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專題|核電站硼酸腐蝕泄露監檢測技術

2018-08-30 12:49:19 作者：申罡,應紅來源：蘇州熱工研究院有限公司分享至：

0 引言

硼酸是核電站一回路冷卻劑的中子化學毒物，用以補償控制棒對核反應堆反應性的控制。硼酸本身是一種弱酸，在一回路環境下對不銹鋼設備的腐蝕影響很小，它對設備的腐蝕影響主要是硼酸發生泄漏，水分蒸發濃縮后結晶。由于95℃飽和硼酸溶液的pH值小于3，腐蝕性很強，導致碳鋼和低合金鋼設備的溶解腐蝕。

典型的硼水泄露并發生硼酸腐蝕的重要事件有：

（1）1987年，美國Turkey Point 4號機組，在壓力容器頂蓋和控制棒驅動機構上發現了230Kg的硼酸結晶。硼結晶來源于儀表管密封部位的泄露。硼酸導致3個壓力容器頂蓋螺栓、控制棒驅動機構肩部職稱和泄露的儀表管密封件嚴重腐蝕，如圖1所示；

（2）2002年，美國Davis-Besse核電機組，核反應堆的冷卻塔頂發生硼酸腐蝕，原本6英寸厚的不銹鋼合金頂蓋只剩下不到半英寸。每平方英寸面積承受的壓力在2200磅以上，一旦塔頂在壓力下破裂，幾千加侖的放射性高溫熱水將迸發，導致嚴重的核污染事故，如圖2所示。

1988年3月7日，美國核管會發布了NRC GL88-05《壓水堆核電站反應堆壓力邊界碳鋼部件的硼酸腐蝕問題》，GL88-05指出，硼酸腐蝕的預防和控制，關鍵在于保證非正常泄露和泄露溶液的迅速傳播的可能性極低。故防止硼酸腐蝕的首要任務是從源頭上防止泄露發生，如果沒有泄露便不會有硼酸腐蝕。檢測硼酸腐蝕的首要任務是檢測出含硼水的泄露位置及泄漏量。本文立足于核電站現狀，對已應用和潛在的核電站硼酸腐蝕泄露檢測技術進行梳理和介紹。

1 已應用的主要泄露檢測方法

1.1 安全殼空氣粒度和稀有氣體活度監測器

所有壓水堆核電站均有安全殼空氣粒度和稀有氣體活度監測器，用于監測在電站正常運行期間，各房間區域的放射性物質和空氣污染情況，從而實現對電站放射性總體監測。其中β放射性測量常采用火花探測器、比例計數器、β敏感蓋格計算器和固體探測器等；γ放射性測量常采用NaI（Ti）火花計數器、蓋格計數器、比例計數器和電離室等。由于這些監測系統分布于整個安全殼內，無法提供具體泄露的位置信息。一般情況下，1gpm（3.8L/min）的一回路冷卻劑泄露，用空氣微粒監測器可在約10min內檢測到，稀有氣體活度監測器可在約80min內檢測到。

安全殼空氣放射性活度變化與一回路冷卻劑泄漏率的關系可以參考關系式A-1：

其中：

V —安全殼自由體積，單位為cc；A —安全殼大氣中的放射性同位素濃度，單位為μ Ci/cc；C—反應堆冷卻劑中的放射性同位素的濃度，單位為μ Ci/cc；L—反應堆冷卻劑泄漏至安全殼大氣中的泄漏率，單位為L/min；λ—同位素的衰變常數，單位為min；Pf—展蓋因數，小部分泄漏的放射性同位素展蓋因素去除，無量綱；Q—安全殼大氣去除率（凈化率），mL/min（沒有凈化的安全殼其Q為零）。

