电厂核岛设备冷却水系统放射性异常的响应分析及对策处理

□刘志远

一、引言

安全导则HAF0213《核电厂反应堆冷却剂系统及其有关系统》规定中间冷却系统的安全功能是：1)将热量从“冷却剂系统”或其他安全重要热源传输到最终热阱；2)对放射性弥散或对化学污染物进入冷却剂起屏障作用。某电厂的重要用户中间回路冷却水系统安全功能同导则中的中间冷却系统。

某电厂重要用户中间回路冷却水系统由四个相互独立(工艺和供电)的通道组成。40系列是向反应堆厂房以及核辅助厂房中正常运行的用户提供冷却水以及向安全厂房中第四系列的安全系统用户提供冷却水。目前已经多次出现系统大于1.0E+04Bq/m3放射性报警事件，升级为机组十大缺陷之一。

二、冷却水放射性异常时的原因分析

在放射性报警时化学取样分析可知最主要的核素是42K和24Na。42K放射性核素是一回路的活化产物，只存在于一回路，其半衰期只有12.36小时，所以存在泄漏的用户一定是和一回路相关的。24Na与42K是某类型机组一回路冷却剂独有的核素，所以冷却水出现以上核素，并长时间保持稳定或者上涨，说明是一回路冷却剂持续的进入冷却水系统。

一回路燃料在某些循环燃料组件出现缺陷，使得在功率运行期间一回路总碘、惰性气体等核素的比活度明显上涨。某循环燃料出现气密性缺失时，一回路冷却剂出现较高活度的惰性气体、碘和铯等裂变产物，冷却水系统的放射性报警升级到二级阈值报警，同时出现碘、惰性气体等一回路冷却剂燃料气密性缺失的特征核素。而且133Xe的活度浓度要高于42K的活度浓度，此时一回路冷却剂中42K活度浓度为1.0E+07Bq/L水平，133Xe为2.0E+06Bq/L水放射性报警时一回路向核岛设备冷却水系统泄漏量的计算。

(一)利用42K示踪计算一回路向核岛设备冷却水系统泄漏量(平衡状态)。系统放射性持续报警时，总γ活度浓度处于相对平衡状态，一回路的42K的活度浓度为A0Bq/L，对应泄露时的核岛设备冷却水系统42K活度浓度为A1Bq/L。核岛设备冷却水系统水装量为90m3；换水流量为F(L/h)。净化系统流量为40m3/h。以t(h)的时间为例，计算泄露量Q(L/h)：

B1为一回路向核岛设备冷却水系统的泄露42K的原子个数：

B1=Q*A0/λ

B2为核岛设备冷却水系统中因衰变而减少的42K的原子个数：

B2=V冷却水系统*A1(1-e-0.056*t)/λ

B3为因换水而减少的42K的个数：

B3=F换水*t*A1/λ

B4为净化而减少的42K的原子个数：

B4=F净化流量*t*A1/λ

根据物料守恒原则，利用同位素42K示踪计算一回路向核岛设备冷却水系统泄露量：

B1=B2+B3+B4

化简为

放化实验室的高纯锗γ谱仪42K的检测下限为1.0E+04Bq/m3，一回路冷却剂的42K活度浓度为1.0E+06～2.0E+07Bq/L，按照公式计算理论的计算的最小泄漏量为0.006L/h，考虑放化仪器的误差要求≤20%，按照此模型计算可以得出准确的最小泄漏量为0.01L/h的水平。

(二)利用3H示踪计算一回路向核岛设备冷却水系统泄漏量(非平衡状态)。放射性报警总γ活度浓度处于上涨状态时，因系统内的42K没有达到平衡状态，无法利用物料守恒计算。而3H的半衰期长达12.3年，所以利用3H示踪计算泄漏量，就不需要考虑衰变引入的变化量，且净化床对3H核素没有净化效果。3H活度浓度的损失量只有因换水F(L/h)减少。一回路的3H的活度浓度为A3Bq/m3(3H活度比较稳定)，对应泄露开始，放射性上涨时核岛设备冷却水系统的初始3H活度浓度为A4Bq/m3，经过t时间，核岛设备冷却水系统3H活度浓度为A5。以t时间段内，计算平均泄漏量Q：

但是由于3H使用的液体闪烁仪测量，与高纯锗γ谱仪原理不同，灵敏度比较高但是测量的重现性比较差。会造成测量数据上有一定的波动，所以3H示踪计算一回路向核岛设备冷却水系统的泄漏量，适合总γ活度浓度处于上涨状态时，无法利用42K示踪计算泄露量的替代手段。

三、降低核岛设备冷却水系统放射性的控制方法

一回路燃料没有出现破损的时候，冷却水出现放射性报警时，总γ的贡献一般为42K、24Na两种核素。由于一回路24Na一般比42K小1～2个数量级，所以泄漏量较小，冷却水放射性触发报警时，核素分析一般只有42K、3H。而3H为纯β衰变，对总γ没有影响。

以上情况时，降低核岛设备冷却水系统放射性的最佳方法是投运净化床循环净化冷却水，系统放射性会迅速降低，最终达到平衡。由于系统换水流量为一般为300L/h，而投运净化床流量为40m3/h。以上两种方式相比，投床效果更有效。

在确认机组有燃料气密性缺失的情况下，一回路Xe、Kr等气体裂变产物会增大，那么相应的，冷却水中的Xe、Kr等核素也会占据很大比重，而Xe等惰性气体无法去除；同时碘同位素衰变会导致Xe活度的上涨和积累。当133Xe的累计量大于42K的去除量时，核岛设备冷却水系统将不能通过床进行净化。

以上情况时，考虑到一回路燃料气密性缺失的情况下，核岛设备冷却水系统放射性在处于上涨且较高水平，为有效降低放射性，采取投运净化床的同时加大换水流量是有效控制和维持放射性的手段。

四、结语

电站重要用户中间回路冷却水系统由于设备老化、缺陷等问题，造成一回路冷却剂向冷却系统泄露的严重危害。通过依据物料守恒的模型和源项筛查的方法，成功的从实践中归纳出一回路向核岛设备冷却水系统泄露触发放射性报警时的有效处理方法。一是利用某类型电厂一回路冷却剂的特征核素42K、3H做为特征核素，通过建模计算较准确地获知一回路向中间回路冷却系统的泄露量，即时判系统断缺陷状态。二是根据中间冷却回路的核素特征，合理利用投混床净化和换水两种手段，可对核岛设备冷却水系统放射性的上涨起到明显抑制作用。三是归纳总结出设备冷却水系统放射性异常时的通用相应措施。