（环境工程专业论文）广东大亚湾核电站环境γ辐射监测系统技术改造研究.pdf

摘要 广东省琢羲螽射琴 究鳖浏中心( g 酴e ) 采焉孛蘑辐射防护研究夔 设计的环境y 辐射监测系统对大亚湾核浇壶奇g n p s ) 周溺环境进行 辐射嗌测，但在使用中发现该系统由于未经各种环境因素考验，测量 数据不准确、系统故漳率高，严羹影嚷了核电站舞銎辐射盗涎携效暴。 本项工作对环壤y 辐射监测系统国内、岁 发展现状进行了分折，对该 系统电离室静电计、不间断电源、防雷装援方嚣存在的闯题提出了解 决办法并完成了相应改造。该系统改造后篷准确、及时、可靠的反映 核电蛄夕 霾的￥螽射水平，满足了核电站矫邃环境囊射篮测和事故应 急的需要。同时，本项工作为我国辐射环撬在线监测网络的建设、使 用和维护积累了经验，并对y 环境监视监测系统设计厂商进行其产品 设计有一定的售鉴意义。忿努，本项工作还对大亚湾卦甏环境y 臻射 监测结果进行了总结，得出g n p s 自运行以来未对周围环境造成明疑 影晌的结论。 关键溺：环凌￥辖封鉴测系统、技零改建、电离室、环境监黧 t h et e c h n i c a l r e c o n s t r u c t i o nr e s e a r c ho ft h e e n v i r o n m e n t a lyd e t e c t i o ns y s t e m i nt h ed ay a b a y n u c l e a rp o w e rs t a t i o n m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：l 1 a o i o n g o m s u p e r v is o r ：p r o f l ei h e n g y i a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n t a lr a d i a t i o nr e s e a r c hc e n t r eo fg u a n g d o n gp r o v i n c e ( g e r c ) u s et h e e n v i r o n m e n t a lyd e t e c t i o ns y s t e mm a d eb yr a d i a t i o np r o t e c t i o ni n s t i t u t eo fc h i n at om o n i t o r t h ee n v i r o n m e n t a lyl e v e la r o u n dt h eg u a n g d o n gd a y ab a yn u c l e a rp o w e rs t a f f o n ( g n p s ) b u t a st h ee n v i r o n m e n t a lyd e t e c t i o ns y s t e mh a sn o tw o r k e di na t r o c i o u sf i e l dw e a t h e r ，m a n ys y s t e m l i m i t a t i o n ss u c ha st h el o wa c q u i r e m e n td a t ar a t e ，at o to fi n a c c u r a c yd a t aa n dh i g hm a l f u n c t i o n r a t eo c c u r r e dd u r i n gt h es y s t e mw o r k ，w h i c hs e r i o u s l yi n f l u e n c et h em o n i t o re f f e c ti o n a f c e r c a r e n l l ya n a l y s i so ft h eym o n i t o rs y s t e m ，w ef i n dp r o b l e m sa b o u tt h es y s t e m t h ef i r s ti st 1 1 a tt h e i o n i z a t i o nc h a m b e rw i l lb ea f f e c t e dw i t hd a m pi nt h er a i n yd a y ，w h i c hw i l lg i v eal o w yl e v e l m e a s u r e m e n td a t a ；t h es e c o n di st h a tt h ef a u l t y d e s i g no ft h es y s t e m su n i n t e r r u p t e dp o w e r s u p p l y ( u p s ) c a u s e dt h es y s t e mb r o k em a n yt i m e sd u r i n gam o n t h ；t h el a s ti st h a tt h el i g h t