情况可以通过优化算法或者增加核素识别功能来解决。

针对核电厂控制区出入口污染监测设备的改进和性能提升，如提升C2门探测效率、降低行人/车辆辐射监测仪误报警率等，将提升人员体表污染控制水平和辐射安全管控水平。

5 建设剂量大数据平台，人工智能助力辐射安全

KZC系统中电子剂量系统服务器及相关软件的功能包括建立工作人员剂量数据库，对人员进入控制区进行确认，对剂量数据进行分析和生成报表。核电厂辐射安全管理中需要对剂量数据进行分析，包括大修剂量预估和统计、单项工作的剂量最优化评价、个人和班组的剂量分析等。

现有系统存在以下问题：一是分析功能和实际需求不匹配，由于现场工作和人员的变化，实际剂量分析的需求差别较大，软件提供的固定分析功能往往和实际应用差别较大，一般采用数据导出功能后利用其他软件再分析；二是系统提供的数据不够丰富，现场剂量数据是和工单数据关联的，工单数据包括工单号、工作内容、工单状态、剂量和剂量率报警值、系统条件等等，如针对具体工作的最优化剂量分析需要结合电子剂量数据和工单数据；三是剂量数据的分类比较困难，系统剂量数据是和个人每次进出相关联，而实际中该人员在单次进入控制区可能同时实施了几个工单，同一设备的检修项目也存在差异，如何将剂量数据准确分类到具体的检修项目中存在很大的困难。

随着信息化技术的发展，结合辐射安全管理的需求，整合辐射工作剂量及其它相关数据建设剂量大数据平台成为一种发展趋势。目前，各电厂和平台公司对此均进行了部分探索，但还是存在系统分散、接口复杂、故障率高、信息不一致、应用效能提升不明显等问题。后续可以考虑结合数据中台和大数据平台重新设计系统架构，利用机器学习等人工智能手段建立剂量工单模型，深入挖掘个人剂量数据、场所辐射监测数据、机组源项数据、工单工时数据、现场定位数据等的关联性，为剂量管控和最优化管理提供有价值的改进建议。