辐射防护-辐射工艺监测

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辐射工艺监测

2辐射工艺监测辐射工艺监测也可称做辐射过程监测，它监测各种工艺过程中液流和气流的辐射水平及其变化，及包容放射性流体设备的密封性，判断相关的工艺过程和设备运行是否正常。除了给出连续指示与报警之外，工艺监测系统还提供各种自动功能，如关闭或启动某些设备

3辐射工艺监测工艺监测系统可采用两种方法监测工艺过程在线监测离线监测4在线监测

在线监测系统是把探测器探头直接插入工艺流体中，如风管、管线等。优点可探测有代表性的工艺样品且对流体的放射性水平变化响应迅速。缺点如果过程有涡流，必须使用合适的套管保护探头，这势必降低了探头的灵敏度。若探头发生故障，就得关闭这一系统，或提供绕过探头的旁流管道

5离线监测-系统组成

离线监测系统由管道、阀门、测量室、探测器探头和流体抽送装置，如泵和风机，等部件组成。该系统对过程流体取样，使之流入测量室，测量室放有探测器，然后再把样品送回流体管道中6离线监测-优缺点

优点如样品流速较低，探测器可直接插入样品流体中而无需保护套管，从而提高了探头的灵敏度。如探测器失效，将系统的进口阀和出口阀隔离而不影响主工艺设备工作。缺点但是不能抽取有代表性样品，就不能对工艺过程中放射性水平变化作出及时响应。这种系统有现成的商品出售，不同的测量室体积，对应不同的测量范围

7辐射工艺监测目前有一种测量装置，它将探测器直接附着在待测流体管线的外表面上，测量管线内流体放射性水平变化。结构简单，灵敏度低，管线外表面温度太高时不能使用。使用前要进行刻度

8一回路压力边界完整性监测压水堆一回路的压力很高，约15MPa。一旦一回路压力边界密封性失效或出现破口，带有放射性的一回路流体将释放到周围工艺间或其他系统和设备中，从而造成极大的污染，严重时反应堆必须停止运行。从这个意义上说，一回路压力边界又称为放射性释放边界，监测该边界的完整性十分重要

9一回路压力边界完整性监测

压水堆核电厂中，有许多监测子系统用于监测一回路压力边界的完整性，如安全壳惰性气体监测仪、冷凝器空气喷射器气体监测仪和蒸汽发生器排污液体监测仪。在某种意义上，一回路工艺间的区域放射性监测也是它的一部分

10一回路压力边界完整性监测安全壳内气溶胶总β放射性测量安全壳内气载碘放射性测量安全壳内裂变气体放射性监测蒸汽发生器泄漏监测

11安全壳内气溶胶总β放射性测量安全壳内空气中的放射性气溶胶主要来源于一回路压力边界冷却剂的泄漏及其气化，由冷却剂中的裂变产物和活化腐蚀产物组成。12安全壳内气溶胶总β放射性测量气溶胶总β放射性测量系统方框图如图所示。气体取样泵抽取安全壳内的空气，取样气体流经多孔纤维滤芯，放射性气溶胶滞留在多孔纤维滤芯内。塑料闪烁探测器对着滤芯且放置在铅室内，探测器输出的脉冲计数率与滤芯上的β放射性活度成正比13安全壳内气溶胶总β放射性测量14安全壳内气溶胶总β放射性测量气溶胶浓度计算公式如下C空气中气溶胶浓度，Ci/L；N是信号计数率，1/s；Nb是本底计数率，1/s；Q是取样气体流量，L/min；η是过滤效率；ε是探测效率；k是自吸收因子；t是测量时间间隔，min。所测量的气溶胶中包含了氡子体各代核素气溶胶，因此，要对氡子体干扰进行修正15安全壳内气载碘放射性测量碘可以以多种化学形态存在元素碘（I2）有机碘（CH3I）各种碘酸（HI、HIO3、HIO）碘的同位素有20余种

表5-1给出了碘同位素的辐射特性16安全壳内气载碘放射性测量气载碘放射性测量系统方框图与气溶胶总β放射性测量系统方框图基本相同，只不过滤芯换为活性炭，测量的对象为131I的γ射线。测点处131I的放射性浓度为