n i n g a r t e s t e rd i dn o tt a k eo nt h ed u t yo fa r r e s t e r t os o l v et h e s ep r o b l e m s w ed om a n y s t e p si n c l u d i n g t h er e c o n s t r u c t i o no ft h ei o n i z a t i o nc h a m b e rs e a la n di t se l e c t r o n i cc i r c u i t r y ，t h er e b u i l de l e c 仃o n i c c i r c u i t r yo f t h eu p sa n dl i g h t n i n ga r r e s t e r a f t e rt h er e c o n s t r u c t i o n ，m o s tp a r a m e t e r so f t h es y s t e m h a ss a t i s f i e dt h en e e do ft h em o n i t o rt h eyl e v e l a n di th a sr u nf o r4y e a r sw i t h o u tm a l f u n c t i o n i i u r ll：l a l s ow e h a v eg a t h e r e dym o n i t o rd a t aa n dc o m p a r e di tw i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d ，a n dw e f i n d t h a ta f t e rt h e1 0y e a r sr u no ft h eo fg n p s ，t h es u r r o u n d i n gy l e v e lo ft h en u c l e a rp l a n th a sn o t e v i d e n t l yr i s ea n df l u c t u a t ei nt h en o r m mr a d i o a c t i v eb a c k g r o u n dl e v e l k e yw o r d s ：t h ee n v i r o n m e n t a lyd e t e c t i o ns y s t e m ，t e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o n jt h ei o n i z a t i o n c h a m b e r ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g 壅太亚翌兹电塑巫撞y 堑筮鉴测丕缠煎苤邀造婴究 1 1 前言 第1 章绪论 人类从2 0 世纪5 0 年代初开始研究和平利用核能的工作，5 0 年来取得了很 大的发展。核能工业作为一种特殊的高科技产业，在国防、能源、国民经济发展 中起着重要的作用。在目前能源紧缺的今天，发展核电成为解决我国能源问题的 重要途径。目前我国已有3 座核电站投入商业运营，分别是是秦山核电站( 一、 二、三期) 、大亚湾核电站、岭澳核电站、田湾核电站，在建中的有广东岭澳核 电站二期( 2 1 0 0 万千瓦) 工程、秦山二期扩建( 2 x 6 5 万千瓦) 工程和广东阳 江核电站( 2 x 1 0 0 万千瓦) 工程、浙江三门核电站( 2 x 1 0 0 万千瓦) 工程 1 1 。到 2 0 0 4 年，我国核电装机容量达到5 0 4 6 9 亿千瓦，占全国总发电量的2 3 。根据 我国的核电发展规划，到2 0 2 0 年，中国核电装机容量将达到3 6 0 0 万千瓦，占全 国电力装机总量的4 左右，这相当于中国未来1 5 年每年要建两个大亚湾核电站 1 】 0 作为一种能源，核电有着不可比拟的魅力它是目前最新式、最干净，且 单位成本最低的一种电力资源；它稳定性高、寿期长、低污染，在解决资源紧缺， 改善环境质量方面具有明显优势。如以核电站与燃煤电站作比较，核电站运行不 需要大量燃煤，节约了我国日益馈乏的煤炭资源，同时核电站运行不排放二氧化 碳、二氧化硫和灰尘，对环境保护起到了重要作用2 1 。 但是核电站也会产生一定有害影响。核电站在正常运行时会向环境释放少量 的放射性，放射性可以直接和间接地对人体产生辐射剂量。“核事故”和“核泄 漏”更是困扰着人们，历史上曾发生过的核泄漏事故，都造成了相当的危害，最 严重的一次要数1 9 8 6 年发生在前苏联的切尔诺贝利核泄漏事故。在西欧，“核 事故”甚至引发了众多”反核”甚至是”废核”的行为。因此，在发展核电的同时， 做好核安全工作，对核电站及其周围环境实行有效的辐射监测是非常必要的。 核电站的辐射监测可反映核电站运行状况，防止核事发生，同时它还可消除 公众( 特别是附近居民) 对核电站不必要的顾虑。从功用上它可分为辐射工艺监 亡丕太亚渣接电塑巫煎y 揎慰些型丕统遮苤邈造巫究 测和辐射安全( 防护) 监测 3 1 。