華能山東石島灣核電廠外圍輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)介紹

韓玉龍 趙正杰 李志浩

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-7267

摘? 要：核電產(chǎn)業(yè)是一個與國家安全息息相關、具有較強外部性和公益性的特殊產(chǎn)業(yè)，因而不同于一般的競爭性產(chǎn)業(yè)。為確保核與輻射環(huán)境安全，為核事業(yè)的安全、健康發(fā)展保駕護航，開展電離輻射環(huán)境監(jiān)測是核事業(yè)發(fā)展和輻射環(huán)境保護的重要環(huán)節(jié)。石島灣核電廠址輻射環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)”）能實時在線連續(xù)監(jiān)測核電廠周圍輻射環(huán)境水平，半定量分析γ核素，輻射監(jiān)測能力滿足“國核安函[2014]49號”、《輻射環(huán)境檢測技術》（HJ/T61-2001）的需求。該文對監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)中的外圍輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行簡單介紹。

關鍵詞：電離輻射? 輻射環(huán)境保護? 石島灣核電廠? 輻射監(jiān)測

中圖分類號：X837? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（b）-0032-04

Introduction of External Radiation Environment Monitoring System of Huaneng Shandong Shidaowan Nuclear Power Plant

HAN Yulong? ZHAO Zhengjie? LI Zhihao

（Shandong Nuclear and Radiation Safety Monitoring Center， Jinan， Shandong Province， 250022? China）

Abstract： Nuclear power industry is a special industry closely related to national security， with strong externality and public welfare， so it is different from the general competitive industry. In order to ensure the safety of nuclear and radiation environment and to protect the safe and healthy development of nuclear industry， it is an important link to carry out ionizing radiation environmental monitoring for the development of nuclear industry and radiation environmental protection. The on-site supervisory monitoring system for radiation environment of Shidaowan Nuclear Power Plant site （hereinafter referred to as "supervisory monitoring system"） can continuously monitor the radiation environment level around the nuclear power plant in real time and online， and semi quantitatively analyze the gamma nuclides. The radiation monitoring ability meets the requirements of "National Nuclear Safety letter [2014] No. 49" and radiation environment detection technology （HJ/t61-2001）. This paper briefly introduces the peripheral radiation environment monitoring system in the supervisory monitoring system.

Key Words： Ionizing radiation; Radiation environmental protection; Shidaowan Nuclear Power Plant; Radiation monitoring

核能和核技術的應用日益廣泛，核電不僅可以滿足不斷增長的電力需求，而且是改變中國能源結構、減少二氧化碳和二氧化硫排放的有效手段之一。然而任何技術的應用都是一把雙刃劍，其在給人類帶來好處的同時也會產(chǎn)生不利影響，核能和核技術的開發(fā)利用也不例外。電離輻射有其特殊性，看不見，摸不著，人體的感官無法感知，必須依靠專用的儀器設備，因此核電廠輻射環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)的建設是必不可少的環(huán)節(jié)。

外圍輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是石島灣核電監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，由分布在石島灣核電廠周圍9個方向的12個監(jiān)測子站構成（站點MS1～M12，分別為場區(qū)邊界監(jiān)測站、東錢家監(jiān)測站、馬蘭耩監(jiān)測站、寧津街道辦監(jiān)測站、東墩監(jiān)測站、呂家莊監(jiān)測站、核電廠施工生活區(qū)監(jiān)測站、楮島村監(jiān)測站、東山街道辦監(jiān)測站、林家流監(jiān)測站、耩后楊家監(jiān)測站、前沿站監(jiān)測站），用于輻射環(huán)境24 h連續(xù)自動監(jiān)測。監(jiān)測子站采用一體化站房形式，分布在核電廠周圍20 km范圍內(nèi)的12個站點上，每個站點根據(jù)需要配置有連續(xù)輻射監(jiān)測設備、采樣設備、氣象參數(shù)測量設備和基礎設施等，并充分考慮當?shù)丨h(huán)境條件，以實現(xiàn)連續(xù)實時地監(jiān)督核電廠周圍環(huán)境中的輻射水平和變化趨勢的功能。

1? 在線檢測設備

在站點MS1～MS12上設置12套連續(xù)輻射監(jiān)測設備，每套連續(xù)輻射監(jiān)測設備包括1臺γ劑量率儀和1臺γ能譜儀，用于對空氣中γ輻射水平進行連續(xù)實時監(jiān)測，同時具備聯(lián)網(wǎng)功能，能將實時測量數(shù)據(jù)、報警信號等通過監(jiān)測子站主機傳輸至前沿站的監(jiān)督性監(jiān)測網(wǎng)[1-3]。

