堆芯中子通量测量系统设备辐射剂量降低研究

唐 龙，高秉瀚，张建兵，祝伟健

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

堆芯中子通量测量系统的功能是提供反应堆堆芯中子通量分布的数据。国内M310 类型机组包括秦山一期、秦山二期、方家山、大亚湾、岭澳一期、福清一期，通过对电动阀、止回阀进行清洗，降低辐射剂量的研究未曾涉及。

核电厂职业照射个人剂量监测包括外照射个人剂量监测和内照射个人剂量监测。外照射监测主要通过佩戴在放射工作人员身体上的个人剂量计进行监测，内照射监测主要是对其体内或排泄物及其他生物样品中放射性核素的种类和活度进行测量[1]。文献[2]通过观察长期低剂量电离辐射对医务人员甲状腺的影响，发现长期低剂量电离辐射影响放射工作者的甲状腺功能。文献[3]中通过对核电站放射工作人员的体检分析，发现长期低剂量的职业核辐射对放射工作人员的健康有一定影响，需要进一步加强核电站工作场所的辐射防护。通过清洗，降低接触剂量率，能够减少工作人员外照射个人剂量，降低表面污染水平，能够降低人员沾污风险，避免内照射，保护工作人员的安全。

秦山核电二期3/4 号机组堆芯仪表间，由于存在环境剂量偏高的问题，且房间的松散污染严重，迫切需要降低堆芯仪表间的环境剂量。通过对电动阀、止回阀的清洗，降低堆芯仪表间的环境剂量以及松散污染物，减少检修工作人员的吸收剂量，降低人员沾污风险。堆芯中子测量系统中的手动阀、止回阀和电动阀（阀体）属于核级阀门[3]，与系统的安全息息相关。电动阀的失效可能会导致严重的核安全事故，美国三哩岛核事故主要原因之一就是电动阀失效[4]，借助平台对电动阀、止回阀的功能进行验证，对电动阀的工作原理进行深入的研究，同时推动堆芯仪表间电动阀的自主检修。

1 堆芯中子通量测量系统的功能及组成

1.1 堆芯中子通量测量系统的功能

堆芯中子通量由可移动的微型裂变室探测器进行测量，由测量系统获得的中子通量数据信息分成两种方式提供：一种是将被测通道中测得的曲线输送到控制柜图像显示器上进行显示；另一种是通量数据与电厂计算机系统（KIT）接收到的电厂其他数据相结合，经过堆芯中子通量系统计算机处理后给出功率分布图。以上信息用于启堆期间和正常运行期间[5]。

堆芯中子通量测量系统在启堆期间的功能：检查寿期初堆芯功率分布是否与设计期望的功率分布相符；检查用于事故工况设计的热管因子是否保守；校准堆外核测系统（RPN）；探测反应堆在装料中可能出现的差错。正常运行时的功能：检查与燃耗对应的功率分布是否与设计所期望的功率分布相符；监测各燃料组件的燃耗；校准堆外核测量仪表；探测堆芯是否偏离正常运行[5]。

1.2 堆芯中子通量测量系统的组成

堆内中子通量测量系统的主要硬件设备有：①读出控制柜；②分配柜；③驱动单元；④密封段、手动阀、电动阀；⑤导向管和指套管；⑥堆芯探测器。

秦二厂3/4 号机组，堆芯仪表间共有38 个用于进行堆芯中子通量测量的通道。如图1 所示，在堆芯仪表间由驱动单元的三相二速异步电动机作为动力源，驱动中子通量探测器经过组路选择器（path group selector）、电动阀（motor-operated valve）、止回阀（check valve）、手动阀（manual valve），送入堆芯，完成中子通量分布数据的测量。测量完成后，探测器将被送入保存通道。

图1 堆芯仪表间机电设备运行图Fig.1 Operation diagram of electromechanical equipment in the core instrument room