辐射工艺监测是指对核电站的某些工艺过程和设 备进行监测，以便从辐射水平的高低来发现设备是否有效、是否正常运行。其中， 主要是屏障完整性及有效性监测，以确保核电站的安全运行，防止任何超剂量事 故发生。辐射安全( 防护) 监测主要指对核电站排放的放射性废气和废液进行监 测，提供对公众造成的危害信息。 目前，我国已建核电站都有完善的辐射监测体系。核电站内部辐射监测( 包 括辐射工艺和辐射安全) 由核电站负责；核电站外围辐射环境监测( 主要是辐射 安全监测) 则实行双轨制，即核电站负责日常监测，国家环境保护主管部门负责 监督性监测。核电站的外围监测对象包括空气、土壤、地下水等。其中，环境y 辐射连续监测系统可实现自动测量、自动记录、自动报警，是核电站周围环境最 快捷、最有效的监测手段。但y 辐射环境监测是在野外进行，其监测仪器受野外 环境影响较大，监测结果会受天气状况、天然本底的影响，且外围监测既要求有 足够的天然本底灵敏度又能在核事故或核泄露时有高的过载测量能力，因而核电 站外围y 连续监视监测是否能准确、及时、可靠的反映核电站外围的辐射水平成 为人们关心的问题。 1 2 研究目的及意义 广东省环境辐射研究监测中心( g e r c ) 从19 9 2 年开始采用中国辐射防护研 究院设计的环境y 辐射监测系统对大亚湾核电站周围环境进行辐射监测，但在使 用中发现，该监测系统由于未经各种环境因素考验，测量数据不完整、系统故障 率高、严重影响了核电站外围辐射监测的效果。本项研究对环境y 辐射监测系统 进行了分析，对该系统电离室静电计、不间断电源、防雷装置方面存在的问题提 出了解决办法并完成了相应改造。系统改造后能准确、及时、可靠的反映核电站 外围的y 辐射水平，满足了核电站外围环境y 监测的需要。同时，这项工作适应 国家“一网两中心”辐射环境监测能力建设和全国核反恐监测网络建立的需要， 为我国辐射环境在线监测网络的建设、使用和维护积累了经验，并对环境v 辐射 监测系统设计厂商进行其产品设计有一定的借鉴意义。 亡苤太垩湮弦电盐巫撞y 揎越堕型丕统堇苤邀童硒宜 1 3 主要研究内容 本项研究主要工作内容如下 1 对g e r c 现有环境y 辐射监测系统测量数据不完整、系统故障率高的原 因进行分析，找出系统存在问题的原因，在充分调研国内、外同类仪器和系统现 状的基础上，提出相应的解决方案。 2 按照提出的改造方案对y 监测系统进行改造，并对比改造前后监测结果 及核电站监测结果进行系统改造评价。 3 分析改造后的系统测量数据，简要评价大亚湾核电站运行对周围大气环 境造成的辐射影响。 亡丕太亚渣兹皇塑巫撞y 堑越鉴测丕筮蕉苤邀造盈窥 第2 章现有系统介绍及存在问题 2 1 大亚湾核电站外围环境y 辐射监测系统 2 1 1 子站布点 大亚湾核电站y 辐射自动监测站系统由1 1 个子站组成，主要目的是监测核 电厂的常规和异常排放，范围为核电站周围半径5 0 k m ，重点监测核电站周围半 径1 0 k m 范围的陆地。该监测系统将处于核电站厂区主导风向下风向3 8 k m 附 近的居民点鹏城和距核反应堆仅5 0 0 m 的大坑作为关键监测点，将分别距核电 站厂区5 1 k m 、1 8 0k m 的深圳、广州作为对照点，以区分核电站排放的放射性 核素与天然本底( 或核试验沉降物) 对周边环境的影响。在系统布置测点时，着 重考虑的因素是：1 关键人群组居住地区( 鹏城) ； 2 按监测结果的可比性要求， 尽量与本底调查时的布点相一致，并与核电监测系统互补可比。各y 监测子站 的具体位置如图2 1 所示。 图2 1g e r c 环境v 辐射监测系统监测子站位置图 亡丕太垩渣挞电堂巫撞兰缉麴堕测丕统撞苤邀造婴窥 2 1 2 系统工作原理 4 1 环境y 辐射监测系统是由中国辐射防护院和g e r c 联合设计、生产的。该 系统由高、低量程电离室、积分式静电计、8 0 3 1 单板机、调制解调器及不间断 电源组成。 公共宅话网 ll 数据中心 ( 广州总部) 图2 2 监测系统工作原理图 系统采用的是中国辐射防护研究院设计的e r m b 型电离室。其中高压电离 室直径2 5 0 m m ，容积8 1 0 0m l ，内充心气，气压2 0 a t m 。常压电离室直径8 0 m m ， 容积2 6 0 m l ，内充常压空气。二个电离室均为不锈钢外壳。 高、低压电离室空气吸收剂量率量程范围为4 0 n g y h 到1 g y h ( 约8 个量级) 。 积分式静电计，由高绝缘m o s 场效应管及高增益运算放大器经电容反馈组 成电流积分器。 8 0 3 1 单板机，包括数据存储器、数模变换器、输入输出接口，数码显示及 操作键。通过专用程序控制仪器的测量、运算、存储、显示、通信、报警等。 存储器可储存2 0 0 0 个数据，正常时5 分钟测量记录一次，可连续记录7 天数据。 调制解调器为单板机向中控计算机传输及互相传送指令的装置。 u p s 电源由充电控制电路及蓄电池组成。 工作原理：电离室内气体受y 射线照射后电离产生微弱电流，经积分放大 后送入单板机换算成剂量率值。正常情况下5 分钟测量一次，若测量到的数据 超过报警阈值时，则自动转换成1 分钟测量一次。 