氮-16辐射监测仪

氮-16辐射监测仪是核反应堆蒸汽发生器泄漏监测专业设备。蒸汽发生器是压水堆核电站核蒸汽供应系统的主要设备之一，是连接反应堆一、二回路的关键设备。蒸汽发生器传热管(U型管)由于腐蚀、微振磨损、耗蚀及疲劳破裂等原因而造成泄漏是压水堆核电站的多发性事故，是造成容量因子损失的主要原因之一。蒸汽发生器的可靠性对核电站的安全和经济运行影响极大，已成为一项国际性重要课题[1]。

氮一16辐射监测仪属于核电站辐射监测系统中工艺辐射监测子系统"1，用于测定压水堆核电站蒸汽发生器U型管破损所致一回路水向二回路侧的泄漏率。在功率运行情况下，通过测量破损发生时在二回路主蒸汽管道内所出现的氮-16(16N)高能Y辐射，确定蒸汽发生器U型管的泄漏率；在热停堆工况下，则可测量主蒸汽管道内出现的氪(Kr)、氙(Xe)等惰性气体或其他核素；灵敏度高，速度快，可有效防止核污染，保证核反应堆安全运行，被确定为压水堆核电站开通的仪器。图1是氮一16辐射监测仪。

国内外概况及发展趋势：蒸汽发生器传热管(U型管)的破损监测是压水堆核电站运行中的重要监督项目，通常采用蒸汽发生器排污取样法、主冷凝器和除氧器排气监测等方法。这些方法的共同缺点是：反应时间慢，至少需要3～10 rain，且系统较复杂，需要取样设备，样品经降温降压后，进入监测装置；不能实现连续监测等[1]。

为防止出现满溢事故污染蒸汽轮机，避免发生严重污染，国际上目前采用监测氮～16的方

法。其装置简单，灵敏度高，反应速度快，测量时间短(约10 s)，可以连续监测。法国EDF公司从1983年开始研制该仪器软件及传输系数，1988年由法国M G P公司正式投产，已有数百台氮一16辐射监测仪投入运行。我国秦山核电站一期工程和大亚湾核电站均采用该公司产品。迄今，我国境内在役和正在建设的压水堆核电站所安装的氮-16辐射监测系统基本是从法国进口。

目前国外氮一16辐射监测系统发展趋势是实现计算机化、网络化，有就地和远程显示单元，用彩色液晶实时显示；可以有多种配置和通讯方式，并已形成商品。

1994年1月至1996年6月，研制了氮一16辐射监测仪(见图1)，鉴定会认为氮-16辐射监测仪研制是成功的，国内的空白，处于，达到了国际上同类产品水平。主要技术指标与当时MGP公司产品相同。

2006年，为C2项目研制了氮-16辐射监测仪，C2测量箱和处理单元机箱的电路在C 1的基础上进行了较大改进。主要元器件采用了更新换代产品；提高了模拟输出精度；增加USB接口，与便携式笔记本通讯；用便携式笔记本和应用软件组成用户终端，取代原袖珍终端功能。增加RS485接口与辐射监测计算机系统通讯。C2处理单元机箱结构由C l的N I M机箱结构改为壁挂式机箱，16N和γ处理组件合并在一个处理单元机箱中，体积缩小，取消了端子箱；增加了电磁兼容性资质，符合IE C61000-6-2和IE C61000-6-3的标准要求。与MGP公司当前产品相比，各有所长，技术性能和指标见表l。

氮-16辐射监测仪的研制成功。

工作原理

16N在反应堆一回路内产生，是由冷却剂中的氧原子经过160(n，p)16N反应生成的，有的γ辐射，其半衰期为7．35 s，是一回路冷却剂的主要放射源。当U型管破损时，冷却剂中的16N就会进入主蒸汽管道。氮一16辐射监测仪就是通过测定主蒸汽管道中16N的放射性活度，再经过由计算方法预先确定的泄漏率传输系数的换算，求出蒸汽发生器传热管(U型管)冷端、热端、弯管段或中段(平均)的泄漏率。

 泄漏率与16N的γ计数率和传输系数的关系如下：

   Q=n/c    (1)

 式中：

q为泄漏率（L／h）；

n为测点处16N的γ辐射计数率（S-1）

C为传热管的泄漏率传输系数(S-1×L-1×h)，或者(S-1×kg-1×h)。

传输系数C与探测器几何因子k1、探测器效率因子k2及从传热管泄漏点到主蒸汽管道

探测点之间的传递时间有关，用下式表示：

  C=K1×K2×AV         (2)