1.1 高氣壓電離室

高氣壓電離室是環(huán)境X-γ輻射監(jiān)測中應用最廣泛的儀器之一，球形高氣壓電離室，內(nèi)充高壓純氬氣，具有自身本底低、靈敏度高、長期穩(wěn)定性好，幾乎無角回應并具有較好的能響特性，特別是對γ射線和宇宙射線電離成分劑量回應接近，這對于天然環(huán)境輻射場中測量γ劑量率十分重要[4]。

石島灣前沿站選用是GE公司生產(chǎn)的RS-S131-200-ER0000型號高氣壓電離室，具有更廣的測量范圍：0～100 R/hr（0～1 Sv/hr），可調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)平滑過濾功能;較好的能量回應：60 keV～3 MeV（相對137Cs回應之差<±30%）;具有快速的回應時間，極高的溫度穩(wěn)定性，高精確度（零點漂移：±0.5 μR/hr;增益漂移：±3%<35 μR/hr，±0.5%> 35 μR/hr）;良好的環(huán)境適應能力，探測器工作溫度為-40 ℃～50 ℃，相對濕度為0～100%。

1.2 碘化鈉譜儀

閃爍探測器是利用閃爍體原子分子激發(fā)后退激時會發(fā)出熒光的原理，將光信號變?yōu)殡娒}沖來實現(xiàn)探測輻射粒子的目的。碘化鈉譜儀閃爍探測器具有探測效率高和靈敏體積大等優(yōu)點，其能量分辨率雖然不如半導體探測器好，但對環(huán)境的適應性較強[5-6]。其不僅支持人工輻射的快速探測，而且可以對原子同位素進行確認。其主要被用來進行戶外檢測，可以在沒有維護的情況下連續(xù)使用。

石島灣前沿站選用的是SARAγ譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于實時連續(xù)進行γ譜采集，能識別環(huán)境中的天然和人工放射性核素。靈敏度高，即使在小規(guī)模的核事故污染中，也能識別事故類型，具有早期報警功能。探測器尺寸：3''×3''NaI（TI）探測器;能量范圍：30 kev～3 Mev;探測范圍：1 nsv/h～80 μsv/h;能量分辨率：≤6.9%（137Cs，662 keV）;多道分析器：2 048道;工作溫度：-20 ℃～+60 ℃。

2? 主要采樣設備

在站點MS1、MS2、MS6和MS7上設置4套采樣設備，每套設備包括氣溶膠取樣裝置、碘取樣裝置、氚取樣裝置、碳-14取樣裝置以及干濕沉降自動采集裝置各一套，用于對核電廠外圍輻射環(huán)境中的氣溶膠、碘、氚、碳-14、沉降灰等環(huán)境樣品進行累積采樣，樣品被送往前沿站的環(huán)境實驗室進行測量分析。在4臺氣溶膠取樣裝置中，1臺為超大流量氣溶膠取樣裝置，布置于MS1;其余3臺為大流量氣溶膠取樣裝置，分別布置于MS2、MS6和MS7。氣溶膠采樣器和碘采樣器具備聯(lián)網(wǎng)功能，可以將通過監(jiān)測子站主機接收來自前沿站監(jiān)督性監(jiān)測網(wǎng)的遠程控制指令，可以實現(xiàn)對就地設備的遠程啟?？刂坪投〞r采樣設置等功能。

2.1 氣溶膠采樣器

氣溶膠由固體或液體小質(zhì)點分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系，又稱氣體分散體系。氣溶膠取樣目的，是為了監(jiān)測空氣受污染的程度，或評估地表污染的再懸浮程度。

氣溶膠采集器，一般由濾膜夾具、流量調(diào)節(jié)、顯示裝置和抽氣泵3個部分組成。取樣高度通常在距地面約1.5 m處，取樣系統(tǒng)的進氣口和出氣口之間有足夠大的距離，以防止形成部分自循環(huán)。取樣地點應避免選擇在公路旁或高大建筑物附近，以防止微氣象狀況異常，以及人為因素的影響。氣溶膠采樣器能夠顯示瞬時流量、采樣累積體積、采樣累積時間，斷電后數(shù)據(jù)不清空。站點MS2、MS6、MS7使用的是大流量氣溶膠采樣器，型號：HH02-LS120;過濾效率為99.999%;取樣流量：60～120 m3/h;濾紙尺寸：27×21，有效采樣面積≥500 cm2。站點MS1使用的是超大流量氣溶膠采樣器，型號：HH02-SS2000;濾效率：99.999%;取樣流量：600～900 m3/h;濾紙尺寸57×37;有效采樣面積≥2 100 cm2。

