依据有关的国家法规和标准, 对核设施实行"双轨制"监测, 即由业主自行监测和监管部门监督监测。江苏省辐射环境监测站具体负责实施对田湾核电站的监督性监测。

田湾核电站1997年4月批准立项, 一期工程建设两台从俄罗斯引进的AES-91型机组, 堆型为容器式压水动力反应堆, 核电机组的运行寿命为40a, 单机容量为106万千瓦。1号机组和2号机组分别于2007年5月和8月投入商业运行。

在田湾核电站建设期间, 我们就实施了对核电站厂址周围环境连续2年的本底调查, 并立项建设核电站外围环境监督性监测系统。田湾核电站外围环境监测采用就地直接测量与采样分析两种手段。气体淹没照射是核电站周围居民照射的关键途径, 因此环境γ辐射连续监测系统是核电站外围环境监督监测系统的的重点项目。田湾核电站外围环境γ连续监测系统包括固定监测哨、巡测车、数据传输系统、软件控制系统和连云港、南京两个控制中心。2003年建成试运行, 2007年又进行了升级改造。

目前, 我国正在大力发展核电, 随着核电站的增多, 对辐射环境监测也提出了更为迫切的需求, 如何建立一整套完善的外围环境γ连续监测系统是一项复杂而又急迫的工作, 而田湾核电站外围环境γ辐射连续监测系统的建立和稳定运行无疑会为该项工作开展提供很多实际和可借鉴的经验^[1-5]。

1 系统的设计 1.1 探头的选择

监测系统主要是监测核电厂通过气载方式向环境释放的放射性气体所产生的γ辐射水平, 而核电厂在正常运行情况下释放的放射性气体的量是非常小的, 所产生的γ辐射水平被天然γ辐射水平的涨落所淹没。所以要监测到核电厂的排放对环境的影响, 其探测器的灵敏度要达到能监测到天然γ辐射水平涨落的能力, 甚至更高。目前世界各国辐射环境监测系统采用的探头主要以GM计数管和高压电离室为主, 也有部分使用半导体和NaI探头。几种探头中NaI探头最为先进, 但其价格最昂贵, 目前国内还无使用经验, 浙江站在新建的秦山核电站监视系统中准备在个别子站中同时使用NaI探头和高压电离室。其次是高压电离室, 它的优点是没有本底、所测的数据稳定、精度高, 缺点是仪器的反应较慢, 防潮性能差, 因此对仪器的制作要求很高, 价格较贵。GM计数管价格便宜、环境适应性强、反应快、而且其成套系统技术比较成熟, 但仪器有一定的本底, 且精度低、数据离散性大。

从探头性能考虑, GM计数管有其不能克服的问题, 高压电离室是不错的选择, 国内专家倾向于选择高气压电离室, 国外公司大部分在运用GM计数管的技术上比较成熟, 如果探头换成高气压电离室短期内很难实现。综合考虑各种因素, 我们选择了性价比较好的GE公司RSS-131高气压电离室作为γ辐射的探测器。其技术指标见表 1。

1.2 测量范围

田湾核电站位于连云港市高公岛乡柳河村管辖的田湾。厂址座落于后云台山南麓的扒山头地区, 东临黄海, 西与宿城山谷相邻, 南面是黄海滩地, 北靠后云台山。反应堆的地理坐标为119°27′33″E, 34°41′09″N。厂址西距连云港市区(新浦)直线距离约28km, 北与连云镇隔山相对, 直线距离约5.2km。根据设计原则和核电站周围环境实际情况, 综合考虑监测点的交通、电力供应、实体安全、居民集中程度等因素, 共设立了包括核电站厂前区、杨圩、高公岛、连云港镇、墟沟镇和新浦等6个监测哨。

为了验证核电厂的辐射监测系统的监测数据, 选择一些点作为与核电厂的共同监测点, 以监视监测数据的可靠性和可比性。核电厂正常运行产生的γ辐射水平和范围是有限的, 主要考虑应急情况。根据田湾核电站应急计划, 田湾核电站烟羽应急计划区以核电站反应堆为中心, 内区(紧急撤离区)半径5km, 场区(隐蔽区)半径7 km, 同时考虑到核电厂事故的突发性和不可预见性, 选择的方位基本是均匀的^[6-8]。

1.3 系统的可靠性

系统均用工业化标准要求生产的设备, 数据采集器采用工控机进行控制; 数据传输采用电信部门通过的数据专用网络光纤和移动通信公司提供的无线数据通信网络互为备份。数据采集器实时对探头、雨量及其它参数进行监控, 并对监测参数进行分析判断, 对异常数据给出报警信号, 提醒值班人员进行干预。为减少电力供应的波动和中断, 各监测点都安装了不间断电源, 其容量应在正常供电电源失效时能确保辐射监测仪表、雨量计和通讯装置的72h自持^[9]。

