AP1000辐射监测系统及其维护对策--何凡帆

AP1000辐射监测系统及其维护对策
摘要：辐射监测系统（RMS）是AP1000数字化仪控系统的组成部分，其控制方
式和结构与其它仪控系统一致。

本文比较了三门核电站AP1000辐射监测系统（RMS）与传统核电站辐射监测系统的区别，并介绍和分析了AP1000辐射监测
系统及仪表的特点，及其系统设备的维护对策。

关键词：AP1000 辐射监测系统 数字化 仪表维护 仪控设备数据库
Abstract：Radiation Monitoring System is an integral part of the digital I&C system of AP1000. The control mode and digital structure of RMS is the same as other I&C systems. This paper presents the difference between the AP1000 RMS and traditional RMS, analyses the characteristic of AP1000 RMS and instrumentation, and provides some strategy for RMS maintenance.
Key words：AP1000, Radiation Monitoring System, Digital, Instrumentation maintenance, Instrumentation equipment databank.
1.引言
西屋设计的AP1000先进非能动型压水堆采用的是Common-Q + Ovation全数字化仪控系统，其不论在功能、性能上都远强于常规仪控系统。

RMS系统是AP1000仪控系统的重要组成部分,主要用来判断工艺回路的运行是否正常，核电站各层屏障是否完整；并以ALARA原则为基准，通过自动启动隔离设备或其它系统，减少放射性事故产生的废液和废气造成的污染，防止工作人员受到高辐射照射和体表沾污，以及放射性向外界环境的泄漏，最终实现辐射防护和核电站安全最优化。

2.AP1000辐射监测系统概述
辐射监测系统（RMS）系统为核电厂提供排出流监测、工艺流监
测和气载监测，并对有需要的电站各区域的放射性环境进行连续显示。

RMS按功能分成两个子系统：工艺过程、气载放射性和排出流辐射监
测子系统；区域辐射监测子系统。

工艺和排出流监测子系统由以下三类辐射监测仪组成：
1）工艺流体监测仪用于测定核电厂工艺流体系统中放射性物质的浓度；主要对蒸汽发生器排污、设备冷却水、主蒸汽管道、厂用
水系统排污、一回路取样系统取样样品、主控室进风管道、安全
壳空气过滤排风、气体放射性废物排放、安全壳空气等处进行辐
射监测。

其中对主控室进风管道的辐射监测属于安全相关功能，
当放射性气体浓度高于预置阈值时，该监测仪为电厂控制系统提
供信号以启动补充空气过滤系统，当放射性微粒或者放射性碘浓
度超过预设值时，该监测仪为电厂保护和安全监测系统提供信号
以隔离主控室送风和排风管道，启用主控室应急可居留系统。

2）气载放射性监测仪用于测量通风系统中不同地点的放射性浓度，向运行人员提供电厂内通过空气传播的放射性物质的浓度。

主要
设备有燃料装卸区域排风辐射监测仪、辅助厂房排风辐射监测仪、
附属厂房排风辐射监测仪、保健物理室和热检修车间排风辐射监
测仪。

3）排出流辐射监测仪测量排放到环境中的放射性物质的浓度；主 要设备有电厂烟囱辐射监测仪、常规岛排风辐射监测仪、液体放
射性废物排放辐射监测仪、废水排放辐射监测仪。

区域监测子系统主要提供AP1000主控室、化学实验室、人员闸
门等固定区域内电厂工作人员接受辐射的信息。

安全壳高量程辐射监
测仪、一回路取样区域辐射监测仪等具有事故后的监测功能。

2.1AP1000辐射监测仪表
AP1000辐射监测仪按照监测对象分可以分为γ剂量率监测仪、中子剂量当量率仪、气体放射性（包括惰性气体、气溶胶和碘）水平监测仪、放射性废水监测仪。

