钠冷快堆工艺辐射监测设计要素

马强+潘君艳

【摘 要】通过对钠冷快堆辐射源和安全分析，结合CEFR辐射监测系统的设计经验，进一步从工艺系统设备的密封性和工艺系统操作的合规性方面探讨工艺辐射监测的设计要素。

【關键词】钠冷快堆；工艺辐射监测；辐射源

【Abstract】The radiation source features and the safety analysis for sodium cooled fast reactor were described.Based on the design experience of China Experimental Fast Reactor，the design factors of process radiation monitoring systems were presented in detail，which focused on the equipment tightness and operation compliance for fast reactor process systems.

【Key words】Sodium cooled fast reactor；Process radiation monitoring；Radiation source

核电厂工艺辐射监测用于安全屏障和某些设备和系统状态监测，测量通道主要包括监测厂房内重要设备或其附近的γ辐射、空气放射性或工艺流放射性[1]。国内压水堆厂房辐射监测技术已经较为成熟，现已发布的相关标准对辐射监测设备的布置和测量通道的要求都做了具体的规定。

中国实验快堆（CEFR）辐射监测系统自完成自主设计、安装、调试和运行后，目前已经过运行验证。本文将着重阐述快堆工艺辐射监测系统的设计要素。

1 辐射源

快堆的工艺系统主要包括主热传输系统、辅助系统和燃料操作系统等。主热传输系统由一次钠系统、二次钠系统和蒸汽系统组成。核辅助系统主要包括一回路钠辅助系统，一次氩气系统，一次氩气吹扫与衰变系统等。燃料操作系统包括堆内换料系统，堆外换料系统和乏组件清洗系统[2-3]。

反应堆运行期间，主热传输系统中的放射性核素主要是冷却剂钠的活化产物24Na和22Na。其中24Na由（n，γ）反应产生，半衰期15.0h，发射1.4MeV和2.8MeV的γ光子；22Na由（n，2n）反应产生，半衰期2.6a，发射1.3MeV的γ光子。二次钠中24Na和22Na的活度浓度远低于一次钠的放射性水平。CEFR主系统冷却剂中的放射性活度浓度如表1所示。

一回路钠辅助系统包括一回路钠净化系统和一回路钠充排系统。其辐射源与主热传输系统基本相同。反应堆运行期间一次氩气中的主要放射性核素为23Ne，41Ar和24Na以及燃料元件破损引入的133Xe，135Xe和85Kr等。其余氩气系统的主要放射性核素为133Xe、85Kr和137Cs等[4]。

乏组件清洗过程中产生的废液主要为一次钠的清洗溶液，放射性水平较高，可能达到中放水平。

2 安全分析

2.1 钠火

快堆安全分析指出，在局部事故中，首当其冲的是钠泄漏及钠火，钠火的特点是在房间内产生大量的浓烟，并有较大的比例形成气溶胶悬浮物。而在反应堆运行期间，一次钠火产生的气溶胶也具有较强的放射性。

2.2 放射性气体释放

快堆核岛厂房的放射性气体释放主要包括一回路覆盖气体系统泄露和一次氩气衰变罐泄漏[4]。此类气体泄漏后，会导致相应工艺间的放射性水平上升。

2.3 燃料操作

燃料操作事故中的典型事故为高功率燃料组件误提到转运室：达到预定燃耗的燃料组件，由于操作错误，在还未经过充分冷却的情况下提出到转运室，因燃料组件失去对余热的冷却可能造成损坏。未经冷却乏燃料的γ剂量率水平远高于经过冷却的乏燃料。

