核电厂辐射检测系统技术发展趋势及产品研发思路

刘 杰，孙 鸣

（西安核仪器厂，陕西 西安 710061）

核电厂辐射检测系统技术发展趋势及产品研发思路

刘 杰，孙 鸣

（西安核仪器厂，陕西 西安 710061）

概述了核电厂辐射监测系统仪表及其主要单元部件的功能和用途、系统配置、国内外技术发展状况和差距；为适应国家快速发展核电的节奏以及实现核电装备制造国产化，提出了在当前形势下以自主研发、自主创新与引进技术、消化吸收再创新相结合的产品研发思路。

辐射监测系统；发展趋势； 研发思路

1 辐射监测系统简介

核电站与其他种类电站的主要差别是核反应堆运行中伴有核辐射产生，所以辐射监测系统是核电站必不可少的组成部分。系统所获取的辐射变化信息对保护工作人员免受辐照、保护环境及保证核电站安全运行有重要作用，对分析核电厂的故障和事故具有重要价值。

核电站的辐射测量主要涉及辐射监测、保健物理、实验室分析测量、环境监测等。其中，本文重点阐述的辐射监测系统可分为区域辐射监测、排出流辐射监测及工艺辐射监测，通过测量辐射水平的高低实现对核电站屏蔽完整性、设备工作状态、人员受照剂量的有效监测和控制，从而最终保证核电站的安全运行，防止任何超剂量事故发生。

辐射监测系统通常由若干各自独立的测量道、中央计算机系统及应用软件等构成；各测量道包含相互连接的各种功能部件（探测装置、处理和显示单元等）。

核电站辐射监测系统通常分为3个层次。

第一层次为辐射探测。根据不同的监测对象，选择适用的核辐射探测器（气体探测器、闪烁探测器或半导体探测器等），将核辐射信息转换为可测量的电信号，实现对辐射剂量及剂量率、排出流放射性活度等的实时测量。

第二层次为数据测量和显示。主要由处理和显示单元组成，完成现场探测器输出信号的处理、显示、传输等功能。

第三层次为中央数据采集和管理。由辐射监测中央计算机为核心组成局域网，系统操作人员在权限范围内可以在辐射监测中央计算机上完成各测量道的测量数据和报警状态、设备运行状态及参数等的监视、操作和管理工作。

核辐射的探测对象主要包括区域γ放射性监测、气载气溶胶α、β放射性监测、惰性气体β、γ放射性监测、放射性碘γ监测以及液体（水）γ放射性监测等。根据现场的不同监测对象（所关注的射线、核素或介质）、安全级别和辐射水平，所选用的辐射探测器种类、监测道设备安全等级（安全级和非安全级）和量程范围会各不相同。例如，对于用于事故及事故后条件下的高量程区域γ测量仪的探测装置，要求测量上限需达到105Gy/h，可以适应100%相对湿度以及承受200 ℃高温和0.5 MPa的压力，这就要求安装在安全壳内的探测装置的电子学部件及连接电缆具有耐受以上工作条件的能力[1]。所以，在现场安置的辐射测量道应具有适应现场要求的良好的物理指标和性能，能可靠、准确、及时地反映现场辐射水平的变化。

2 辐射监测仪表技术应用现状及前景

我国核电从20世纪80年代开始起步，到现在建成并投入商业运行的共有11台机组，其中3台机组主要是靠我国自己的技术力量完成，1台机组是秦山一期30万千瓦的原型堆，该堆型已出口巴基斯坦4台机组（包括已发电的两台机组和正在建设中的C-2核电项目），另两台机组是秦山二期的两台60万千瓦机组。在这3台机组中，除少部分技术较复杂且价值较高的辐射监测仪表采用国外产品外（如事故及事故后类仪表、PIG监测仪等），其他大部分的辐射监测系统仪表设备均采用了国产的产品；而另外的8台机组可以说全部或绝大部分采用了国外的辐射监测仪表产品，国产辐射监测仪表和设备屈指可数。