簡化公式（A-1）得到：

方程的解給出了對于一個給定的泄漏率時，安全殼大氣中同位素的放射性活度濃度與時間的函數關系。

對于A =A0，t = 0時，該解是：

此公式（A-3）可用于估計反應堆冷卻劑的泄漏引起的安全殼大氣的瞬態放射性，并由此可推出對應的泄漏。

1.2 安全殼集水液位及空氣冷卻器冷凝水流量

安全殼集水液位用于監測一回路冷卻劑系統、廠用水系統、組件冷卻系統、蒸汽管道、給水管道的泄露以及安全殼內空氣中的水分凝結。這些泄露將被收集到安全殼集水坑中。一個典型的水位探測器可在10min內檢測約7.5gpm（28L/min）的變化。

安全殼空氣冷卻劑利用冷卻器每5min在整個安全殼內循環一次。潮濕空氣通過冷卻器會使冷卻盤管上有冷凝水產生。壓水堆核電站配有排水系統、垂直立管和立管壓差傳感器等系統，監測由于泄露造成的安全殼空氣中水分含量的變化。一般情況下，這些系統可以在60min內監測到1gpm（3.8L/min）的泄露。但是，這兩種檢測方法無法區分來自冷卻劑系統和其他潛在的泄漏源。

1.3 安全殼濕度監測器

通過對安全殼的濕度監測，可以得出在安全殼內可能由于反應堆冷卻劑系統或其他泄露而引起的濕度變化，這種測量數據存在誤差，因為安全殼內冷凝水的變化、安全殼冷凍器性能的變化，進風溫度和水分含量的變化等，均可能引起安全殼內的大氣濕度發生改變。但濕度監測，仍是一種方便快捷的泄露監測方法。

由于冷卻劑泄漏引起的安全殼內大氣特定濕度的瞬時變化，可用關系式A-4來表示：

其中：

M—安全殼內大氣中的總質量，單位為L；w—安全殼大氣特定的濕度；L—進入安全殼的總泄漏量，單位為L/min；X—泄漏劑的蒸氣餾分，單位為lbm-vapor/lbmliquid；Ci—“第i個”安全殼空氣冷卻器的凝結率，單位為L/min；n—安全殼空氣冷卻器的數量；泄漏劑的蒸氣餾分用焓關系來確定：

其中：

h—RCPB（一回路冷卻水失水事故）中反應堆冷卻劑的焓，Btu/ IBM（J/Kg）

hg—安全殼溫度下的飽和蒸氣焓，Btu/IBM（J/Kg）

hf—安全殼溫度下的飽和液體焓，Btu/IBM（J/Kg）

2 潛在的泄露檢測方法

2.1 局部輻射監測法：N13-F18檢測

N13-F18檢測法（MGP SPLR201系統，如圖3所示）由法國電離公司與MGP儀器公司共同開發。N13和F18存在于一回路冷卻劑中，在泄露部位以氣態形式釋放出來。N13的半衰期為10min，F18的半衰期為110min。這些半衰期足夠短，安全殼內N13和F18無法累積，但是對于泄露位置感測單元的傳輸，時間是足夠長的。

該探測器非常靈敏。若吸入量對于整個安全殼來說，可以檢測低至0.13Gal/min的泄露。如果吸入量只針對于一個小范圍區域，如RPV保溫層下方或封頭上方的覆蓋區域，則靈敏度將會大大提高。該系統被廣泛使用在20世紀90年代初的EDF電站。

該系統的優點為良好的抗電磁干擾、電離輻射、振動和火災能力，檢測的靈敏度高，響應速度快。缺點包括： ① 最高允許的探測溫度為40～60℃，在EDF電站，這種方法是可以接受的，因為其抽吸的是保溫層上方相對涼爽的空氣。然而，如果要對潛在的泄露位置（如保溫層下方）進行抽吸，則需要將樣品從500～600F冷卻至40～60℃；②保溫層以上的樣品可能無法提供足夠的靈敏度來檢測封頭區域的微笑泄露，因為傳感器從一個高流通面積進行抽吸，將牽引大量的安全殼內空氣吸入。

