氮-16輻射監(jiān)測儀是核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器泄漏監(jiān)測專業(yè)設(shè)備。蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，是連接反應(yīng)堆一、二回路的關(guān)鍵設(shè)備。蒸汽發(fā)生器傳熱管(U型管)由于腐蝕、微振磨損、耗蝕及疲勞破裂等原因而造成泄漏是壓水堆核電站的多發(fā)性事故，是造成容量因子損失的主要原因之一。蒸汽發(fā)生器的可靠性對核電站的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響極大，已成為一項(xiàng)國際性重要課題[1]。
氮一16輻射監(jiān)測儀屬于核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)中工藝輻射監(jiān)測子系統(tǒng)"1，用于測定壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器U型管破損所致一回路水向二回路側(cè)的泄漏率。在功率運(yùn)行情況下，通過測量破損發(fā)生時(shí)在二回路主蒸汽管道內(nèi)所出現(xiàn)的氮-16(16N)高能Y輻射，確定蒸汽發(fā)生器U型管的泄漏率；在熱停堆工況下，則可測量主蒸汽管道內(nèi)出現(xiàn)的氪(Kr)、氙(Xe)等惰性氣體或其他核素；靈敏度高，速度快，可有效防止核污染，保證核反應(yīng)堆安全運(yùn)行，被確定為壓水堆核電站開通必備的儀器。圖1是氮一16輻射監(jiān)測儀。
國內(nèi)外概況及發(fā)展趨勢：蒸汽發(fā)生器傳熱管(U型管)的破損監(jiān)測是壓水堆核電站運(yùn)行中的重要監(jiān)督項(xiàng)目，通常采用蒸汽發(fā)生器排污取樣法、主冷凝器和除氧器排氣監(jiān)測等方法。這些方法的共同缺點(diǎn)是：反應(yīng)時(shí)間慢，至少需要3～10 rain，且系統(tǒng)較復(fù)雜，需要取樣設(shè)備，樣品經(jīng)降溫降壓后，進(jìn)入監(jiān)測裝置；不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測等[1]。
為防止出現(xiàn)滿溢事故污染蒸汽輪機(jī)，避免發(fā)生嚴(yán)重污染，國際上目前采用監(jiān)測氮～16的方
法。其裝置簡單，靈敏度高，反應(yīng)速度快，測量時(shí)間短(約10 s)，可以連續(xù)監(jiān)測。法國EDF公司從1983年開始研制該儀器軟件及傳輸系數(shù)，1988年由法國M G P公司正式投產(chǎn)，已有數(shù)百臺氮一16輻射監(jiān)測儀投入運(yùn)行。我國秦山核電站一期工程和大亞灣核電站均采用該公司產(chǎn)品。迄今，我國境內(nèi)在役和正在建設(shè)的壓水堆核電站所安裝的氮-16輻射監(jiān)測系統(tǒng)基本是從法國進(jìn)口。
目前國外氮一16輻射監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化，有就地和遠(yuǎn)程顯示單元，用彩色液晶實(shí)時(shí)顯示；可以有多種配置和通訊方式，并已形成商品。
1994年1月至1996年6月，研制了氮一16輻射監(jiān)測儀(見圖1)，鑒定會認(rèn)為氮-16輻射監(jiān)測儀研制是成功的，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，處于國內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到了國際上同類產(chǎn)品水平。主要技術(shù)指標(biāo)與當(dāng)時(shí)MGP公司產(chǎn)品相同。
