韩玉龙 赵正杰 李志浩
DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-7267
摘 要：核电产业是一个与国家安全息息相关、具有较强外部性和公益性的特殊产业，因而不同于一般的竞争性产业。为确保核与辐射环境安全，为核事业的安全、健康发展保驾护航，开展电离辐射环境监测是核事业发展和辐射环境保护的重要环节。石岛湾核电厂址辐射环境现场监督性监测系统（以下简称“监督性监测系统”）能实时在线连续监测核电厂周围辐射环境水平，半定量分析γ核素，辐射监测能力满足“国核安函[2014]49号”、《辐射环境检测技术》（HJ/T61-2001）的需求。该文对监督性监测系统中的外围辐射环境监测系统进行简单介绍。
关键词：电离辐射 辐射环境保护 石岛湾核电厂 辐射监测
中图分类号：X837 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（b）-0032-04
Introduction of External Radiation Environment Monitoring System of Huaneng Shandong Shidaowan Nuclear Power Plant
HAN Yulong ZHAO Zhengjie LI Zhihao
（Shandong Nuclear and Radiation Safety Monitoring Center， Jinan， Shandong Province， 250022 China）
Abstract： Nuclear power industry is a special industry closely related to national security， with strong externality and public welfare， so it is different from the general competitive industry. In order to ensure the safety of nuclear and radiation environment and to protect the safe and healthy development of nuclear industry， it is an important link to carry out ionizing radiation environmental monitoring for the development of nuclear industry and radiation environmental protection. The on-site supervisory monitoring system for radiation environment of Shidaowan Nuclear Power Plant site （hereinafter referred to as "supervisory monitoring system"） can continuously monitor the radiation environment level around the nuclear power plant in real time and online， and semi quantitatively analyze the gamma nuclides. The radiation monitoring ability meets the requirements of "National Nuclear Safety letter [2014] No. 49" and radiation environment detection technology （HJ/t61-2001）. This paper briefly introduces the peripheral radiation environment monitoring system in the supervisory monitoring system.