图2 电动阀阀体结构Fig.2 Electric valve body structure

电动阀由不锈钢制成，是用电激励的，通常是关闭的。电动阀设计成能在指套管破裂的情况下，防止从堆芯来的蒸汽和水的泄漏。止回阀设计成在指套管发生泄漏和驱动电缆抽出时，在上游压力的作用下使球体进入球形阀底座，防止一回路冷却剂通过电动阀进一步泄漏[5,6]。

止回阀位于密封段与电动阀之间，内部小球正常情况下由于重力自然掉落在腔室内，当一回路发生泄漏时，压力上升，止回阀阻断一回路冷却剂泄漏路径。

2 电动阀、止回阀的清洗以及功能验证

2.1 电动阀的清洗以及功能验证

堆芯中子通量测量系统在运行期间，探测器通过电动阀，导致带有放射性的粉尘沉积在电动阀的底部，形成辐射热点设备。电动阀的清洗通过将电动阀进行解体、清洗、更换密封填料、回装的方式，降低电动阀的剂量，同时对电动阀的承压性能、响应电流和响应时间进行检查和验证。

图3 止回阀阀体结构Fig.3 Check valve body structure

图4 电动阀内部接线Fig.4 Internal wiring of electric valve

电动阀内部金属球与密封填料形成面密封，为了保证清洗后的密封性能完整，在清洗过程中，金属小球采用专用的清洁布对其表面的污染物进行清洁。清洗回装过程中，使用新的密封填料，同时电动阀两端的回装有力矩要求，需要使用专用的力矩扳手进行力矩紧固。

为了验证电动阀的承压性能，对电动阀进行打压试验：将电动阀置于关位，进行打压操作。按照厂家要求，满足压力在175±3（bar）范围内保持15min；将电动阀置于45°位置，进行打压操作，满足压力在175±3（bar）范围内保持15min。

为了对电动阀的响应电流和响应时间进行检查，将电动头与手操箱进行连接驱动电动阀，对电动阀的响应电流和响应时间进行测量，确保清洗回装后的电动阀响应性能满足要求。

2.2 止回阀的清洗以及功能验证

堆芯中子通量测量系统在运行期间，探测器通过止回阀也会导致部分放射性粉尘沉积在止回阀腔室。止回阀与电动阀通过石墨垫片进行连接，对止回阀的清洗一方面防止日常运行期间其内部的放射性粉尘转移至电动阀内，另一方面也对止回阀的承压性能进行验证。

止回阀内部的金属小球与阀体内部的槽口形成线性密封，金属小球或者槽口部分的金属损伤可能造成密封失效。在清洗过程中，对止回阀内部进行清洗时，需要使用质地柔软的清洗工具。止回阀的螺丝紧固有力矩要求，需要使用专用的力矩扳手进行紧固。

为了验证止回阀的承压性能，对止回阀进行打压试验：将止回阀置于垂直位置，连接打压设备至止回阀的上游。按照厂家要求，满足压力在175±（3bar）范围内保持15min，则认为承压性能合格。

在进行止回阀的打压试验过程中，发现4 号止回阀出现漏水现象。经过检查发现4 号止回阀的密封面出现磨损现象，无法与内部小球形成有效的线密封。在文献[7]中提到升降式止回阀，如果出现阀瓣、阀座蓝油试验不合格或者密封面存在划痕等缺陷，则需要对密封面进行研磨处理。升降式止回阀的阀瓣密封形式为球冠面，阀座密封面形式为锥面，贴合后为线性密封。针对该类型密封的研磨处理必须注意以下事项：①研磨前，对阀瓣、阀座密封面进行清理；②研磨时，使用专用研磨膏或研磨砂纸。针对该类阀门研磨，通常须使用自制或厂家提供的手动研磨专用工具。该专用工具一般分为阀瓣研磨工具和阀座研磨工具，分别与阀座球形密封面、阀座锥形密封面适配，要特别注意的是，该类型阀门的研磨要禁止采用阀瓣、阀座相互对研的方式；③由于阀门的密封要求较高，在完成阀瓣、阀座研磨时，先针对阀瓣、阀笼、阀座三者的组合件进行阀瓣、阀座蓝油贴合试验。该试验合格后，可以使用专用打压工具对阀瓣、阀座进行离线的单体打压。全部符合要求，最终再进行回装阀门。经过现场验证，升降式止回阀的密封面缺陷处理方法，同样适用于堆芯仪表间球形止回阀密封面损伤的问题。