根据国家大力发展核电的战略部署，到2020年我国核电运行装机容量将达到4 000万千瓦，占届时全部发电装机容量的4%左右，这意味着为核电装备制造企业带来了巨大的发展机遇。然而因近年来关于中国核电发展的技术路线之争，也对核电产业链下游的装备制造企业，特别是对仪控产品的制造企业带来了无所适从之感，缺乏从核电发展总体方面的宏观引导，在一定程度上无法把握仪控设备的设计及系统构建的技术发展方向，并且对已有的技术模式可能会丧失有效的延续性；国内装备制造企业的技术基础、科研能力、资金支持就相对薄弱，装备制造企业的产品研发活动似乎只能缺乏前瞻性地被动进行。

近年来，尽管国内辐射监测仪表技术随着核电建设步伐的加快而有较快的发展，各科研院所、企业纷纷研发新产品，填补了不少单机产品空白，但总体来说，辐射监测仪表在产品覆盖面、标准化程度、系统构建等方面还存在较大差距。由于市场的开放，在历年来国内的核电工程项目及各类核设施辐射监测系统设备的招投标过程中，国内企业都遭遇了来自国外供货商的激烈竞争，同时国内也涌现了不少国外产品的代理商和贸易公司，使国内有一定技术基础和技术能力的企业，无论在市场和技术方面都陷入两难的境地。

令人欣慰的是，目前在建的岭澳二期核电项目、辽宁红沿河核电项目、秦山二期扩建项目以及其他在建或即将开工的核电项目均对国产化提出了要求，这为装备制造企业提供了发展的空间，但中国核电仍亟需建立以企业为主体的技术发展与创新体系。

3 辐射监测技术发展趋势

辐射监测技术随着科技的进步也产生了巨大的飞跃，从20世纪70年代简单的模拟率表形式，经过几十年的发展，当今的核电站辐射监测技术已步入充分体现“用户化”概念的数字化网络监测系统。

3.1 系统主要部件

3.1.1 探测装置

在传统探测方法的基础上（如电离室探测器、闪烁探测器等），新型的半导体探测器（如PIPS型硅探测器等）将更加广泛地运用到辐射监测仪表的探测装置中；由于采用新工艺和新材料，探测装置的外型尺寸将会大幅缩小，铅屏蔽减小甚至可以去除，便于集成在辐射监测现场的“一体化”机架中；可通过多种方式对探测器工作性能进行检查（包括光测试、电测试、探测器内置源、温度传感器等），无需外部检查源装置。

3.1.2 就地处理单元

就地处理单元（LPU）是辐射监测系统的核心部件，它与探测器相连，给探测器供电并获取来自探测器输出的模拟测量信号，通过其内置的合适的算法，以所需的单位（Gy/h，Bq/m3等）给出辐射测量值以及输出报警和故障信息、存储历史值和历史事件、谱的产生和存储、对外模拟量/数字量输入输出、RS-485网络连接等功能。

根据不同的探测器类型，可选择不同的LPU，除了“测量板”依所连接的探测器类型不同而不同外，所有就地处理单元的外型尺寸和其他内置板件均相同，简化了日后的维修和维护。

就地处理显示单元（LPDU）是将就地处理单元和小型的显示单元集成于一体的处理显示装置。它具有LPU所有的功能特性，可以很方便地与各种探测装置集成在“一体化”机架中并安置在监测现场。

3.1.3 显示单元

显示单元（DU）包括就地显示单元（LDU）和远程显示单元（RDU）。

就地显示单元的主要功能是显示多个就地处理单元传送来的测量值和报警信息，并提供多组对外模拟量/数字量及串行接口连接。

远程显示单元与就地显示单元具有相似的功能。其结构为机柜的机箱安装方式，5个RDU可安装在一个19英寸的5U机箱框架内。根据系统设计的需要，通过RDU可实现对各监测道远程集中显示。

图1 辐射监测通道基本配置[2]Fig.1 Basic configuration of radiation monitoring channel[2]

图2 辐射监测通道简单配置[2]Fig.2 Simple configuration of radiation monitoring channel[2]

3.2 系统配置

由于采用了上述的数字化的处理和显示部件，给辐射监测系统的构建方式带来了极大的灵活性，系统可以以“用户化”的配置实现最佳的性能价格比，见图1。

辐射监测通道的基本配置方案包含一个就地安装的就地处理单元和安装在控制室机柜中的远程显示单元。由于RDU或LDU都能与LPU直接相连，所以两者并不需要同时使用，视系统或用户要求而定。另外，也可以使用将处理和显示功能集为一体的LPDU取代图1所示的LDU+LPU的方案。