2.2 碘采樣器

碘-131是β-衰變核素，發(fā)射β-射線（99%）和γ射線（1%），β射線最大能量為0.606 5 MeV，主要γ射線能量為0.364 MeV。半衰期為8.02 d。碘-131屬高毒性核素，緊要器官是甲狀腺，對人體的有效半減期為7.6 d，在人體內(nèi)的最大容許積存量為1.8×106 Bq。

由于除了氣溶膠形態(tài)的放射性碘外，還存在普通粒子濾紙不易收集的碘形態(tài)存在。為了有效收集碘，必須采用特殊的過濾芯。通過這種濾芯的流速一般要低于正常氣溶膠的取樣流速。采用活性炭（TEDA）收集碘和惰性氣體，利用高純鍺γ譜儀很容易區(qū)分不同核素。TEDA碘盒元素碘的過濾效率≥99%;甲基碘的過濾效率≥95% （35 ℃，相對濕度>70%）;取樣流量：30～130 L/min。能夠顯示瞬時流量、采樣累積體積、采樣累積時間，斷電后數(shù)據(jù)不清空。

2.3 大氣全氚采樣儀

氚又被稱為重氫，是低能純β-衰變核素，β-射線的最大能量為0.018 61 MeV，半衰期為12.323年，比活度為1.077×1015 Bq/mol。氚屬低毒性核素，對人體的有效半減期為12 d，在人體內(nèi)的最大容許積存量為7.4×107 Bq。大氣環(huán)境中氚的存在形態(tài)主要是HT0（包括T2O）、HT（包括T2）和CH3T。

HR-TSO1大氣全氚采樣儀配備自定義運行模式和自動運行模式，可通過觸摸屏設置采樣參數(shù)和開關設備，并進行控制和顯示管理。采樣時大氣經(jīng)過過濾器除去大氣中的塵粒和氣溶膠后，由氣泵質(zhì)量流量計控制依次經(jīng)過高溫催化氧化反應器和半導體冷阱。高溫催化氧化反應器在工作時溫度高達400 ℃，內(nèi)裝填有貴金屬催化劑，使大氣中的可氧化氣態(tài)氚被氧化成水;半導體冷阱使用自循環(huán)水冷卻，使其在高溫天氣仍能保持低溫工作，保證對空氣中水分有效的冷凍收集。取樣流量：10～60 L/h;半導體冷阱工作溫度最低可達-30 ℃;催化床工作溫度：400 ℃;HTO的捕集效率：≥95%。

2.4 碳-14采樣器

碳-14是低能純β-衰變核素，β-射線的最大能量為0.155 MeV，半衰期為5 730年。碳-14屬低毒性核素，對人體的有效半減期為10 d，在人體中的最大容許積存量為1.48×107 Bq。空氣中的碳-14可以以多種化學形態(tài)存在，其中最重要一種為14CO2。

SEDC公司生產(chǎn)的HAGUE 7000碳-14采樣器可以同時收集空氣中的氣態(tài)碳和水態(tài)聚合物碳，該采樣器使用4個開口密封的收集瓶加冷凝系統(tǒng)可以實現(xiàn)長時間（最長1個月）的有效連續(xù)收集，碳-14采樣器所采集的氣體以CO2為主，CO2可以直接通入含有 NaOH（濃度為1 mol/L）溶液的采樣瓶進行采集。空氣中還有多種碳的化合物，比如CH4和CO，這些氣體不能直接采集，所以經(jīng)過第一階段的收集后，這些不能被吸收的氣體要被催化氧化生成CO2氣體，再通入采樣瓶中收集。同時收集瓶相對密封，可以有效防止樣品的蒸發(fā)，造成樣品的污染。取樣流量10～60 L/h;捕獲效率大氣中14C：≥85%;甲烷中14C：≥90%;重復性：±0.8%;流量精度好于±1%;配置了冷卻裝置和催化單元，能夠顯示瞬時流量、采樣累積體積、采樣累積時間，斷電后數(shù)據(jù)不會被清空。

2.5 干濕沉降采樣器

大氣顆粒物通過干沉降和濕沉降兩個過程移出大氣。干沉降是指顆粒物通過重力下落、擴散傳輸或兩者的共同作用，沉積于土壤、巖石、植被和水面等地表面移出大氣，也可以通過與表面碰撞或被突出物攔截而移出。濕沉降是指顆粒物參與云滴的形成，并發(fā)展為降水的過程中，被降水收集、沖刷而隨降水下落至地表的過程。沉降取樣的目的，是估計環(huán)境放射性的沉降量和評價沉降放射性的長期累積傾向。這種方法的優(yōu)點是取樣方法簡單，容易操作。