2.2 局部濕度探測法（FLUS系統）

FLUS系統由Framatome ANP German NuclearServices Instrumentation and Diagnostics Group開發，可以被用于檢測組件的小流量泄漏。當泄漏出現和發展時，FLUS系統能提供早期的泄漏檢測，甚至可在電站正常運行期間對泄漏進展進行監測。FLUS系統的一個特別重要的特點是其檢測靈敏度高，它能夠定位泄漏位置，誤差僅為幾米。

FLUS系統是一個區域泄漏檢測器，它可以隨著時間的推移，檢測水或蒸汽泄漏帶來的環境變化。

FLUS系統的關鍵是“傳感器管”，它可以安裝在靠近含高壓水/蒸汽的組件可疑的泄漏部位。傳感器管（參見圖4）具有多孔質燒結金屬元件，通常有一英尺的間隔，且具有抗高溫和高輻射能力。許多傳感器管元件頭尾相連，連接成一個封閉的循環監控線，并初始填充有干燥空氣，從而形成一個“敏感元件”。水蒸汽濃度差的存在，導致傳感器管以外的水分通過多孔元件進行擴散，進入內部敏感部分的干燥空氣中，這樣就形成了傳感器管周圍的空氣的“濕度圖像”（濕度廓線），詳細工作原理請如圖5所示。

FLUS系統是目前在全球多個核電廠運用，美國第一個安裝電站為Davis-Besse電廠。國內臺山核電站KIL系統也采用了該系統。

2.3 聲發射儀器及噪聲探測器

聲發射（AE）儀器和噪聲探測器都是非破壞性測試（NDT）設備，用以監測機械、電氣和工藝系統的狀態和變化。在機械系統中，缺陷提供了特定的聲學或振動響應。例如，如果發生斷裂、變形或其他故障時，聲發射傳感器可以檢測到由該事件所引起的高頻率脈沖串。噪聲檢測器，用于檢測工藝組件的泄漏或變化，例如蒸汽疏水閥、管道、閥門和壓力容器。

AE（聲發射）是由從原材料內能量的快速釋放而產生的一彈性波，所引發的一種現象，其范圍通常在20kHz和1mHz之間[3]。彈性波通過固體傳播到表面，然后它可以被一個或多個傳感器記錄下來。該傳感器將機械波轉換成電信號，以這種方式獲得可能來源的存在和位置信息。

AE不同于主動探測結構的超聲波探傷。聲發射監聽活性缺陷，當超出其服務的負載驗證測試時，聲發射對缺陷的活性是很敏感的。AE是一種有效的分析調查材料的局部損傷的方法。與其他無損檢測技術相比，AE的一個優點是在整個負載的過程中可觀察損傷，且不對試樣有任何干擾。

AE的缺點是，商業AE系統只能定性估計材料造成了多大的損害及組件的耐久時間。所以，仍然需要用其他無損檢測方法做更深入的檢查，并提供定量結果。此外，服務環境一般都非常嘈雜，而AE信號通常非常薄弱。因此，信號鑒別和噪聲削減是非常困難的，但對于成功的AE裝置又是非常重要的。

很多不同的測試可得出結論，在反應堆冷卻劑系統環境可以克服這一困難。

目前技術較成熟的AE探測裝置生產商包括Physical Acoustics，Acoustic Emission Consulting，Matrix Inspection & Engineering及Margan等。

2.4 帶狀濕度傳感器

帶狀濕度傳感器的泄漏監測為一連續監測方法。它包括一個傳感元件，通常是放在工藝管道保溫層的附近。

傳感元件被水分激活時提供電學信號，它可用于產生報警信號的指示裝置。這些傳感器可以迅速檢測出安裝管道上的泄漏，根據各自帶的長度，可相當精確地定位出泄漏的區域。然而，泄漏量是不能被測量的。圖6描述了典型濕度敏感帶的安裝方法。