辐射监测通道的简单配置（见图2）是低成本的系统构建方式，可直接将就地处理单元连接到一台管理计算机，实现远程监控管理。

辐射监测通道的复合配置（见图3）充分利用了局域网概念，通过LDU（或LPDU）直接实现就地操作，远程访问可通过RDU实现，中央处理可通过控制室的管理计算机完成，而管理计算机可通过TCP/IP网络连接到其他电厂计算机。可以看出，远程操作可以很方便地实现，现场维护和服务工作因此减少，故障诊断和维护、对监测仪参数设置和校准等工作可由技术人员在现场通过便携式电脑或在中央控制室完成。

3.3 算法和系统应用软件

就地处理单元在硬件上具有很强的互换性，根据探测器的不同，通过写入不同的特定算法，适用于不同的应用和监测对象。但每种算法都具有一些共性特征，如计数死时间的动态修正、本底的静态或动态补偿、数据平滑功能等。

系统应用软件包含：“数据采集和管理软件”、“维护和设置软件”、“谱分析处理软件”、“仿真软件”等。通过它们实现系统监测道数据和状态监视、设备维护和设置、谱分析处理、设备诊断等。其中，“数据采集和管理软件”用于控制室辐射监测系统中央计算机实时显示系统各监测道测量值、报警信息、设备工作状态，并形成监测道日常档案文件。“维护和设置软件”是一个非常实用和功能强大的工具软件，它可以对任何就地处理单元和显示单元（DU）进行编程和配置，实现系统的诊断和维护，当装有该软件的计算机通过串行口与系统任何一个就地处理或显示单元相连时，软件可以自动扫描、发现和识别系统所有连接的测量通道，并显示出整个系统的网络拓扑图、连接状态和类型，查看监测道历史值及各种事件记录，修改和设置监测道工作参数以及校准等。

由此看出，应用于未来批量投产的百万千瓦级压水堆核电站的辐射监测系统，通过采用高性能核探测装置、智能化的处理和显示部件单元，运用先进的数字化网络技术及功能强大的应用软件，可以以简单、灵活的方式构建系统，体现系统数字化和用户化、部件模块化和标准化、易于安装、维修和维护的特点。

图3 辐射监测通道复合配置[2]Fig.3 Complex configuration of radiation monitoring channel

4 辐射监测系统产品研发思路

根据国家核电建设“以我为主、中外合作、引进技术、推进国产化”的原则，作为核电装备制造企业，应坚持自主创新，而科技创新离不开国际合作，自主研发能力和效率的欠缺可以通过有效的对外合作和技术引进予以补充，只有这样才能使核电装备制造企业在核电大发展的机遇中步入快车道。

4.1 自主创新是企业发展的基石

“M-2036数字化就地处理箱”是由西安核仪器厂自主研制和开发的应用于核电站辐射监测系统的一种技术先进、性能可靠的就地处理显示装置，它可与多种探测装置相连接组成各种辐射监测通道，各监测通道通过该设备联网以后，可以方便地组成规模不等的辐射监测系统。

该项目科研自2006年3月正式启动，通过了由上级主管部门及设计院组成的评审组的设计方案评审，之后完成了两台科研样机的加工、调试工作；从2007年初开始，进行了小批量6台样机的加工、组装和调试，并分别与6台不同型号的辐射监测仪探测装置连接，先后进行了环境试验、电气安全性试验、电磁兼容性试验、磨损试验、耐辐照试验、振动试验、热老化试验、地震试验以及由第三方进行的1E级辐射监测仪表软件验证和确认。试验证明，该产品的所有结构设计和电路设计达到了规定的目标和技术要求，目前该产品已投入批量生产，辐射监测系统的联机调试见图4。

该产品的设计借鉴了国外同类产品的设计思想，采用先进的技术路线，其中包括数字化和模块化设计、多CPU工作模式、光电隔离技术、电源隔离和管理技术、成熟的通讯技术、浮空设计和接地技术等；采用技术先进、表贴、高可靠性的元器件，配合优化的电路设计，大大缩小了体积，同时增强设备抗干扰的能力；该产品注重软件的通用性要求，便于对软件本身的后续开发、改进和升级；对外信号接口及内部模块间电缆连接简洁，便于现场安装、维修与维护。