该系统可实现自动测量、自动记录、自动换挡、自动报警，通过公共通讯 网( 有线电话) ，随时把监测数据传回广州总部。 2 1 3 系统改造前的状况 y 辐射监测系统于1 9 9 2 年开始安装，1 9 9 3 年投入运行。由于该系统未经各 种环境因素的考验，运行一段时间后该系统存在的缺陷逐渐暴露出来，故障率 亡丕太堡渣趑电盐巫撞y 揎盟些捌丕统董苤邀堂巫究 愈来愈高，数据采取率越来越低，2 0 0 0 年初甚至出现连续二个月没有一个子站 正常工作的现象。有些子站传回的数据波动性太大，根本无使用价值，直到2 0 0 0 年上半年以前，每次核事故应急演习，环境y 辐射监测系统都不能发挥应有的 作用，因而演习时只能采用模拟数据，这种不正常的运行状态，对单位工作造 成较大影响，引起了国家环保总局、省环保局及有关专家的高度关注。2 0 0 0 年 1 0 月至2 0 0 1 年3 月六个月y 系统各子站监测结果和数据采取情况见表2 1 。 表2 1 2 0 0 0 1 0 。2 0 0 1 0 3y 系统各子站监测结果和数据采取率( 单位：n g y h ) 站名0 0 1 0 0 0 1 10 0 1 20 1 0 10 1 0 20 1 0 3 月平均 x o1 4 8 7 4 3 81 6 7 7 3 5 4 1 4 8 0 0 9 大坑 采取率5 8 1 7 6 70006 52 3 5 5 x d1 2 0 4 1 8 31 3 7 0 1 5 1 1 1 7 3 1 2 鹏城 采取率3 8 7 4 6 70004 5 22 1 7 6 x d9 4 1 3 29 5 0 1 89 4 3 1 6 水头 采取率2 2 64 0 0 1 0 0000 x o1 7 5 9 9 6 4 1 1 8 3 2 0 0 东山 采取率 1 2 92 0 00 000 x o1 0 3 o 2 0 坝光 采取率 6 500 000 x o 沙头角 采取率0 0000 0 x o 深圳 采取率0 0000 0 5 4 3 注：月数据采取率= ( 当月有效天数当月天数) 1 0 0 从表2 1 中可以看出，从2 0 0 0 1 0 2 0 0 1 0 3 期间采取率最高的水头站也只有 2 7 1 。此外，系统稳定性差，如东山站正常时数据值一般在1 1 5 1 3 0n g y h ， 而表中显示数据的月平均值为1 7 5 9n g y h ，比正常值高得多，数据偏差高达 9 6 4 。因而对该系统进行改造是十分必要的。 为了弄清楚系统的整体设计或基本结构是否存在重大缺陷，如设备选型、 数据采集与传输方式及监测方案制定等有无重大失误，我们对国内外同类型设 备和系统作了调研。 塞太垩渣核电堂还撞芏疆蕴堕型丕筮董盔亟造盟蕴 2 2 环境y 辐射监测系统国内、外发展现状 环境y 辐射监测系统以y 辐射探测器作为整个系统的核心，再加上电子学 设备和相应数据处理软件构成了探测网络。国内、外y 监测系统技术的发展也 主要依赖于探测器、电子设备的改进和数据处理软件设计能力的提高。 2 2 1 环境y 辐射探测器 用于环境y 辐射监测的探测器有很多，如电离室、g m 计数器、闪烁探测 器、半导体探测器、热释光探测器、固体径迹探测器等。其中电离室、g m 计 数器、闪烁探测器、半导体探测器可用于实时y 剂量率测量，热释光探测器、 固体径迹探测器则是累积型探测器，不能用于环境y 辐射的实时监测。 1 电离室 5 ，6 7 用于核电站周围环境y 监测的电离室多为圆柱形电离室。电离室内充空气 密封形成常压电离室，充高压工作气体如a r 的电离室称为高压电离室。电离室 是根据空腔理论做成的，根据布拉格一戈瑞理论，电离室室壁材料的吸收剂量 为：d 。= j g ( o c ) e ) s 咐( 式2 1 ) 式中：k 是次级电子在空腔中单位质量气体内产生的电荷( 库仑千克) ； e 是次级电子在空腔气体中产生单位电荷所需消耗的能量； s w 。是室壁材料和腔内气体对次级电的平均质量碰撞阻止本领比。 腔 电韫 体 极 图2 3 空腔电离室示意图 亡丕太垩渣拯鱼堂丕撞兰堑挝鉴到丕统董丕亟堂班蕴 由于在相同照射条件下，两种物质的吸收剂量之比，等于它们对于光子的 平均质量吸收系数之比，因而可由电离室室壁材料吸收剂量d w 推得周围空气吸 收剂量，即： d 。：燃d 。( 式2 2 ) 4 。j d ) 。 ”。 。 式中：d 。是周围空气吸收剂量，d w 是电离室室壁吸收剂量， 。p ) 。和( u 。p ) 。 分别是室壁材料和空气对光子的平均质量能量吸收系数。 对于室壁材料与空气等效的常压电离室，由于( u 。j d ) 。和( p ) 。相等，且 s w ，f 1 ，因而 d a ：( 形。枷 = e 石y ( 式2 3 ) 式中：( 竺) 。是空气中产生一对离子的平均电离能，q 为电离室内收集到的一种 离子的总电荷量，v 是空腔体积，p 为空气密度。 电离室是一种优良的环境y 辐射监测设备，虽然电离室也有能量响应问题， 但是它的能量响应极小。从式( 2 2 ) 可知，电离室的能量响应由挈奠? 皇决定 l 甜。1 1 3 ) 。 只要电离室室壁材料的原子序数z 小于3 0 ，那么，对于能量大于3 0 0 k e v 的光 子，垒! 