式中：AV为传热管单位泄漏时16N探测点处主蒸汽管道中的16N的放射性活度，量纲为(Bq×m-3×kg-1× h)。AV与传递时间t的关系如下：

AV =(Ap／Q)(rv／rp)e-lt    (3)

式中：

Ap为泄漏部位一回路侧16N活度(Bq·m-3)，随功率变化和泄漏点位置而改变；

Q为主蒸汽管道中的蒸汽流量(kg·h-1)；

rv为主蒸汽密度(kg·m-3)；

rp为冷却剂平均密度(kg·m-3)；

l为16Nγ辐射衰变常数(s-1)；

t为16N从传热管泄漏点到主蒸汽管道探测点之间的传递时间(s)。

式(3)表明，AV不仅与反应堆功率、蒸汽发生器运行工况有关，而且还与泄漏点位置有关。

在反应堆、蒸汽发生器和主蒸汽管道的结构尺寸、物理参数以及16N的γ辐射监测点都确定的情况下，通过分析计算可得16N的传递时间t，探测器几何因子k l、探测器效率因子K2再利用式(2)和(3)算得传输系数C。传输系数C是核功率的函数，与核功率成分段线性关系。事先把不同功率、不同泄漏位置的传输系数通过键盘送人氮一16辐射监测仪，即可用式(1)求出相应的泄漏率。

系统功能、组成及特点：

氮一16辐射监测仪，通过测定主蒸汽管道中16N的放射性活度，再经过由计算方法预先确定的泄漏率传输系数的换算，求出蒸汽发生器传热管(U型管)冷端、热端、弯管段或中段(平均)的泄漏率。

本监测仪为在线监测仪。由一个安装在主蒸汽管外面的v辐射探测装置、一个安装在探测装置附近的测量箱和一个处理组件机箱所组成。处理组件机箱把探测器测得的辐射信号转换成蒸汽发生器U型管破损的泄漏率，并给出泄漏率数据，可以按给定的报警阈值发出报警信号。测量结果可以通过RS485接口传送到核电厂辐射监测计算机系统，同时提供模拟量输出和开关量输出信号。

氮-16辐射监测仪的组成见图2，包括：

(1)氮-16辐射监测仪l套(每套应包括l套探测装置及其支架、1个电子测量箱、1个处理组件机箱以及探测器与测量和处理组件机箱之间连接用的配套电缆)，

(2)标定工具l套(包括多道脉冲分析器以及标定源238Pu+13C、137Cs和60Co等)；

(3)用户终端l台(含笔记本电脑l台和用户终端软件)。

   本仪器的核心是耐高温N aI探测装置和测量箱内智能化256道或l 024道多道分析器，以及总γ通道与16N通道两路单道分析器及相应的处理组件。其中运用了241 A m稳峰技术、温度补偿技术和功率校正技术等。

γ辐射探测器由NaI晶体和光电倍增管组成。晶体内镶入241 Am稳峰源。探测装置内含温度传感器。由于探测器在主蒸汽管道外侧，周围环境温度在30～55℃，所以前置放大器没有在探测装置中。前放和高压均放在几十米外的测量箱中。为防止事故工况可能出现的短时高温(100℃，10min 150℃，5rain)和潮湿，探测装置内填充了大量的绝热材料，并且密封。

测量箱内包括：低压和高压电源；前置放大器；主放大器；以单片机为核心的智能化多道分析器(含峰检测、采样／保持电路、模数变换器、存储器等)，两路单道分析器；译码器；中断控制器以及串行通讯等输入输出单元。16N和γ两道数据分别通过串行接口传送到相应的处理组件上。处理组件的任务是把测量箱测得的数据转换成蒸汽发生器U型管破损的泄漏率，并显示。当泄漏率超过预置值时，仪表能发出报警信号。处理组件对外可提供模拟量信号、开关量信号和串行通讯的数字信号。

氮-16辐射监测仪属于lE级设备，要求能长期稳定可靠地工作。

(4)氮一16辐射监测仪装置简单，系统功能齐全，反应速度快，可实现连续监测，是核电站蒸汽发生器的监护神。虽然压水堆核电站功率不同，蒸汽发生器不同，但可以根据各种反应堆、蒸汽发生器和主蒸汽管道的结构尺寸、物理参数等计算出相应的泄漏率传输系数，输入到氮一16辐射监测仪，同时可以选择不同配置的氮～16辐射监测仪组成监测系统。