Key Words： Ionizing radiation; Radiation environmental protection; Shidaowan Nuclear Power Plant; Radiation monitoring
核能和核技术的应用日益广泛，核电不仅可以满足不断增长的电力需求，而且是改变中国能源结构、减少二氧化碳和二氧化硫排放的有效手段之一。然而任何技术的应用都是一把双刃剑，其在给人类带来好处的同时也会产生不利影响，核能和核技术的开发利用也不例外。电离辐射有其特殊性，看不见，摸不着，人体的感官无法感知，必须依靠专用的仪器设备，因此核电厂辐射环境现场监督性监测系统的建设是必不可少的环节。
外圍辐射环境监测系统是石岛湾核电监测系统的重要组成部分，由分布在石岛湾核电厂周围9个方向的12个监测子站构成（站点MS1～M12，分别为场区边界监测站、东钱家监测站、马兰耩监测站、宁津街道办监测站、东墩监测站、吕家庄监测站、核电厂施工生活区监测站、楮岛村监测站、东山街道办监测站、林家流监测站、耩后杨家监测站、前沿站监测站），用于辐射环境24 h连续自动监测。监测子站采用一体化站房形式，分布在核电厂周围20 km范围内的12个站点上，每个站点根据需要配置有连续辐射监测设备、采样设备、气象参数测量设备和基础设施等，并充分考虑当地环境条件，以实现连续实时地监督核电厂周围环境中的辐射水平和变化趋势的功能。
1 在线检测设备
在站点MS1～MS12上设置12套连续辐射监测设备，每套连续辐射监测设备包括1台γ剂量率仪和1台γ能谱仪，用于对空气中γ辐射水平进行连续实时监测，同时具备联网功能，能将实时测量数据、报警信号等通过监测子站主机传输至前沿站的监督性监测网[1-3]。
1.1 高气压电离室
高气压电离室是环境X-γ辐射监测中应用最广泛的仪器之一，球形高气压电离室，内充高压纯氩气，具有自身本底低、灵敏度高、长期稳定性好，几乎无角回应并具有较好的能响特性，特别是对γ射线和宇宙射线电离成分剂量回应接近，这对于天然环境辐射场中测量γ剂量率十分重要[4]。
石岛湾前沿站选用是GE公司生产的RS-S131-200-ER0000型号高气压电离室，具有更广的测量范围：0～100 R/hr（0～1 Sv/hr），可调节的数据平滑过滤功能;较好的能量回应：60 keV～3 MeV（相对137Cs回应之差<±30%）;具有快速的回应时间，极高的温度稳定性，高精确度（零点漂移：±0.5 μR/hr;增益漂移：±3%<35 μR/hr，±0.5%> 35 μR/hr）;良好的环境适应能力，探测器工作温度为-40 ℃～50 ℃，相对湿度为0～100%。
1.2 碘化钠谱仪
闪烁探测器是利用闪烁体原子分子激发后退激时会发出荧光的原理，将光信号变为电脉冲来实现探测辐射粒子的目的。碘化钠谱仪闪烁探测器具有探测效率高和灵敏体积大等优点，其能量分辨率虽然不如半导体探测器好，但对环境的适应性较强[5-6]。其不仅支持人工辐射的快速探测，而且可以对原子同位素进行确认。其主要被用来进行户外检测，可以在没有维护的情况下连续使用。
石岛湾前沿站选用的是SARAγ谱仪系统，该系统主要用于实时连续进行γ谱采集，能识别环境中的天然和人工放射性核素。灵敏度高，即使在小规模的核事故污染中，也能识别事故类型，具有早期报警功能。探测器尺寸：3''×3''NaI（TI）探测器;能量范围：30 kev～3 Mev;探测范围：1 nsv/h～80 μsv/h;能量分辨率：≤6.9%（137Cs，662 keV）;多道分析器：2 048道;工作温度：-20 ℃～+60 ℃。
2 主要采样设备
在站点MS1、MS2、MS6和MS7上设置4套采样设备，每套设备包括气溶胶取样装置、碘取样装置、氚取样装置、碳-14取样装置以及干湿沉降自动采集装置各一套，用于对核电厂外围辐射环境中的气溶胶、碘、氚、碳-14、沉降灰等环境样品进行累积采样，样品被送往前沿站的环境实验室进行测量分析。在4台气溶胶取样装置中，1台为超大流量气溶胶取样装置，布置于MS1;其余3台为大流量气溶胶取样装置，分别布置于MS2、MS6和MS7。气溶胶采样器和碘采样器具备联网功能，可以将通过监测子站主机接收来自前沿站监督性监测网的远程控制指令，可以实现对就地设备的远程启停控制和定时采样设置等功能。
2.1 气溶胶采样器
气溶胶由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。气溶胶取样目的，是為了监测空气受污染的程度，或评估地表污染的再悬浮程度。