丛1 ，因此这时仪器读数对辐射的能量依赖性不在，能正确反应被 。p ) 。 测的吸收剂量大小。由于环境天然核素中y 辐射较典型的是2 2 6 r a 的能谱，其值 在3 0 0 k e v 以上，因而电离室用于环境y 监测基本不存在能量响应问题。 目前，性能优良的电离室多为国外产品，如美国g e 公司的r s s l 2 1 是国内 使用较为广泛的一种电离室，其后续产品r s l 3 1 则多用于剂量比对电离室使用。 文献 1 5 提到国内的电离室研究应用也获得了相当的发展，只要慎重选择，其性 能基本与国外电离室相当。 奎太垩渣弦电塑巫撞y 辐挝鉴测丕统燕苤弦造巫究 b v ( 髭 巨r 佼j 图2 4 室壁材料与空气质量能量吸收系数比随光子能量的变化曲线 从国际上对核电站周围环境y 辐射监测的经验看1 2 ，美国用高气压电离室 较多，日本早期用nai 闪烁计数器( 特殊电路设计，直接测照射量) ， 但由 于需要解决温度补偿和量程等问题，后改用电离室。台湾、香港地区及韩国也 采用电离室。欧洲一些国家用正比管、盖革管较多。国内来说，秦山期及浙 江省环境放射性监测站均采用高气压电离室。 2g m 计数器 5 ，6 7 】 g m 计数器对y 光子的探测原理与电离室一样，都是由于y 光子穿过探测 器壁中击出的次级带电粒子穿过敏感体积，引起响应。但g m 工作于气体雪崩 区，所有进入灵敏体积的带电粒子，不管其损耗能量多寡，都只能产生一个幅 度相同的脉冲，使得它的响应与产生脉冲的初始电离无关。因而g m 计数管 具有很高的探测灵敏度，且其输出信号脉冲幅度很大，探测装置不需要放大电 路就可直接输出信号。基于以上特点，g m 计数管的制造方法和工艺简单，输 出脉冲幅度大，对后续电子学线路要求简单，因而易生产、价格便宜，在环境 测量中得到了广泛应用。如大亚湾核电站的新的环境y 辐射连续监测系统 ( k r s ) 就采用了g m 计数器( 美国的g p1 1 0 探测器，含有两个高低量程的 g m 计数器) 【9 j 。 但g m 计数管也存在缺点：g m 计数管的能量响应较差，即g m 计数 管的剂量响应不仅取决于辐射量大小，而且还依赖于光子能量hv 。图2 5 给出 了不同阴极材料的g m 计数管的效率随光子能量的变化曲线，可见对于铜制阴 极的计数管，在0 3 2 5 m e v 的范围内，效率几乎与y 射线能量成正比；从图可 亡丕太亚渣核电站还缝y 揎越堕型丕筮夔苤弦童婴窒 以看到，在上述能量范围内，铜制阴极计数管对单位照射的响应与平均值的偏 离在1 5 左右。g m 计数管的角响应较差，即随着y 射线的入射方向不同， 计数管的计数效率发生变化。g m 探测器的角响应，在射线能量处于 8 0 3 0 0 0 k e v 、角度变化在o 一4 5k e v 时，计数效率有1 0 的变化，角度变化在 4 5 9 0 度时，有3 0 的变化。而好的电离室，如美国g e 公司的r s 1 3 1 高压 电离室 8 其角响应在全角度范围内仅为2 。g m 计数管死时间较大，记录第 一个计数后，要相隔1 0 一1 0 s 才能有效地记录第二个计数，因而在测量高计数 串时，漏计数将会很大。当辐射水平很高时，甚至会被“梗塞”而无响应。同 时，还因为计数管有一定的“寿命”( 最多只能计数1 0 9 一1 0 1 0 次) ，所以盖革计 数管不宜用于强辐射场的测量。 五妒兆电子铰) 图2 5 几种阴极材料的盖革计数管的效率与光子能量的关系曲线( 左图) 不同阴极材料的盖革计数管对单位剂量的x 射线的响应情况( 右图) 因此，从整体上看，g m 计数管灵敏度高，测量所用记录设备简单，在环境 y 测量中得到了一定应用，但它在能量响应和角响应等方面存在的缺陷，用于环 境y 辐射监测还需对以上问题慎重处理。如大亚湾核电站的新k r s 监测系统的 g m 计数管就存着能量响应、角响应、探测器本底的问题p j 。 3 闪烁探测器 闪烁探测器探测辐射的方式是将电离辐射在某些闪烁物质中损失的能量转 换为光，在照射期间产生的光的总量称为光产额，这些光再通过光电倍增管变 成放大了的电讯号，而后为电子线路所记录。一般而言，对于每一个被探测到 的光子，能记录一个脉冲，脉冲的大小与沉积于闪烁体中的能量有关，因此能 够测出闪烁体中吸收的总能量。如果对所关心的能量范围进行刻度，那么闪烁 计数器就能用于测量照射量和吸收剂量。为了用闪烁计数器测量照射量和吸收 亡丕太垩渣璧电塑丕蕉羔揎挝堕塑丕统蕉盔弦造班窥 剂量，要求闪烁物质有尽可能好的空气等效性；闪烁体的有效原子序数越接近 于空气，则等效性越好。闪烁体剂量探测器多为有机闪烁体蒽和无机闪烁体 n a i ( t 1 ) 。目前常用的闪烁剂量探测器有上海核仪器厂的f d 型闪烁y 辐射仪、 北京核仪器厂的b h 3 1 0 3 b 型便携式x y 剂量率仪等。由于电离室探测器体积较 大，在进行大面积环境评价中常采用便携式闪烁剂量率仪测量。 近年来环境y 能谱测量方法在环境y 剂量测量中也得到了较快发展。环境 y 能谱测量方法是利用n a i ( t 1 ) 闪烁探测器组成的y 能谱仪为工具，在现场 直接测定环境土壤中放射性核素活度浓度或v 总放射性，进而可计算地表空气 吸收剂量率。