3 电动阀的工作原理分析

电动阀主要由阀门部分和电传动装置两部分组成。部分回转的电传动装置位于金属密封球阀的上方，是驱动阀门启闭的动力源。阀门部分主要由阀体、球体、阀座、轴承等组成，电传动装置由电机、减速器、轴承等组成[8]。

正常供电状态下，801PJ 的5、6 针脚供电48V 电压，此时电机801MO 不转动；当电动阀接受到转动命令时，针脚5 提供48V 电压变为0V，此时电机801MO 转动。由于电机中含有电感元件，电路中加入二极管，起到续流和释放线圈能量作用，防止电路突然断开导致的高电压损坏电路元器件。

电动阀的转动为顺时针转动，当接收到开阀命令情况下，电机顺时针转过90°；将阀门置于开位，接收到关阀命令情况下，电机顺时针转过90°，将阀门置于关位。阀门与电动头的搭配工作，采用电压的形式完成电动阀当前的状态反馈。在响应电流测试过程中发现电动阀没有置于关阀位置与电动头形成连接，而是转过了一定角度。在这种情况下，电动头给电动阀动作命令，电动阀动作后，反馈的状态与所给命令不一致。将电动阀重新转至反馈的状态，与电动头进行正确连接后，电动阀按照所给的命令正确工作。

4 电动阀、止回阀的辐射降低效果

放射性去污是指采用各种手段从被污染物表面去除放射性污染，以减少对人员的照射、使污染区可以重新利用。去污的目的是把放射性沾污降低到某种可接受的水平，防止沾污扩散，并使个人照射和废物沉积降到最低[9]。从图5、图6 中可以看出，通过将电动阀、止回阀从堆芯仪表间拆卸转运至放射性物品去污车间进行专项清洁，实现了电动阀、止回阀的接触剂量率以及表面污染水平的有效降低。从去污前后的对比可以看出，去污后电动阀、止回阀的松散污染物基本消除，接触剂量率降低效果明显，具体见表1。堆芯仪表间的环境剂量问题与松散污染物的积累有很大关系，经过清洗后，松散污染物基本消除，接触剂量率也下降明显。这也说明通过松散污染物的清理，实现堆芯仪表间的环境剂量降低的可行性，为后续的辐射剂量降低工作提供了参考数据。

图5 去污前后电动阀、止回阀接触剂量率折线图Fig.5 Broken line of contact dose rate of electric valve and check valve before and after decontamination

图6 去污前后电动阀、止回阀表面污染折线图Fig.6 Line graph of surface contamination of electric valve and check valve before and after decontamination

表1 电动阀、止回阀去污前后接触剂量率、表面污染水平数据对比Table 1 Comparison of contact dose rate and surface contamination leveldata before and after decontamination of electric valves and check valves

5 总结

国内现有百万千瓦级压水堆核电机组的设计寿命为40年，随着对于安全壳结构研究的深入，正向着设计寿命60年不断迈进[10]。热点设备的问题亟待解决，本文为核电厂热点设备的解决提供了一种可行的思路，同时也对堆芯仪表间的电动阀、止回阀的承压性能进行了验证。在对电动阀、止回阀的拆解、清洗过程中，对电动阀、止回阀的不同密封理解更加深刻，通过清洗后的电动阀、止回阀的辐射剂量有效降低，松散污染物基本消除，承压性能得到验证，确保了核电厂一回路压力边界的完整性。