根据其探测器工作原理又可分为电离室、
G-M计数管、正比计数管、闪烁体探测器和半导体。

表1 辐射监测仪表特点比较
类型 优点 缺点
电离室γ探测器 线性范围宽、能量响应好；工作稳定可
靠。

受湿温度影响大；对绝缘
材料及结构要求高，不宜
用于恶劣环境条件。

G‐M管γ探测器 灵敏度高；脉冲幅度大；不受外界电磁
场的干扰，而且对电源的稳定度要求不
高，使用方便、成本低廉。

温湿度效应
小，稳定性好，适合全天候连续监测系
统的运行。

能量响应差，
死时间长，漏计数大
不能用于高计数率场合。

正比计数管γ探测器 脉冲幅度较大，灵敏度较高。

脉冲幅度随工作电压变
化较大，且容易受外来电
磁干扰，因此，对电源的
稳定度要求也较高。

闪烁体 探测器 NaI闪烁体适合γ射线探测，可做成不同
大小的各种形状，探测效率有的高达
50%~60%，设法降低本底以后，可以进
行很弱γ放射性的测量。

β闪烁体对β粒子的探测具有较短的死
时间、较长的寿命和较好的稳定性，用
于低水平的测量有很大的优势。

机械强度差使用时要防
止剧烈震动和冲击，对温
度冲击很灵敏。

半导体探测器 空间分辨高和时间响应快
测量电离辐射的能量时，线性范围宽；
能量分辨率高。

随温度的漂移大，对辐射
损伤较灵敏，受强辐射后
性能变差，使用寿命短。

电离室、正比计数管、G-M计数管将核辐射转变成为电信号的物理过程都是在探测器内充的特定气体的特定体积中进行的，所以又称为气体探测器。

闪烁体探测器就是根据射线照射在某些闪烁体上能使它发出闪光的原理进行测量的一种探测器。

半导体探测器有两个电极，加有一定的偏压。

当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时，即产生电子-空穴对。

在两极加上电压后，电荷载流子就向两极作漂移运动，收集电极上会感应出电荷，从而在外电路形成信号脉冲。

闪烁计数器和半导体探测器是利用辐射与固体的相互作用来进行辐射测量的探测器，故也称为固体探测器。

这五类探测器都是把核辐射转变成为电信号，再由电信号处理设备进行分析和处理。

其特点见上表1。

图1 AP1000辐射监测仪表分步框图
根据这些辐射监测仪表及核电站各辐射监测点的特点，AP1000对于γ射线的监测一般选用NaI闪烁体，电离室、G‐M计数管，电离室主要用于事故后区域监测，G‐M计数管主要用于区域监测，NaI闪烁体主要用于工艺和流体排出物的γ监测。

对于β粒子、惰性气体，气溶胶的监测采用的是β闪烁体。

碘和N‐16监测采用的也是NaI闪烁体。

AP1000辐射监测仪表分布如图1、2所示（不包括沾污仪和个人剂量监测仪）：
图2 AP1000辐射监测仪表分类图
WEC在AP1000的辐射监测仪表选型中与国内其余的核电站主要区别如下：
1)对工艺过程监测和排出流辐射监测中的γ监测，AP1000采用了
NaI闪烁体探测器代替了电离室。