根据测量时仪器的载带工具不同，分为就地y 能谱测量、车载y 能谱测量以及航空y 能谱测量n 1 | 。航空y 能谱测量能够迅速测量大面积区域y 剂量率，在核事故中可即时获取受放射性污染地区状况。瑞士等国还用车载y 能谱测量( 配g p s 定位系统) 测量核电站周围的y 剂量率以弥补定点环境y 剂 量率测量测点的局限性n 0 | 。 从总体上看，闪烁体探测器的灵敏度好于g m 计数管，基本与电离室相当， 它还具有非常高的时间分辨率( 1 0 喃- i 0 呻s ) ，但其制作成本较高，因而不太适 宜作为环境y 连续测量探测器。 4 半导体探测器 半导体探测器的工作原理与气体电离室十分相似，有固体电离室之称。半导 体探测器的优点是：固体的密度比气体密度大几千倍，因而固体探测器对射线 的阻止本领比气体大得多。在半导体中产生一对电子一空穴所需能量只有3 e v 左右，而在气体中生成一对离子所需能量约为3 0 e v ；半导体探测器抗环境能力 强。它的缺点是半导体探测器存在着较大的能量响应和角响应。由于半导体探测 器一般较小，适合作个人剂量监测计，目前多用于放射治疗中的个人照射剂量实 时监测n 3 。常用的半导体剂量探测器有p - n 结型探测器( s i 或g e ) 、g a a s 、c d s 等。 5 小结 文献【l2 j 曾对比了美国r e t u s 2 t o k e s 公司的r s s l 0 1 3 型高压电离室、西安海通 原子能应用研究所的h t1 0 0 1 a 型电离室探测器、北京核仪器厂产f t 6 2 0 型闪烁 x 2 c 剂量率仪及中国原子能科学研究院新近研制的带补偿的g m 型探测器在 1 9 9 6 1 9 9 9 年内在各种天气状况下的测量结果，结果表明国产电离室与国外相 亡苤太亚堕拯鱼堂巫撞y 叠魁堕测丕统夔苤邀童婴究 比，性能已经较接近，只要选型得当基本上能满足野外连续监测的需要；闪烁 剂量率仪基本能满足实际野外连续监测的需要，但必须解决探测器的恒温、恒湿 问题；g m 管类探测器作为核设施周围事故报警用的连续监测是较合适的，但 不太适宜用于监测天然环境y 辐射变化使用。其它一些文献n 2 1 3 。的比较也有相似 结果。 从以上对各种环境y 探测器的调查和对比可知，g e r c 的y 监测系统使用的电 离室仍是一种非常好的探测器，因而没有必要更换y 探测器( 如使用g m 计数管 则要解决探测器的能量响应和角响应等复杂问题) ，只要能找出电离室存在的问 题就可解决测量误差、数据波动较大的现象。 2 2 2 环境y 辐射监测系统 随着现代技术进步，环境y 辐射监测系统也获得了新的发展。其主要表现在 以下几个方面：电子学的发展使得仪器工作更稳定、抗野外恶劣环境的能力得 到增强；高速通讯网络使得系统具有实时显示和快速反应的能力，合理的软件 设计使得系统具有多种数据显示和分析的能力；环境y 监测技术的发展使得人 们注意多种因素( 如气象、本底) 对环境y 剂量率测量的影响，并在环境y 监测 系统中加入对这些因素的测量。以下分别调查了近年来设计和使用环境y 剂量测 量系统。 1 防化研究院设计环境y 剂量监测系统 1 5 】 该系统是由防化研究院熊建平、周文平于9 0 年代末设计的多功能、宽量程的 y 辐射监测系统，系统各部分结构如图所示。 麓嚣宽气h 静电计 迄鬻塞 i 放大器 毒莲il 量寒转拯 电溽i| 聂辆饔。 紊自控劐食光蹑摄 困匾睫岔凹船 磊鬲赢诗辫捌 攀h 垫h 雕嚣： 占醚【h 革 z 2 0 v 毒关蓑量燕剖 去搡羹嚣锤压电穰 图2 6 系统探测器部件原理框图和系统控制台原理框图 该系统的最大特点在于其高压电离室的输出电路设计。其高压电离室的输出 电流分三档进行放大：1 0 1 0 一9 a 档，反馈电阻为1 0 1 0 q ；1 0 1 0 7 a 档，反馈 亡苤太堑湮篮电堑巫撞芏堡魁监趔丕统董苤邀造硒究 电阻为1 0 8 q ；1 0 一1 0 一5 a 档，反馈电阻为1 0 6 q 。这样静电计型放大器在每一档的 最低输出电压均可达n o 1 v 量级，电压电流变换器的最低输出电流可达4 1 6 m a 量级，从而保证了电离室在各量程段都有较强的输出信号。此外，为解决多点位 测量、多点位控制及系统所处工作环境较差的问题，该系统采用了s t d ：e 业控制 总线。这种总线的优点是采用了插件式模块，可靠性高，环境适应性强，比较 好地解决了多点位测量和多点位控制的问题。系统经过了- 4 0 5 0 。c 的温度试验， 结果表明该系统仅具有极小的温度效应。 2 大亚湾k r s 改造系统 1 6 原大亚湾核电站环境v 监测系统( k r s ) 建于9 0 年代初，2 0 0 0 年大亚湾核电 站对该系统进行了改造，建立了新的k r s 系统。该系统的监测基站由g p l l 0 型y 辐射探测器、雨量计、a d m 6 0 6 数据获取和处理单元、无线和有线通讯设备调制解 调器以及避雷保护器和u p s 供电设备组成，图2 7 为系统示意图。其中大亚湾厂区 辐射监测站还配有空气取样泵装置。