3 工艺辐射监测设计要素

根据工艺系统辐射监测需求及安全分析结果，快堆工艺辐射监测的具体功能主要包括如下方面：

-工艺设备密封性监测

-乏燃料更换过程监测

-清洗废液监测

-放射性氩气排放监测

3.1 工艺设备密封性监测

通过放射性监测来判断工艺设备密封性主要包括两个方面：放射性覆盖气体设备密封性监测和放射性钠设备密封性监测。

3.1.1 放射性覆盖气体密封性监测

对于有放射性覆盖气体泄漏风险的工艺间需要进行监测，考虑因素包括：

1）监测对象主要为惰性气体；

2）采用扫描式取样进行监测；

3）对有工作人员长期停留工艺间的取样频率应高于普通工艺间。

3.1.2 放射性钠设备密封性监测

工艺辐射监测仅考虑因设备泄漏而造成钠火的放射性监测。钠燃烧后变成气溶胶的份额为0.12～0.15；房间内钠燃料时，钠气溶胶浓度可达20g/m3；在钠燃料期间，多数颗粒的粒径分布在5～6μm范围内[5-6]。根据一回路冷却剂的辐射源分析和钠气溶胶的特性，用辐射监测来判断钠火的发生是一种有效而可靠的手段。监测通道设计需考虑到如下因素：

1）监测对象为钠气溶胶中的典型核素为24Na和22Na；

2）采用取样方式进行连续监测；

3）选用针对特定核素探测且更为灵敏的探测器；

4）过滤材料耐用。由于钠火事故发生概率极低，却有着强放射性，强腐蚀性等特点，为了运行维护方便，宜选用结实耐用的过滤材料，从而不致浪费过多的人力去更换过滤材料。

3.2 燃料更换过程和贮存监测

快堆的燃料更换过程是在密闭的环境下进行的。首先，经达到一定燃耗的从堆芯移至特定区域进行衰变和冷却，待冷却一定时间后从钠池中取出并清洗、漂洗，去除燃料组件表面附着的钠后移至乏燃料贮存水池保存。

在此过程中的如下环节需要设置辐射监测：

1）乏燃料卸料过程

在燃料操作过程中存在误将未经衰变冷却的高功率燃料组件提至转运室的事故工况，为了有效避免这种情况的发生，可在乏燃料运输路径上设置相应的探测器，当乏燃料组件的放射性水平超过设定阈值时，触发报警信号，从而限制该换料操作的进行。

2）乏燃料清洗过程

乏燃料清洗可分为吹扫、清洗和漂洗3个基本过程，其中在清洗过程中使用的水蒸气，经冷凝后形成放射性废液，该废液可能达到中放水平，因此需要在废液排放管线上设置放射性监测装置，使得中、低放废液排至不同的废液收集罐中。

3）乏燃料贮存

经漂洗后的乏燃料组件被送至贮存水池保存，为了监视乏燃料的安全情况，应在贮存水池周边设置放射性监测装置。

3.3 放射性氩气排放监测

对于氩气衰变罐内贮存的一次氩气，经放化专业对其进行品质分析，当品质不符合复用要求后需排放。在排放之前，为了避免污染环境，需对一次氩气中的典型放射性核素含量进行分析，確保短寿命核素已经过充分衰变后方可排放。

4 结束语

钠冷快堆与压水堆在工艺辐射监测方面有诸多不同，主要是由于工艺系统的差别造成的。本文通过对钠冷快堆辐射源和安全分析的研究，针对工艺设备密封性监测，燃料更换和贮存监测和放射性氩气排放监测等钠冷快堆工艺辐射监测的主要方面进行了阐述，完成了工艺辐射监测设计要素的初步分析。

【参考文献】

[1]EJ/T 1180-2005 压水堆核电厂房固定式辐射监测系统设计准则.

[2]苏著亭，叶长源，阎凤文，等.钠冷快增殖堆[M].北京：原子能出版社，1991：348-384.

[3]马子云，骆学军.快堆主热传输系统及辅助系统[M].北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011：84.

[4]赵郁森.快堆辐射防护[M].北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011：132-144.

[5]张东辉，任丽霞.快堆安全分析[M].北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011：63-93.

[6]洪顺章.钠工艺基础[M].北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011：100-101.

[责任编辑：田吉捷]