这是因为根据其它核电站电离室的运行经验，电离室具有抗干扰能力差、探测灵敏度低、故障率高等缺点。

而相比电离室而言，NaI闪烁体探测器受湿、温度影响小，环境适应性强，故障率低，探测效率高，可以进行很弱的放射性测量。

但国外厂家对NaI闪烁体探测器的技术占有绝对优势，NaI闪烁体价格相比电离室昂贵，业主运行和维护成本高。

2)对于β粒子的测量，AP1000的辐射仪表没有选用硅半导体探测器，
而是全部采用了β闪烁体。

这是因为硅半导体探测器的输出随温度的漂移大，对辐射损伤较灵敏，受强辐射后性能变差。

使用寿命短。

而β闪烁体对于β粒子的探测具有较短的死时间、较长的寿命和较好的稳定性，在低水平的测量上有很大优势。

3.AP1000辐射监测系统的数字化结构
3.0 传统的核电站辐射监测系统结构
传统的辐射监测系统对监测通道设备的控制是在辐射监测集中机柜上进行的。

来自辐射监测探测器的脉冲数据通过电缆送到RDU （远程显示单元），在远程显示单元上进行显示，报警处理，并送出高报、警告、失效等报警信号。

系统结构图详见图3，大亚湾、秦山二期的辐射监测系统均采用的是该结构。

其主要特点如下：
1）数据只传送至RDU，以硬接线方式向主控室传送数据，需要大量的电缆，并带来了大量的查线工作，对设备故障的诊断困难。

2）在正常运行期间，核电站工作人员的日常工作包括定期的正常抄表、巡检以及定期实验工作量大。

正常抄表通常是在远程显示单元处完成，巡检是在现场完成。

3）大量的定期实验包括源检、对探头的标定以及对每个通道到主控室信号的调试给工作人员带来了不便。

4）辐射监测数据只能在远程显示单元上读取，无法从主控室工程师站对监测设备进行参数修改。

贮糟或管道外
测量其活度监
测道控制室进风间γ剂量率监测道
低量程气体
活度监测道水池γ剂量
水活度监测道
房间内γ剂量监测道（位）远元
图3传统辐射监测系统结构图
3.1 AP1000辐射监测系统的数字化结构
AP1000辐射监测系统从结构上分为上层和下层两个层面，下层是由就地仪表测量通道和就地辐射监测处理器（LRP）组成；上层是由数据采集和工控机、数据库服务器及中央辐射处理器（CRP）组成。

辐射监测系统与电厂控制系统（PLS）、保护和安全监测系统（PMS）、数据显示和处理系统（DDS）均有通讯接口，AP1000 RMS数字化结构如图4所示：
每个辐射监测仪都有一个LRP，LRP是基于控制器的微处理器，也是辐射监测仪的数据处理和运行中心，控制辐射监测仪其他元件的运行。

LRP将探测器的计数转换为工程单位，提供就地显示，短期的数
据储存和报警（包括高报、低报、变化率和误操作），并通过以太网和光纤电缆与中央辐射处理器进行通讯。

RMS的冗余PC（即中央辐射处理器CRP）读取来自LRP的数据，并将数据发送到PLS。

CRP为所有的辐射测量服务，提供远程控制，数据分析工具和显示。

CRP从每台LRP获取辐射信息，向LRP发控制信号并为RMS提供诊断和维护功能，对从LRP上获取的辐射信息进行长期存储，将辐射信息量值和诊断信息发送到数据库服务器。

CRP还具备进一步处理和显示辐射及诊断信息的能力，能对来自LRP的信息进行处理，提供每分钟均值、每十分钟均值、小时均值和日均值。

CRP记录仪表的历史状态、活动日志和辐射仪表的参数数据库，经CRP软件编译后的数据通过双向通信线路送到数据库服务器，随后传送到厂级计算机。

运行人员可从厂级计算机工作站发出指令（如改变报警设定值、检查源驱动、自检测、泵启动/停止等），通过CRP传送到LRP上。

对于与安全相关的LRP，LRP将辐射测量的模拟信号（4-20mA）直接通过硬件传送给PMS，也可以通过独立隔离的网络将测量值和报警值传输给非安全相关的CRP，通讯方式为单向只读。

非安全相关的LRP则是直接通过CRP将信号传输给PLS。

对于控制信号的触发，RMS 首先将辐射监测数据提供给PLS和PMS，最终触发设备的信号由PMS 和PLS发出，所有的安全相关的信号由PMS发出，非安全相关的信号由PLS触发，RMS系统不直接触发相关设备。

三门核电有限公司工程师评审论文
图4 AP1000RMS数字化结构
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三门核电有限公司工程师评审论文
3.2AP1000数字化辐射监测系统特点
AP1000数字网络化辐射监测系统通过计算机网络将整个电站众多监测通道的各监测子系统按不同的功能有机地组合起来,既相互独立又相互联系，使整个电厂的辐射状态处于多层、有效监控之下，与传统核电站的辐射监测系统相比，具有以下特点：
(1)通过数字化网络，有效全面地采集全厂各类辐射相关的测量参数，
并将采集到的辐射监测参数送入操作终端的工艺系统流程画面，使辐射防护运行人员在辐射监控室就能有效直观的监测工艺系统运行的辐射状态及仪表工作状态，可及时发现故障仪表。