y 辐射探测器g p l1 0 探测的信号，通过信号 电缆传输至就地仪表控制柜中的a d m 6 0 6 经内部i o 电路、模数转换处理后，实时 监测数据显示在a d m 6 0 6 的液晶显示器上，同时a d m 6 0 6 输出的信息通过无线通讯设 备或有线电话通讯设备调制解调器传送至k r s 中央站网络监测系统的y 辐射数据 采集工作站。在正常情况下，k r s 中央站数据采集系统每5 m i n 扫描一次1 0 个y 辐 射监测站，在事故状况下，即当现场y 辐射水平超过a d m 6 0 6 设定的报警阈值时， 发出报警信号，并将报警信号自动传输到k r s 中央站数据采集计算机系统，使自 动扫描的速率转换为1 m i n 一次，同时将报警信号传输至大亚湾核电站主控室的监 视屏上。 该系统具有快速、灵敏度高、量程宽，可自动连续监测等优点。系统采用的 g m 计数管y 监测仪器，具有价格便宜、温湿度效应小，稳定性好等优点，但由 于g m 计数管的固有能量响应和角响应较大，在系统运行初期测量数据比高压电 离室r s s 一1 1 2 测量数据高出约2 0 ，后经过重新刻度和本底校正后系统运行状况较 好。 亡丕太垩渣弦鱼堂丕撞y 摄魁堕型丕统量苤邀造砑塞 图2 7k r sy 辐射连续监测站系统示意图 3 秦山核电基地外围环境y 辐射连续监测系统口 该系统由r s s 一1 3 1 型高压电离室、数据采集子系统、气象传感器、数据中心 处理单元组成。r s s 一1 3 1 型高压电离室具有灵敏度高，能量响应和角响应好，电 子线路简单，钢制结构牢固等优点，是目前国内、外性能较为优异的一种高压电 离室。数据采集子系统主要由数据采集器、工控机和通讯设备及防雷安全系统等 组成。由于y 辐射仪自带有数据的采集、处理和贮存的功能，并具有r s s 2 3 2 通 讯口，可直接接入工控机。气象传感器的信号要先统一进入数据采集器进行数据 采集，然后再利用串行口接入工控机中。其余安全信号( 如室温、避雷器、u p s 的 故障信号等) 也一并进入到数据采集器。工控机设有网络接1 ：3 ，通过路由器，与 调制解调器连接，通过d d n 专线向秦山数据汇总站传送数据。系统运行时，每3 0 秒就有9 个监测点的各类参数数据传到，对每个参数都要计算处理，并能生成5 分钟均值表、小时均值表、日报表、月报表等，并在桌面上以图表等显示，具有 对报警数据的管理和查询等功能。当y 辐射剂量率超过预先设定的报警值时，系 统会利用短信发送平台，自动以短信形式把报警信息传到管理人员的手机上，提 醒管理人员进行干预处理。这样，系统可实现无人值守的功能。 秦山核电站外围环境y 辐射连续监测系统是目前最完善的环境y 监测系统。 它的实时性更好，其数据测量时间很短( 仅3 0 s ) ，又具备很高的数据传输速度； 塔 亡苤太亚蓬核电塑巫撞) 揎盟鳖型丕统董丕邀适班究 它的数据处理能力很强，且具备以多种形式报警的功能( 声音、短信) ；它还对 气象条件进行了监测，具备了由于气象因素对环境y 测量影响进行处理的能力， 因此监测结果更准确。此外，它具备很高的灵敏度，它曾利用区分核电厂气载放 射性排放引起环境y 辐射水平升高的数据统计方法，监测到由于核电厂排放引起 的环境y 辐射剂量率的短时升高现象。 电 源 l | | | l 图2 8 秦山核电站外围环境监测系统数据采集子系统结构方块图 4 其它 近年来，一种新的仪器虚拟仪器( v i r m a li n s t r u m e n t ，v i ) 甘j 现在人们面前。虚 拟仪器是加在计算机上的一些软件和硬件，它们具有和实际独立仪器( 如示波器 等) 类似的外观和性能。它们的出现打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变 的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统。人们已利用 该技术设计不少智能仪器和系统，如基于虚拟仪器的工厂安全监测系统1 9 1 等。相 信这项技术很快会应用到核电站环境v 监测系统中去，它将使得环境y 的监测更 为灵活：系统操作人员，不仅可以更加灵活的显示和分析监测数据，而且可以根 据需要扩展系统监测功能。 此外，人们在y 监测系统基础上开发了多种核设施环境监测数据库，如用来 综合各种核设施周围辐射信息，为核设施周围环境评价和核设施安全报警提供及 时信息。 亡苤盔亚堕燕电塑竖撞芏缉齄竖型丕筮堇苤塑童班窒 从以上对y 监测系统的发展现状分析可知：目前，用于环境y 监测的探测 器中最理想的仍是高压电离室，它的能量响应、角响应都是环境y 探测器中最好 的，且国内生产的电离室只要慎重选择，其性能已能达到国外产品的水平。g m 管 类探测器用于环境v 监测还有一定缺陷的( 如能量响应、角响应等) ，闪烁探测 器用于环境y 监测则要解决防潮等问题。环境y 监测系统已发展为一套综合监 测系统。它不仅监测环境y 剂量率而且监测各种气象条件( 温度、湿度、风向、 风速) ，从而可以更准确的判定这些条件变化时对y 剂量率的影响，得出准确的 环境y 剂量率变化规律。此外，随着电子学的发展，环境y 监测系统工作更稳定， 抗各种环境因素影响的能力更强。