2006年，為C2項(xiàng)目研制了氮-16輻射監(jiān)測儀，C2測量箱和處理單元機(jī)箱的電路在C 1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大改進(jìn)。主要元器件采用了更新?lián)Q代產(chǎn)品；提高了模擬輸出精度；增加USB接口，與便攜式筆記本通訊；用便攜式筆記本和應(yīng)用軟件組成用戶終端，取代原袖珍終端功能。增加RS485接口與輻射監(jiān)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通訊。C2處理單元機(jī)箱結(jié)構(gòu)由C l的N I M機(jī)箱結(jié)構(gòu)改為壁掛式機(jī)箱，16N和γ處理組件合并在一個(gè)處理單元機(jī)箱中，體積縮小，取消了端子箱；增加了電磁兼容性資質(zhì)，符合IE C61000-6-2和IE C61000-6-3的標(biāo)準(zhǔn)要求。與MGP公司當(dāng)前產(chǎn)品相比，各有所長，技術(shù)性能和指標(biāo)見表l。
氮-16輻射監(jiān)測儀的研制成功填補(bǔ)了國內(nèi)空白。
工作原理
16N在反應(yīng)堆一回路內(nèi)產(chǎn)生，是由冷卻劑中的氧原子經(jīng)過160(n，p)16N反應(yīng)生成的，有極強(qiáng)的γ輻射，其半衰期為7．35 s，是一回路冷卻劑的主要放射源。當(dāng)U型管破損時(shí)，冷卻劑中的16N就會進(jìn)入主蒸汽管道。氮一16輻射監(jiān)測儀就是通過測定主蒸汽管道中16N的放射性活度，再經(jīng)過由計(jì)算方法預(yù)先確定的泄漏率傳輸系數(shù)的換算，求出蒸汽發(fā)生器傳熱管(U型管)冷端、熱端、彎管段或中段(平均)的泄漏率。
泄漏率與16N的γ計(jì)數(shù)率和傳輸系數(shù)的關(guān)系如下：
Q=n/c (1)
式中：
q為泄漏率（L／h）；
n為測點(diǎn)處16N的γ輻射計(jì)數(shù)率（S-1）
C為傳熱管的泄漏率傳輸系數(shù)(S-1×L-1×h)，或者(S-1×kg-1×h)。
傳輸系數(shù)C與探測器幾何因子k1、探測器效率因子k2及從傳熱管泄漏點(diǎn)到主蒸汽管道
探測點(diǎn)之間的傳遞時(shí)間有關(guān)，用下式表示：
C=K1×K2×AV (2)
式中：AV為傳熱管單位泄漏時(shí)16N探測點(diǎn)處主蒸汽管道中的16N的放射性活度，量綱為(Bq×m-3×kg-1× h)。AV與傳遞時(shí)間t的關(guān)系如下：
AV =(Ap／Q)(rv／rp)e-lt (3)
式中：
Ap為泄漏部位一回路側(cè)16N活度(Bq·m-3)，隨功率變化和泄漏點(diǎn)位置而改變；
Q為主蒸汽管道中的蒸汽流量(kg·h-1)；
rv為主蒸汽密度(kg·m-3)；
rp為冷卻劑平均密度(kg·m-3)；
l為16Nγ輻射衰變常數(shù)(s-1)；
t為16N從傳熱管泄漏點(diǎn)到主蒸汽管道探測點(diǎn)之間的傳遞時(shí)間(s)。
式(3)表明，AV不僅與反應(yīng)堆功率、蒸汽發(fā)生器運(yùn)行工況有關(guān)，而且還與泄漏點(diǎn)位置有關(guān)。
在反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主蒸汽管道的結(jié)構(gòu)尺寸、物理參數(shù)以及16N的γ輻射監(jiān)測點(diǎn)都確定的情況下，通過分析計(jì)算可得16N的傳遞時(shí)間t，探測器幾何因子k l、探測器效率因子K2再利用式(2)和(3)算得傳輸系數(shù)C。傳輸系數(shù)C是核功率的函數(shù)，與核功率成分段線性關(guān)系。事先把不同功率、不同泄漏位置的傳輸系數(shù)通過鍵盤送人氮一16輻射監(jiān)測儀，即可用式(1)求出相應(yīng)的泄漏率。
系統(tǒng)功能、組成及特點(diǎn)：