HR02-DWS560型干濕沉降采集器適用于長時間采集大氣中輻射干濕性沉降物品，防塵蓋根據(jù)晴天、雨天的天氣狀況，選擇性地蓋在濕桶或干桶上。防塵蓋采用四連桿傳動機構，依靠感雨器傳感器探測是否有降水（雨），接到降雨信息后上下和平移運動，在雨雪天開啟濕桶上的防塵蓋，關閉干桶，采集濕沉降;晴天則開啟干桶蓋上的防塵蓋，關閉濕桶，采集干沉降。由于防塵蓋能夠準確平穩(wěn)地蓋在采集桶上，保證采集桶具有良好的密封性，從而確保樣品的真實性。干沉降樣品桶水位總高度超過40 cm，配備兩個25 L濕沉降收集容器和一個10 L干沉降收集容器。

3? 輔助類設備

在站點MS1-MS11上設置11套基本氣象參數(shù)測量設備，每套包括1臺量雨計、1個感雨器、1套風速方向傳感器、1臺溫濕度傳感器、1臺氣壓傳感器，用于對核電廠周圍區(qū)域的基本氣象參數(shù)進行連續(xù)觀測。在站點MS12上設置一個標準氣象觀測場，該標準氣象觀測場內(nèi)配置一套標準的氣象觀測設備，用于連續(xù)實時地采集前沿站附近區(qū)域的雨量、感雨、風速風向、溫濕度、氣壓、總輻射、凈輻射以及地表溫度等氣象參數(shù)，見表1。

4? 數(shù)據(jù)匯總與傳輸

數(shù)據(jù)匯總中心位于前沿站實驗室的匯總處理傳輸室，其中設置一套監(jiān)督性監(jiān)測網(wǎng)。監(jiān)督性監(jiān)測網(wǎng)是一個局域網(wǎng)，用于監(jiān)控和匯集各監(jiān)測子站的環(huán)境、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)及流出物在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行集中管理、存儲、顯示、報警和傳送。

監(jiān)督性監(jiān)測網(wǎng)與省級數(shù)據(jù)匯總點的指定端口間建立專用虛擬網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸通道，通過該通道可將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至省級數(shù)據(jù)匯總中心，再由省級匯總中心通過已經(jīng)建成的國控網(wǎng)系統(tǒng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至國家級數(shù)據(jù)匯總中心。監(jiān)督性監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議滿足《輻射環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議規(guī)范》（國環(huán)輻[201416]號）的要求。

5? 結語

核電站外圍環(huán)境輻射監(jiān)測是一項復雜的任務，石島灣前沿站按照“借鑒經(jīng)驗、提前介入、全程參與、確保質(zhì)量”的工作原則，自石島灣前沿站規(guī)劃開始，就參與了前沿站設計方案審查，以及選址、建設、設備采購、安裝調(diào)試的全過程，先后多次派人到核電廠相關部門進行溝通協(xié)調(diào)，共同研究解決前沿站建設、設備安裝調(diào)試過程中的矛盾和問題。2020年12月11日，石島灣前沿站通過了生態(tài)環(huán)境部華東核與輻射安全監(jiān)督站組織的預驗收，是國內(nèi)第一個在核電廠投料運行前完成預驗收的前沿站，為核電廠投料發(fā)電安全生產(chǎn)提供了保障;系統(tǒng)自2021年1月以來空氣吸收劑量率（5 min）數(shù)據(jù)捕獲率持續(xù)保持在99.9%以上，在同類前沿站中處于領先水平，可為國內(nèi)同類系統(tǒng)的建設提供值得參考和借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 李強陳，辛耿成.環(huán)境輻射自動監(jiān)測系統(tǒng)在核應急監(jiān)測中的應用[J].科技廣場，2017（8）：153-155.

[2] 朱耀明，林明貴.寧德核電廠外圍環(huán)境γ輻射連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)[J].海峽科學，2016（6）：75-78.

[3] 曹鵬濤，徐繼圓.田灣核電站外圍輻射環(huán)境監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)淺談[J].科技風，2019（25）：173-174.

[4] 曹鵬濤，孫建明.基于RSdetection高氣壓電離室戶外數(shù)采終端設計研究[J].科技風，2019（32）：161-162.

[5] 常元智，屈國普.NaⅠ（T1）閃爍探測器性能隨溫度變化實驗[J].太赫茲科學與電子信息學報，2019，17（5）：910-913.

[6] 劉璟.防城港核電廠外圍輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設項目質(zhì)量管理研究[D].廣西大學，2019.