17安全壳内裂变气体放射性监测

表5-2给出了235U核裂变产生的裂变气体的辐射特性。根据取样气体流速和惰性气体的半衰期选择要监测的惰性气体。采用连续检测惰性气体总β放射性的方法，β射线能量的测量范围为250keV到3MeV

18安全壳内裂变气体放射性监测19安全壳内裂变气体放射性监测惰性气体放射性浓度用下式计算

C是惰性气体放射性浓度，Bq/m3；N是测量时间间隔内的脉冲数；Nb是是测量时间间隔内的本底脉冲数；t是测量时间间隔，s；K0是刻度因子，Bqm-3/Hz20安全壳内裂变气体放射性监测如果要通过测量惰性气体的γ放射性测定惰性气体的放射性浓度，可采用Marinelli容器配以碘化钠探头21PIG测量22安全壳内空气中13N的放射性测量

堆芯裂变中子与水中的氢核发生（n，n）弹性散射产生反冲质子，大于一定能量（5.56MeV）的反冲质子与水中的16O发生反应，生成13N：13N为β+衰变，半衰期为9.96min，β+粒子与物质相互作用发生湮没效应，发射出两个能量均为0.551MeV、飞行方向相反的γ光子。测量安全壳内取样空气中0.551MeVγ光子的计数，就可以得到取样空气中13N的核密度，通过一回路冷却剂的泄漏率传输系数，可以求得一回路边界测点处的冷却剂泄漏率23安全壳内空气中13N的放射性测量24安全壳内空气中13N的放射性测量取样气体在整个管路中的传输时间要远小于13N的半衰期，使这段时间内13N的衰减可以忽略不计。在气体进入取样容器前，用过滤器去除气溶胶和碘，以降低本底。选择测量单元的道宽（如，0.465MeV～0.565MeV）仅测量0.551MeV的γ射线，以排除放射性惰性气体γ射线的干扰25安全壳内空气中13N的放射性测量设反应堆稳定运行70分钟后，一回路水中13N的核密度与反应堆功率成正比K1是比例系数，L-1MW-1

P是功率

26安全壳内空气中13N的放射性测量由测得的13N的湮没效辐射0.551MeV的γ射线全能峰内的净计数n可以求得一回路冷却剂的泄漏率为是一回路冷却剂的泄漏率，L/h；n是净计数率，1/h；V是安全壳体积，L；Q是取样气体流量，L/h；是探测效率；是13N的衰变常数，1/h；t1、t2和t3分别是一回路水泄漏后汽化稀释时间、在取样管道内传输时间和测量时间27蒸汽发生器泄漏监测具有代表性的监测子系统是蒸汽发生器一次侧和二次侧之间泄漏监测子系统。一回路液体16N的放射性浓度很高，一旦蒸汽发生器一、二次侧之间发生泄漏，16N随着一回路液体进入二回路，从而使二次侧蒸汽中16N的放射性浓度增加。28蒸汽发生器泄漏监测

在二次侧蒸汽主管道上安放能探测16N放射性的探测器，根据电子学设备的指示值判断蒸汽发生器一、二次侧间的密封性。由于这是一个安全重要系统，一般装有三套相同的测量装置，根据三取二原则进行判断

29蒸汽发生器泄漏监测为了判断蒸汽发生器内哪个部位破损引起泄漏，还要设置一些参数，在数据处理过程中进行筛选、诊断，这需要一个较大的数据处理软件来完成。也可以监测蒸汽发生器排污系统的排水中的γ放射性来判断蒸汽发生器一、二次侧之间是否发生泄漏，但这种监测方法响应时间太长30破损元件监测

对于压水堆核电厂，有关标准规定，堆芯有1％的燃料元件破损，仍可运行，而大于这个比例，就要考虑停堆。因此，破损元件监测是一个重要的监测子系统。

31破损元件监测通常采取数种方法监测堆内元件破损情况:裂变气体法缓发中子法一回路冷却剂γ放射性的连续监测实验室一回路冷却剂样品γ能谱测量法辐照后燃料元件的啜漏检测32裂变气体法燃料元件包壳破损后，燃料裂变产生的放射性惰性气体将进入冷却剂和覆盖气体，并随之流动。通常在容积控制罐工艺间的合适位置，或单独设计一个取样回路，放置γ探测器，测量冷却剂内或覆盖气体内活性的变化，可以判断堆芯有无元件破损。在没有元件破损的情况下，测量监测子系统的本底计数率，根据本底计数率确定报警水平