1.4 系统的可维护性和可扩充性

要达到可维护性主要通过系统的模块化和商品化来实现。本系统的主要组成部分均采用进口设备, 设备生产工艺成熟, 可保证产品的质量。模块化和商品化同样适用于软件方面, 更易于维护。扩充性即系统的可伸缩性。考虑到随着人们环保意识的增强及监测水平的提高, 有可能增加监测点位和监测项目。系统的易扩充性, 可为日后的建设节省大量资金。因此在设计时充分吸取已有的监测系统的经验教训, 结合适用性和其他各种性能, 充分考虑各个环节及实际需要进行方案的设计, 使用户接口及界面设计尽可能合理, 操作简便、适用。

1.5 系统的防雷

由于电子设备易受雷击, 而很多设备安装在室外, 因此更加容易遭受雷电攻击, 广东与浙江两站连续系统的运行也证明了这一点, 系统的大部分故障都是由雷击引起的, 所以必须采用严格的防雷措施。本系统从整体性、综合性方面采取防雷措施, 一切可能进雷电的线路都进行了屏蔽、分流。通过层层防护、多级泻能以达到防护目的。

1.6 气象观测

天然γ辐射水平的变化主要与气象的变化关系密切。当降雨时, 大气中的放射性灰尘被雨水携带至地面, 引起地表γ辐射水平升高, 同时地面的含水量、植被和风向等都会影响天然γ辐射水平的大小。与辐射监测同步进行气象观测, 其参数如风速、风向等都对判断核电厂的排放对环境的辐射影响特别是应急状态下都有帮助, 所以在有代表性的监测点增加了气象观测设施。

1.7 数据库及系统软件的建立

核电站运行周期长, 正常均为几十年时间, 而外围监测系统需在其运行前后进行长期的连续监测, 海量监测数据源源不断地被存入系统, 系统的数据承载量巨大, 因而一套完备的数据库系统是必不可少的。本系统采用微软WindowsServer系统平台和SQLServer数据库架构, 配合自行开发的系统软件, 可方便的对数据进行查询和分析。同时由于它通用性强、接口扩展性好等诸多优点, 在后期的升级改造中也可提供各种便利。

2 监测系统的组成 2.1 测量子系统 2.1.1 γ辐射探测器

RSS-131型号高气压电离室探测器由一个高气压电离室及直接安装在电离室上的静电计组成。高压电离室为直径25cm, 内充25个大气压高纯氩气的不锈钢球体。

2.1.2 巡测系统

巡测系统车载设备包括便携式γ谱仪、车载移动环境γ监测仪、卫星定位系统、数据采集传输系统、控制软件以及一些必要的现场采样装置构成。巡测的主要职责是进行γ辐射剂量率的巡测、气溶胶和碘-131的采样和测量、便携式谱仪就地γ谱巡测、α、β表面污染巡测、就地气象数据及其他资料的获取、数据采集和快速处理以及车辆定位、车外环境视频传输和通讯等^[6]。

2.1.3 气象观测仪

在核电站厂前区和新浦哨设置了雨量计, 在核电站厂前区设置了风向、风速、温度、湿度、气压气象参数观测仪。这样可以帮助评价γ辐射水平异常是气象变化所引起的还是核电站异常排放所引起的。

2.2 数据采集子系统

数据采集器采用通用的工控机结构, 集成数据采集RTU, 装置通用性强, 该系统中所有的自动监测仪器的监测数据都先传送到数据采集器中, 然后再转发到服务器。按照目前的数据存储量, 它可以存储多年的数据, 一旦系统出现故障不能将数据存入数据库, 我们可以远程通过数据追捕功能从数据采集器中进行自动和人工两种追补方式, 保证进入采集器的数据不会丢失。系统结构图见图 1。

3 监测系统功能

田湾核电站外围环境γ辐射连续监测系统的操作系统为图形化系统, 人机界面十分友好, 操作简单, 交互性好, 便于操作员使用。实时告警信息由告警信息窗口滚动提示, 事故信息可语音告警, 并弹出实时画面, 及时提醒操作员处理。

3.1 监测信息实时在线

外围在线监测实时监控可将自动监测哨点的信息实时在线显示, 监控页面见图 2。

该图反映了连云港地区6个监测哨和南京1个背景监测哨的监测情况, 图中每一个测点有多种操作, 可以调出剂量率曲线, 设备工况图, 历史曲线, 导航图, 相关日报等。图上数据实现实时更新, 确保获取最新的监测信息。