电磁兼容性设计在以往类似的产品中未能很好地解决，在该产品研制过程中，设计中采取了各种措施来解决该难点问题，包括：采用EMC机箱；对易感受电磁干扰或本身会产生电磁干扰的模块或板件的屏蔽措施；电源抗干扰、接地及强、弱电走线的处理、信号间的隔离措施；电缆屏蔽层的处理等，基于以上措施使样机通过了电磁兼容性各项相关试验。

尽管该装置只是辐射监测系统的一个部件，但反映出装备制造企业通过自身建立科学的科研管理机制，根据现有的技术基础和能力，把握核电技术发展的趋势和方向，借鉴和分析先进的技术思想和产品的设计理念，就具备研发满足未来核电发展要求的产品的能力。

图4 辐射监测系统的联机调试Fig.4 Testing of radiation monitoring system

4.2 引进技术、消化吸收和再创新，让核电装备制造企业步入发展快车道

西安核仪器厂采用法国MGP Instruments公司提供的技术，项目组成功完成了ABPM 201L αβ粒子监测仪和ABPM 203M移动式αβ粒子监测仪（见图5）的整机及气路采样控制单元的技术消化吸收和技术转化，依靠自有设备和资源完成了机械加工、整机组装等工作，并按照外方所提供的测试程序进行了测试和校准，各项试验结果表明，国产化的产品完全满足各项技术要求。其中，西安核仪器厂已将ABPM 203M移动式αβ粒子监测仪的国产化产品成功推向市场。

项目组对已完成的ABPM 203M移动式αβ粒子监测仪进行了技术总结，为今后的技术引进和消化吸收提供有效的技术数据和经验。需要强调的是，技术合作及引进并非单纯的“复制”，在对ABPM 203M移动式αβ粒子监测仪的技术消化吸收过程中，我们在基于对外方技术资料充分消化理解的基础上，项目组成员在满足技术要求的前提下采用了较多的国产零部件、元件，亦对该产品探测和测量方法和整机设计思想进行了提炼和总结。我们渴望通过引进技术、消化吸收、再创新这样一个途径，不断将先进的核辐射测量产品推向核电市场，从而快速推进核电装备国产化进程，提高企业核心竞争力，契合国家核电发展的节奏。

图5 ABPM 203M移动式αβ粒子监测仪Fig.5 Prototype of Localized ABPM 203M mobile αβ particulate monitor

5 结束语

核电装备制造是整个核电产业链中重要的一环。为适应国家核电发展的需要，核电装备制造企业可以结合自身实际情况，在立足自主研发和自主创新的基础上，通过对外技术合作，快速、有效地提高国内辐射监测技术的研究起点和技术水平。通过技术引进和消化吸收，将先进的产品设计思想和制造技术为我所用，在此基础上快速实现产业化和实施再创新。同时也建议行业主管部门给予装备制造企业更大力度的政策引导，最终实现核电装备制造业的跨越式、可持续发展。

[1] 凌球. 核电站辐射测量技术[M]. 北京:原子能出版社，2001.

[2] MGP INSTRUMENTS.RAMSYS Radiation Monitoring System[G]. France: MGP INSTRUMENTS, 2007.

Technology development tendency and R＆D idea of NPP radiation monitoring system

LIU Jie，SUN Ming
(Xi’an Nuclear Instrument Factory，Xi’an of Shaanxi Prov. 710061，China)

This paper gives a general description of functions, usages and system configurations of the instruments and their major units or components of the radiation monitoring system, as well as the status and technical gap between domestic and foreign technologies. And then the paper also puts forward an idea on product R&D, i.e. combination of independent R&D and innovation, assimilation and re-innovation of foreign advanced technology at present situation in order to keep pace with the rapid development of nuclear power in China and achieve the goal of localization of nuclear power equipment.

radiation monitoring system (RMS); development tendency; research and development (R&D)

TL81

A

1674-1617(2009)02-0133-07

2008-06-30

刘 杰(1968—), 男, 北京人，高级工程师, 工学学士，从事核辐射监测系统及仪表设计与开发。