c e r c 的环境y 监测系统的基本结构是合理 的，因而对环境y 监测系统的改造没有必要进行整体结构的改变，只要针对系统 设备缺陷加以改造即可。 亡丕太亚渣擅电盐丕蕉y 揎挝竖型丕统蕉苤夔造婴究 第3 章现有系统改造方案及改造效果论证 3 1 现有系统存在的问题分析 现有系统故障率高、数据采取率低、数据波动大，无法正常工作的原因是 多方面的。根据我们多年对系统运行和维护管理经验，就其本身存在的一些问 题分析如下 2 1 ，2 2 ，2 3 ： 3 1 1 高压电离室的缺陷 1 静电计密封性不好，进入水气造成绝缘下降 由于电离室的电离信号非常弱( 约为1 0 1 2 a ) ，为尽可能把这非常弱的信号 全部送入静电计进行放大，要求静电计的输入阻抗非常高，现静电计已经采用 半导体器件中阻抗最高的m o s 场效应管( 输入阻抗1 0 1 2q ) 作为静电计的输入 t 图3 1 高压电离室结构图 亡丕太垩鎏拯鱼塑还蕉y 揎基笪型丕盈夔丕夔造婴窥 级，一般情况下已满足要求。但如果电离室信号输出端到静电计场效应管栅极 输入绝缘性能不好，就会产生一个与场效应管栅极输入端相并联的漏电阻，从 而降低了静电计的输入阻抗，影响流入静电计的信号电流，电离室电离电流信 号如图3 1 所示。 r 入为静电计的等效输入阻抗( 约1 0 1 2 ) ；r 漏为绝缘电阻( 又称无形电阻) ；i 为 电离室产生的信号电流；e 为电离室工作电压。 正常情况下，r 漏为无穷大，信号电流i 全部流入r 入，但当电离室输出端 到静电计的输入这段线路若密封不好，受潮或有灰尘时，则绝缘电阻就会下降， 此时信号电流就会有一部分通过r 潦分流，通过静电计的电流就会减少。 当r 漏 r 入时，通过r 漏分流的电流很小，信号电流基本上全部送入静电计。 当r 漏r 入时，通过r 漏分流的电流约为1 1 2 i ，流入静电计的电流减少一半。 当r 漏 r 入时，通过r 漏分流的电流大于流入r 入的电流，此时流入静电计 的电流更少，信号电流大部分流失。 从以分析得知，只有当绝缘电阻大大高于静电计的输入阻抗时，电离室的 信号才能保证绝大部分流入静电计进行放大，绝缘电阻越大越好，所以静电计 一般采用高绝缘材料作为接线柱。为防止潮湿空气、灰尘进入，静电计对密封 的要求非常严格，原静电计在设计时，已经考虑了这一问题，但由于工艺、选 用器件等方面的原因，仍然存在着密封上的问题。经检查发现，低量程静电计 的二个输入插座( 一个接单板机，另一个接高量程静电计) 定位孔上分别有二 个约2 l m m 的长方形孔，插座的针孔也可透气，致使潮湿空气很容易扩散到 静电计中，造成绝缘性能下降，信号丢失。又由于野外环境中湿度不断变化， 使绝缘电阻不断变化，造成剂量率数据低于本底值，且不稳定。阴雨天湿度高 时，剂量率数值下降，晴天湿度下降时，剂量率数值又恢复到正常，甚至白天 与晚上湿度差别也能引起剂量率数值的波动。 2 电离室输出端与过渡接点接触不良 电离室输出信号通过弹簧传送到此接点，再由此接点接入静电计的输入端。 当输出端与过渡接点接触不良时，信号时有时无，电离室受震动时这种现象更 加明显。 3 保护环接地不良 亡丕太亚渣核电塑巫境芏缉射笪型丕红撞丕逮造婴宜 保护环为圆环状金属片，焊接在电离室输出电极与电离室至绝缘的陶瓷上( 电 离室表面接有一9 0 v 工作电压) ，此保护环的作用是把电离室工作电压通过陶瓷 表面的漏电流接地，从而阻止这种干扰电流进入电离室的输出端。正常情况下 保护环应接地良好，但原弹簧内径小，接触面小，易生锈，引起接地不良，虽 然通过陶瓷表面的漏电流很小，但静电计本身就是微电流放大器，且漏电流的 方向与电离室产生电离电流方向相同，结果造成测量数据偏高。由于这种接地 不良，属于不固定状态，所以升高的数值也不固定，剂量率数值在高于正常值 上波动。 以上三种情况，是造成系统测量结果不稳定的主要原因。另外，静电计的 两个输出插座安装在静电计的座体上，由于插座为1 2 芯插座，接线多且短，更 换元件时需把整个静电计拆下来( 包括电离室) ，对维修极不方便。 3 1 2 不间断电源( u p s ) 的不正常工作状况 不问断电源( u p s ) 是当停电时蓄电池向二次仪表( 单板机) 和调制解调器供 电的装置，原装置主要有两个缺陷： 1 输出电流小 原装置是用两个l m 3 1 7 可调集成稳压块并联输出电流，l m 3 1 7 的最大输出 电流为1 5 a ，两个相加极限电流为3 a 。而一般情况下，对蓄电池、单板机、 调制解调器的供电要3 a 以上( 若蓄电池经放电后充电所需电流达8 a 左右) ， 由于l m 3 1 7 长时间超负荷工作，损坏率极高，从而造成系统没有电源而停止工 作。 2 保护电路设置不够 原装置只设置了蓄电池过放电保护，而对可能出现的过压问题没有考虑。 当l m 3 1 7 内部击穿时，其输入电压( 通常在2 0 v 以上) 就会直接加到负载上， 此时蓄电池就会由于过压充电而损毁，单板机、调制解调器也会由于工作电压 过高而损坏。 3 1 3 防雷装置的故障 雷电引发的故障非常严重，轻则造成系统停机，重则烧坏单板机、调制解 调器。根据分析，雷电产生的浪涌脉冲信号主要是从电话线、外电网窜入的。 原系统安装的避雷器在正常工作时具有消雷作用，其原理是当外线路( 电 亡苤盔