核电站蒸汽发生器排污水监测道报警阈值研究

2013-08-01贾靖轩吴荣俊王骄亚刘洪涛

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2013年1期

贾靖轩，吴荣俊，王骄亚，刘洪涛

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064;2.中广核工程设计有限公司，广东深圳 510000)

核电站在运行过程中会产生大量放射性物质，为此核电站设置了多道屏障对其进行防护。为了保证实时监测屏障的完整性和有效性以及人员的安全，核电站设置了辐射监测系统，通过对核电站某些工艺过程、设备、工作区域和排出流的辐射监测，从辐射水平高低来判断设备是否有效正常运行，防止任何超剂量事故的发生。辐射监测系统包含多种监测通道，分别监测核电站工艺系统、工作区域和排出流的放射性水平，每个通道设置了两级报警阈值，以确保在发生异常情况时发出报警信号，确保电站和人员(包括公众)的安全[1－3]。报警阈值作为辐射监测系统是否发出报警信号的重要指标，是辐射监测系统的核心运行参数，其设置的合理与否直接影响到辐射监测系统的稳定有效运行，并间接影响到电站的安全稳定运行。简单地说，如果阈值设置过高，辐射监测系统可能在发生事故的情况下不能及时报警，从而对电站和工作人员的安全造成极大威胁;如果阈值设置过低，辐射监测系统又可能会出现频繁误报警的情况，直接影响电站的运行效率。笔者通过建模计算的方式对百万、千万级压水堆核电站蒸汽发生器排污水监测通道的报警阈值进行研究，并与现役电站的报警阈值进行比较验证[4]。

1 蒸汽发生器排污水监测通道

蒸汽发生器传热管受腐蚀的一个主要原因是冷凝器的海水向二回路冷凝水泄漏，腐蚀大多出现在靠管板上侧的管子根部，因为非挥发性物质容易在此集聚产生腐蚀。为减轻腐蚀，在管板上侧要连续排污，为此设计了蒸汽发生器排污系统(APG)，以防止各种杂质在蒸汽发生器中高度浓缩以及控制一次侧水向二回路水泄漏所造成的放射性水平的升高。在APG系统的排污管口接有核取样系统(REN)，对排污水的γ放射性进行连续取样测量[5]。排污水监测通道可以探测蒸汽发生器微小的泄漏，因为微漏在长时间运行后，蒸汽发生器的二次侧水将会受到放射性污染。当测量的蒸汽发生器取样水的放射性超出预定值时给出警报，提醒工作人员排查泄漏点。

2 蒸汽发生器一次侧水向二次侧泄漏放射性核素分析

蒸汽发生器一次侧水即一回路冷却剂，在不同工况下的放射性核素活度谱可以参照核电站《安全分析报告》中给出的活度谱[6]。一般情况下，一回路冷却剂中的放射性核素包括裂变产物(如惰性气体、碘和其他裂变产物)和活化产物(如一回路水的活化和腐蚀产物的活化)，当蒸汽发生器一、二次侧发生泄漏时，一次侧水的放射性核素会迁移到二回路水中，其中全部惰性气体都随蒸汽被蒸发带走，因此在核取样系统中只考虑其他裂变产物和活化产物的影响。

在正常运行工况下，蒸汽发生器一次侧水中放射性核素活度谱如表1所示。

表1 正常运行工况下一次侧水放射性核素活度谱

3 阈值计算

在一回路系统压力边界完好无损的情况下，带有放射性核素的一次侧水不会泄漏到二回路系统中;而电站在运行过程中蒸发器一、二次侧之间总会有或多或少的泄漏，这样二回路水会因此受到放射性污染。在此，把蒸汽发生器中二回路系统当作一个独立的系统进行分析研究，二回路系统中的放射性核素主要来自一回路系统的泄漏，因此，二回路系统的放射性水平主要取决于一、二回路之间的泄漏率以及一回路冷却剂的放射性水平。当蒸汽发生器一、二回路之间发生泄漏时，一回路带有放射性的冷却剂开始慢慢泄漏到二回路中，使二回路系统的放射性水平逐渐升高，另外，二回路系统放射性核素的减少主要来自3个方面因素:放射性核素自身的衰变造成的减少量;蒸汽携带排出的减少量;蒸汽发生器排污系统排污净化导致的减少量。在泄漏率保持不变的情况下，经过一段时间，蒸汽发生器中二回路水的放射性水平会达到一个平衡值。