33缓发中子法燃料元件包壳破损后，放射性惰性气体进入冷却剂的同时，也会有裂变碎片进入冷却剂，并随之流动。这些碎片中有裂变产物87Br、131I和88Br等，它们都是缓发中子的先驱核，随冷却剂流动同时发生裂变，发射出缓发中子。测量这样的缓发中子，可判断堆芯内有无燃料元件破损。34缓发中子法

使用这种原理设计的监测子系统，从各热段引出一条取样管，抽取冷却剂至一定容积的测量室，测量室放有中子探测器，抽取的冷却剂样品最后送入化学和容积控制系统。35缓发中子法

一般控制冷却剂从取样口到测量室的流动时间为60s，其中前40s使冷却剂中16N大量衰减，减小对测量结果的影响，剩下的20s保证探测器能探测到这些特定裂变产物放出的缓发中子。该监测子系统也带有报警信号36一回路冷却剂γ放射性的连续监测

燃料元件包壳破损后，裂变碎片会进入冷却剂，冷却剂的放射性水平会升高。因此，用γ能量甄别方法连续监测冷却剂的放射性水平是确定元件包壳破损的常用方法37一回路冷却剂γ放射性的连续监测一回路冷却剂γ放射性的连续监测的测点选择原则是既要排除16N和环境辐射的干扰，又不使被测量的核素浓度显著减少，一般选择冷却环路冷段的下泄管的某点。由于管壁厚度的原因选择的γ射线的能量大于1.5MeV。被测核素的半衰期不能太长，以便它在开堆后能很快达到平衡。选择的核素及其辐射特性列于表5-338一回路冷却剂γ放射性的连续监测测量时使用碘化钠探测器。为了降低本底不但探头前设置准直器，而且将它置于铅屏蔽内39实验室一回路冷却剂样品γ能谱测量法有的压水堆上不采取这种连续监测方式，而是采取定期对冷却剂取样，在实验室用高纯锗γ谱仪分析样品中放射性核素的成分和放射性浓度，判断堆芯内有无元件破损40实验室一回路冷却剂样品γ能谱测量法样品应能代表一回路冷却剂的即时放射性水平。采样频率依反应堆的运行情况而定，长时间稳定运行时，一周一次；发现异常时，一周两次甚至一天一次；功率突然改变时，一小时一次。测量前，样品要放置一段时间，使短寿命放射性核素充分衰减。测量时间间隔要适当，依据被测核素的半衰期，使得测量的脉冲计数满足统计误差的要求41辐照后燃料元件的啜漏检测在线啜漏检测离线啜漏检测42在线啜漏检测当燃料组件由堆芯向上提升进入可伸缩套筒时，外压降低，有助于裂变气体从燃料元件棒中逸出。燃料组件升至最高位置时，将压缩空气注入套筒内向上流动，如有包壳破损，向上流动的空气将逸出的裂变气体夹带至套筒的上部小室。将小室内的气体送到探测（Marinelli）容器进行测量43离线啜漏检测

啜漏套筒位于乏燃料保存水池旁。燃料组件置于套筒内，套筒内可以充水，也可以充气。充水时对水加热使组件的温度升高，裂变气体自组件内逸出到水中，取水样到实验室测量。充气时，组件本身的余热使组件的温度升高，裂变气体自组件内逸出到气中，用管道取气样送至探测（Marinelli）容器进行测量。以上方法仅适用于判断堆芯内有无元件破损，如想确定破损元件的具体位置，则必须采取另外的方法44控制室进风空气监测

控制室有专门的进风系统和取风口，如果反应堆厂房周围的空气被污染，那么送入控制室的空气也是污染的，这会危及工作人员的健康。所以有必要对取风口空气的放射性水平进行连续监测