3.2 应急兼容

图 3为田湾核电站应急监测示意图, 在保留实时监测数据的基础上, 增加了核应急巡测路线和监督性监测方案中的若干测点。此图是根据卫星扫描的地图来绘制的, 精确度非常高, 通过GPS定位的测点能在图中准确地标示出, 并且可以根据需要无级缩放。另外, 系统在设计时留有若干接口, 可以引入和导出数据。通过路由器与省核应急办等应急成员单位相连, 相关的图形界面和数据通过光纤可以传到省核应急办的指挥大厅。

3.3 自动统计变化趋势

图 4为剂量率与雨量曲线的主界面, 可以把剂量率和雨量作成曲线, 便于直观的了解当天测量值的变化趋势。

3.4 自动生成报表

系统采用成熟软件EXCEL来制作报表, 由系统直接从数据库导出历史数据, 根据自己的需要生成不同格式的报表(包括日报, 月报, 季报, 年报等), 充分利用第三方软件的扩展功能, 特别是其强大的曲线生成能力, 可以制作各种复杂的曲线图。

3.5 运行情况自动告警

系统内整合了运行情况自动告警模块, 通过系统软件的设置, 对各种系统运行工况进行告警条件进行了设置, 并可以在系统客户端实时显示各告警信息, 另外通过内置的GSM移动短信发送模块, 可将已监测结果、监测哨硬件运行工况、网络传输系统工况实时发出, 当出现告警库内设置的告警情况时, 系统会自动发送短信给值班人员。例如, 当监测结果超出设置的正常范围时, 系统便会将相关信息发出, 工作人员可以及时了解问题并做出最及时的判断。告警模块的设置和使用, 无论是对事故预警还是在系统日常维护, 均能够带来巨大的帮助^[9]。

3.6 远程控制

系统集成了连续监测远程设备控制功能, 提供设备的就地显示和调试功能, 这样当远端监测哨点出现故障, 通过远程遥控可直接对哨点工程状况进行控制, 提高了设备的可操作性。

4 系统稳定性

监视系统运行以来的数据俘获率均在95%以上, 特别是在2007年系统完成升级改造后, 数据传输采用光纤和无线传输两种方式互为备份, 保障了监测数据的稳定性、完整性和及时性, 数据俘获率达到了99%以上, 在国内和国际上处于领先水平。

5 核电站装料运行后外围环境

田湾核电站运行以来周围的环境γ辐射剂量率年度趋势图如图 5所示。监测数据与本底调查结果相比, 在天然本底涨落范围内。核电站的运行未对核电站周围的环境γ辐射剂量率产生可察觉的影响。

6 讨论

田湾核电站外围环境γ辐射连续监测系统从开发至正式运行已多年, 2007年还进行了一次全面的系统升级改造, 使得系统在核电外围监测方面, 具有稳定性强、操作便捷、系统扩展性强等诸多优势。但是随着目前核应急监测技术、无线通讯技术和地理信息技术的迅速发展, 常规和应急监测工作经验的不断积累, 我们对比国内外的同类系统, 也发现了一些方面仍然值得我们进一步深入研究。

6.1 剂量率阈值报警设计

在正常天气下, 环境γ剂量率的变化涨落范围较小, 但是在降雨、降雪等情况下, 变化则较为明显。实际上一次大的降雨可以引起环境γ剂量率升高甚至一倍。这是由于大气中大量的氡子体被雨水冲刷到地面, 引起地面处的剂量率升高。因此在软件开发中设计了告警系统, 告警系统从功能上分为系统工况告警和环境放射性水平告警两部分。前者是针对系统运行维护而设计, 其设计原则是综合考虑各种工况故障情况和对影响后果进行预期评估, 根据不同原因采取对应维护策略和方案; 后者主要是通过合理的剂量率告警阈值的设定, 及时发现环境中放射性水平异常, 以便及早报告。其设计原则是以统计数据涨落范围为依据, 通过不同数据告警级别的设计, 保证告警的有效性和保守性设计原则兼顾。关于田湾核电站环境γ辐射连续监测告警系统设计详见文献[9]。

6.2 监测数据网络

由于核电监测的特殊性, 目前, 本系统各部分网络均采用专网进行连接, 并没有连通公共信息网, 向公众开发。对比国外的大部分私有化的核电公司, 其监测数据直接通过网络向公众开放, 公众可随时了解核电站应告知的各项参数和指标。本系统与其相比而言, 虽然系统本身预留了连接公网的接口, 但就目前情况, 在对公众的开放性方面有待进一步提高。

核电站外围环境γ辐射连续监测是一项复杂的任务, 并且其对监测的各个方面均具有高标准的要求, 田湾核电站外围环境γ辐射连续监测系统的建立有效地解决了田湾核电站外围辐射环境的监测问题, 处于同行业领先水平, 可为国内同类系统的建立提供值得参考和借鉴的经验。