与传统的辐射监测系统结构相比，节省了大量的日常巡检的工作量。

(2)采用海量型、功能强大、安全稳定的数据库服务器，自动储存并
备份所有辐射测量的相关信息，这为数据记录的安全性和历史数据的在线查询提供强有力的保障。

对于个人剂量监测系统，在终端可以全面、有针对性的获取所需要的详细信息。

(3)所有探测器的信号处理单元布置在就地，通过一路总线可以将众
多RMS仪表的信号送入的数据采集系统。

与以前的模拟仪表相比，减少了大约70％电缆的使用量，且大大减少了维护工作量。

(4)高可靠性：RMS系统的仪表监测通道和数据采集系统，设计了相
互独立的供电系统，对于安全重要相关的辐射监测仪表和对应的数据采集系统采用安全、可靠、独立的供电序列供电，即使在事故情况下也能保证仪表和数据采集系统的正常工作，确保事故情况下对电厂辐射状况的监测。

对重要的监测点和上层网络系统也采用冗余设置，比如主控室送风管道辐射监测器就设置了A、B 通道，并由独立的1E级直流电与UPS系统供电。

RMS的计算机处理器还具有很强的自检功能和容错技术，从而大大提高系统监测的可靠性和系统运行的稳定性。

(5)引入了新的失效模式：数字化辐射监测系统具有功能强大、友好
的人机操作界面和便捷的“软手操”的操作方式，但对软件的依赖和开放式的网络接口给系统运行带来了计算机病毒安全、软件故障等新的问题和失效模式。

目前各种新型的计算机病毒的诞生，使计算机防毒工作也成了数字化辐射监测系统维护工作的重点。

4．AP1000辐射监测系统维护对策
AP1000辐射监测系统有其显著的优点，选用的也是最先进的设备，这也给系统的维护带来了便利也带了一些新的问题：比如对新型的辐射监测设备不熟悉其性能和维护方法，昂贵的进口设备带来了高昂的维护费用，系统的软件故障等。

针对AP1000辐射监测系统的特点，借鉴国内其他核电站辐射监测设备的维护方法和经验，宜采取如下维护对策：
1)建立设备数据库和可靠性维修体系：AP1000非能动的设计理念
及严重事故后72小时不需要操纵员干预的特点，决定了其选用
的部分辐射监测仪表（比如安全壳高量程事故后区域监测仪）
将不同于国内其它核电站的辐射监测设备，因此有必要做好
AP1000辐射监测设备运行故障和维修分析，建立AP1000辐射
监测设备数据库。

辐射监测设备数据库应包括设备功能位置、
制造商、供应商、规格、校验记录、设计参数、功能分级、故
障缺陷记录、各种检修记录、备件数目、验证周期等设备参数，
并且和全厂DCS连接监测记录设备运行状态下各种动态参数、
设备故障诊断信息、经验反馈等数据，以实现对设备缺陷或故
障、定期试验、预防性维护、纠缺性检修、检定以及备件状况
的动态式管理。

对同一类型设备，可根据仪表的结构和工艺流
程，定义其故障模式，并进行维修风险分析，列出故障影响因
素、影响重要度和敏感度，结合外部经验反馈做出设备的可靠
性评估结果和维修决策，从而决定设备是否维修，何时维修，
维修什么部分，是否需要采用其他设备进行替换，以及如何保
障维修效果来防止设备性能下降。

从根本上改变维修的思维定
式——从原来的“管理故障模式”向“管理故障影响和故障后
果”方向转变，针对AP1000辐射监测设备的特点建立可靠性
维修体系，从而提高AP1000辐射监测系统的可靠性和运行效
率，降低RMS的维修成本。

2)加强与国内厂商的合作、推进AP1000辐射监测设备国产化：
作为首台AP1000机组，其辐射监测仪表必将大量采用昂贵的
国外设备，其维护和维修成本较高，影响了AP1000运行及后
续建设的经济性。

而有时国外厂家的变更以及产品的更新换代
也可能出现部分设备的备品备件难以采购的问题。

国内的厂家
沟通方便，国产仪表成本较低，但故障率较高，对于气溶胶、
碘、以及事故后区域γ剂量率监测仪还无法供货，因此作为核
电站业主可以尝试积极推进国内外厂商合作或者合资设厂的方
法在保证产品质量的基础上降低成本，比如法国MGP公司或
者美国Canberra公司提供技术和专家支持，西安262厂消化生
产的模式，从而最终实现国外先进的设备技术国产化及业主经
济效益的最优化的双赢。