3.1 模型建立

根据以上分析，蒸汽发生器中二回路水放射性核素浓度与一、二回路之间泄漏率有如下关系:

蒸汽发生器中二回路水放射性核素i浓度变化速率=由于一回路泄漏导致二回路放射性核素i的增加速率+补给水代入的放射性核素i的增加速率－放射性核素i的减少速率。

其中:放射性核素i的减少速率=核素i由于衰变的减少速率+蒸汽携带循环造成的减少速率+蒸汽发生器排污系统排污造成的减少速率。

在此，假设在多个回路的蒸汽发生器系统中，一段时间只有一台蒸汽发生器泄漏，而其他蒸汽发生器未泄漏。据此，可列出如下方程:

式中:Ci(t)为核素i在二回路系统中的活度浓度;Ni(t)为核素i在二回路系统中的浓度;V为二回路系统水总量;D为一、二次侧压力边界泄漏率;G为蒸汽发生器排污系统排污速率;G/V为蒸汽发生器排污系统排污因子;n为蒸汽发生器个数;Z为单台蒸汽发生器蒸汽流量;η为蒸汽携带因子;Ai为核素i在一回路系统中的活度浓度;Ai=λini;λi为核素i的衰变常数;ni为核素 i在一回路系统中的浓度。

3.2 模型计算

3.2.1 模型求解

对以上微分方程进行求解可得:

平衡情况下:

则二回路系统放射性核素总活度浓度为:

3.2.2 参数取值

(1)泄漏率D。根据 GB/T 13976－1992《压水堆核电厂运行工况下的放射性源项》，压水堆核电厂正常运行时蒸汽发生器一次侧向二次侧的总泄漏率(3台蒸汽发生器)约为3.9×10－4kg/s，即1.4 kg/h，则单台蒸汽发生器稳定泄漏率约为0.47 kg/h，该泄漏率可作为正常运行工况的假设[7];根据蒸汽发生器泄漏监测通道(16N监测通道)的阈值设置(一级报警阈值设置为5 kg/h，二级报警阈值设置为 70 kg/h[8－9])，可取 5 kg/h泄漏率作为一般异常运行工况的假设，70 kg/h泄漏率作为极端运行工况的假设。综上所述，泄漏率D的取值如下:

正常运行工况:D0=0.47 kg/h。

异常运行工况:D1=5 kg/h。

极端运行工况:D2=70 kg/h。

(2)一回路系统放射性核素活度Ai。一回路系统放射性核素活度可参考《安全分析报告》中在正常运行工况下的一回路冷却剂放射性核素活度谱的数据。

(3)蒸汽发生器排污系统排污速率G。蒸汽发生器排污系统在正常运行情况下，使用再生式热交换器，排污是连续的，速率在10～70 t/h之间由控制阀调节;当使用非再生式热交换器时，最高排污速率限制在37 t/h内。作为排污水监测通道阈值计算的设计输入，排污总速率可取30 t/h，假设3台蒸汽发生器的排污速率相同，则每台蒸汽发生器的排污速率为:G=30/3=10 t/h。

(4)蒸汽发生器中二回路水总量V。查阅900 MW压水堆核电站蒸汽发生器技术参数，可得到正常运行状态下，蒸汽发生器二回路水总量为:V=153.22 t。

(5)单台蒸汽发生器蒸汽流量Z。查阅相关资料，可得900 MW压水堆核电站单台蒸汽发生器流量为:Z=1 938 t/h。

(6)蒸汽携带因子η。根据核电站《安全分析报告》，对于碘和其他放射性核素，蒸汽携带因子可分别取为:η碘=1%，η其他核素=0.25%。

(7)核素i衰变常数。核素i的衰变常数可查阅核素数据手册得到[10]。

(8)蒸汽发生器个数n。一般情况下，900 MW压水堆核电站采用3个循环回路，配置3台蒸汽发生器，则:n=3。

3.2.3 计算结果

将上述设计输入参数代入式(6)和式(7)，可分别得到3种泄漏率工况下的二回路系统放射性核素活度浓度，计算结果如下:

(1)正常运行工况。正常运行工况下，二回路系统放射性核素的平衡活度浓度为C0=3.9×104Bq/m3。

(2)异常运行工况。异常运行工况下，二回路系统放射性核素的平衡活度浓度为C1=4.2×105Bq/m3。

(3)极端运行工况。极端运行工况下，二回路系统放射性核素的平衡活度浓度为C2=5.8×106Bq/m3。