氮一16輻射監(jiān)測儀，通過測定主蒸汽管道中16N的放射性活度，再經(jīng)過由計(jì)算方法預(yù)先確定的泄漏率傳輸系數(shù)的換算，求出蒸汽發(fā)生器傳熱管(U型管)冷端、熱端、彎管段或中段(平均)的泄漏率。
本監(jiān)測儀為在線監(jiān)測儀。由一個(gè)安裝在主蒸汽管外面的v輻射探測裝置、一個(gè)安裝在探測裝置附近的測量箱和一個(gè)處理組件機(jī)箱所組成。處理組件機(jī)箱把探測器測得的輻射信號轉(zhuǎn)換成蒸汽發(fā)生器U型管破損的泄漏率，并給出泄漏率數(shù)據(jù)，可以按給定的報(bào)警閾值發(fā)出報(bào)警信號。測量結(jié)果可以通過RS485接口傳送到核電廠輻射監(jiān)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)提供模擬量輸出和開關(guān)量輸出信號。
氮-16輻射監(jiān)測儀的組成見圖2，包括：
(1)氮-16輻射監(jiān)測儀l套(每套應(yīng)包括l套探測裝置及其支架、1個(gè)電子測量箱、1個(gè)處理組件機(jī)箱以及探測器與測量和處理組件機(jī)箱之間連接用的配套電纜)，
(2)標(biāo)定工具l套(包括多道脈沖分析器以及標(biāo)定源238Pu+13C、137Cs和60Co等)；
(3)用戶終端l臺(含筆記本電腦l臺和用戶終端軟件)。
本儀器的核心是耐高溫N aI探測裝置和測量箱內(nèi)智能化256道或l 024道多道分析器，以及總γ通道與16N通道兩路單道分析器及相應(yīng)的處理組件。其中運(yùn)用了241 A m穩(wěn)峰技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)和功率校正技術(shù)等。
γ輻射探測器由NaI晶體和光電倍增管組成。晶體內(nèi)鑲?cè)?41 Am穩(wěn)峰源。探測裝置內(nèi)含溫度傳感器。由于探測器在主蒸汽管道外側(cè)，周圍環(huán)境溫度在30～55℃，所以前置放大器沒有在探測裝置中。前放和高壓均放在幾十米外的測量箱中。為防止事故工況可能出現(xiàn)的短時(shí)高溫(100℃，10min 150℃，5rain)和潮濕，探測裝置內(nèi)填充了大量的絕熱材料，并且完全密封。
測量箱內(nèi)包括：低壓和高壓電源；前置放大器；主放大器；以單片機(jī)為核心的智能化多道分析器(含峰檢測、采樣／保持電路、模數(shù)變換器、存儲器等)，兩路單道分析器；譯碼器；中斷控制器以及串行通訊等輸入輸出單元。16N和γ兩道數(shù)據(jù)分別通過串行接口傳送到相應(yīng)的處理組件上。處理組件的任務(wù)是把測量箱測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成蒸汽發(fā)生器U型管破損的泄漏率，并顯示。當(dāng)泄漏率超過預(yù)置值時(shí)，儀表能發(fā)出報(bào)警信號。處理組件對外可提供模擬量信號、開關(guān)量信號和串行通訊的數(shù)字信號。
氮-16輻射監(jiān)測儀屬于lE級設(shè)備，要求能長期穩(wěn)定可靠地工作。
(4)氮一16輻射監(jiān)測儀裝置簡單，系統(tǒng)功能齊全，反應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，是核電站蒸汽發(fā)生器的監(jiān)護(hù)神。雖然壓水堆核電站功率不同，蒸汽發(fā)生器不同，但可以根據(jù)各種反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主蒸汽管道的結(jié)構(gòu)尺寸、物理參數(shù)等計(jì)算出相應(yīng)的泄漏率傳輸系數(shù)，輸入到氮一16輻射監(jiān)測儀，同時(shí)可以選擇不同配置的氮～16輻射監(jiān)測儀組成監(jiān)測系統(tǒng)。