此种模式广核集团在核电站核级温度
测量元件的国产化上已有成功应用经验：在广核的积极推动下，法码通与川仪进行了1E级温度传感器的合作，在法码通的帮助
下，川仪现已成功研发出1E级铠装热电偶、热电阻，从而成功
实现了1E级温度传感器的国产化。

辐射监测仪表国产化后也有
利于将AP1000辐射监测设备的运行经验和对设备的研发需求
反馈给相关供货厂商，从而实现设备的升级。

3)加强对软件故障的防范和计算机的管理：AP1000的数字化辐射
监测设备在带来便利的同时也引入了新的问题——软件故障和
计算机病毒，软件故障在数字化辐射监测系统故障中所占的比
例一直较高，因此减少和避免软件故障应是调试中关注的重点。

避免软件故障最有效的方法就是在编程和调试时严格遵从
“IEEE／ANSI std 1012-1998 软件验证与确认计划（V&V）”的
标准，对软件组态过程进行严格监督，尽量将软件问题在调试
中解决。

对于计算机病毒的防范可以通过禁止U盘随便拷贝数
据、禁止系统计算机与外网的通讯，对计算机进行分级授权管
理等措施来预防，保证数字化网络及计算机的安全。

在系统维
护前对软件和数据库进行备份也是减少软件故障的有效措施。

4)选择适合AP1000的日常维护及维修模式：选择何种维修模式将
是AP1000辐射监测系统投入运行后首先面临的问题。

目前国内
核电站辐射监测设备的日常维护和大修可以分为三种基本的模
式，分别是自行维修模式、外委维修模式和供应商维修模式。

自行维修模式是指由电站自己建立的维修队伍实施维护维修；
外委维修模式是指将电站辐射设备的大修和日常维护完全委托
给外部的专业的维修公司；供应商维修模式是指将电站维护和
维修交给设备供应商。

在上述三种模式中，自行维修模式的安
全性高、可控性强，但应对需求变化的弹性较差，在维修需求
骤增时难以满足需求，维修需求骤降时又面临人员闲置；供应
商模式和外委维修模式适应需求变化的弹性较好，安全性和可
控性适中，但业主无法充分掌控维修过程，质量控制难度大。

考虑到辐射监测设备大修标定的资质认证问题，以及三门自行
维修队伍缺少经验的现状，建议AP1000辐射监测系统采用外委
维修模式和自行维修相结合的模式，日常维护由自己的维修队
伍来完成，大修时部分设备采用外委维修模式，这样即可得到专业的维修服务，精简自己的维修队伍，同时又能很好地掌握辐射监测设备的性能和维修方法，锻炼自己的维修队伍，为后续的机组辐射监测系统的调试和维护储备人才，从而实现AP1000辐射监测系统维修的最优化管理。

5．结语
AP1000辐射监测系统是新一代核电站数字化辐射监测系统的代表，实现了分散控制，集中管理，可靠性高，把数据采集和过程控制分解出来，由多台功能计算机来实施，独立工作，避免集中控制产生的风险。

AP1000辐射监测系统配备的也将是世界上最先进、可靠的辐射监测设备，通过科学、规范的规划和管理，将最大限度地提高电站辐射监测系统的运行效率，保护工作人员的辐射安全和三门核电站的运行安全。

参考文献
1. WEC. CPP‐JS07‐Z0‐001. Radiation Monitoring System.
2. WEC. CPP‐JS07‐Z0R‐001.Radiation Monitoring System Data Sheet Report.
3. 李冬馀等. 核电站辐射监测仪表故障程序化检修模式.辐射防护通讯第131期
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5. 于立英. 几个核仪器厂家辐射监测设备产品介绍. 全国第四届核反应堆用核仪
器学术会议.
作者简介：
何凡帆（1983- ），2004年7月毕业于哈尔滨工业大学测控技术与仪器专业，2004年7月于三门核电设计管理处仪控科工作至今。