气溶胶采集器，一般由滤膜夹具、流量调节、显示装置和抽气泵3个部分组成。取样高度通常在距地面约1.5 m处，取样系统的进气口和出气口之间有足够大的距离，以防止形成部分自循环。取样地点应避免选择在公路旁或高大建筑物附近，以防止微气象状况异常，以及人为因素的影响。气溶胶采样器能够显示瞬时流量、采样累积体积、采样累积时间，断电后数据不清空。站点MS2、MS6、MS7使用的是大流量气溶胶采样器，型号：HH02-LS120;过滤效率为99.999%;取样流量：60～120 m3/h;滤纸尺寸：27×21，有效采样面积≥500 cm2。站点MS1使用的是超大流量气溶胶采样器，型号：HH02-SS2000;滤效率：99.999%;取样流量：600～900 m3/h;滤纸尺寸57×37;有效采样面积≥2 100 cm2。
2.2 碘采样器
碘-131是β-衰变核素，发射β-射线（99%）和γ射线（1%），β射线最大能量为0.606 5 MeV，主要γ射线能量为0.364 MeV。半衰期为8.02 d。碘-131属高毒性核素，紧要器官是甲状腺，对人体的有效半减期为7.6 d，在人体内的最大容许积存量为1.8×106 Bq。
由于除了气溶胶形态的放射性碘外，还存在普通粒子滤纸不易收集的碘形态存在。为了有效收集碘，必须采用特殊的过滤芯。通过这种滤芯的流速一般要低于正常气溶胶的取样流速。采用活性炭（TEDA）收集碘和惰性气体，利用高纯锗γ谱仪很容易区分不同核素。TEDA碘盒元素碘的过滤效率≥99%;甲基碘的过滤效率≥95% （35 ℃，相对湿度>70%）;取样流量：30～130 L/min。能够显示瞬时流量、采样累积体积、采样累积时间，断电后数据不清空。
2.3 大气全氚采样仪
氚又被称为重氢，是低能纯β-衰变核素，β-射线的最大能量为0.018 61 MeV，半衰期为12.323年，比活度为1.077×1015 Bq/mol。氚属低毒性核素，对人体的有效半减期为12 d，在人体内的最大容许积存量为7.4×107 Bq。大气环境中氚的存在形态主要是HT0（包括T2O）、HT（包括T2）和CH3T。
HR-TSO1大气全氚采样仪配备自定义运行模式和自动运行模式，可通过触摸屏设置采样参数和开关设备，并进行控制和显示管理。采样时大气经过过滤器除去大气中的尘粒和气溶胶后，由气泵质量流量计控制依次经过高温催化氧化反应器和半导体冷阱。高温催化氧化反应器在工作时温度高达400 ℃，内装填有贵金属催化剂，使大气中的可氧化气态氚被氧化成水;半导体冷阱使用自循环水冷却，使其在高温天气仍能保持低温工作，保证对空气中水分有效的冷冻收集。取样流量：10～60 L/h;半导体冷阱工作温度最低可达-30 ℃;催化床工作温度：400 ℃;HTO的捕集效率：≥95%。
2.4 碳-14采样器
碳-14是低能纯β-衰变核素，β-射线的最大能量为0.155 MeV，半衰期为5 730年。碳-14属低毒性核素，对人体的有效半减期为10 d，在人体中的最大容许积存量为1.48×107 Bq。空气中的碳-14可以以多种化学形态存在，其中最重要一种为14CO2。
SEDC公司生产的HAGUE 7000碳-14采样器可以同时收集空气中的气态碳和水态聚合物碳，该采样器使用4个开口密封的收集瓶加冷凝系统可以实现长时间（最长1个月）的有效连续收集，碳-14采样器所采集的气体以CO2为主，CO2可以直接通入含有 NaOH（浓度为1 mol/L）溶液的采样瓶进行采集。空气中还有多种碳的化合物，比如CH4和CO，这些气体不能直接采集，所以经过第一阶段的收集后，这些不能被吸收的气体要被催化氧化生成CO2气体，再通入采样瓶中收集。同时收集瓶相对密封，可以有效防止样品的蒸发，造成样品的污染。取样流量10～60 L/h;捕获效率大气中14C：≥85%;甲烷中14C：≥90%;重复性：±0.8%;流量精度好于±1%;配置了冷却装置和催化单元，能够显示瞬时流量、采样累积体积、采样累积时间，断电后数据不会被清空。
2.5 干湿沉降采样器
大气颗粒物通过干沉降和湿沉降两个过程移出大气。干沉降是指颗粒物通过重力下落、扩散传输或两者的共同作用，沉积于土壤、岩石、植被和水面等地表面移出大气，也可以通过与表面碰撞或被突出物拦截而移出。湿沉降是指颗粒物参与云滴的形成，并发展为降水的过程中，被降水收集、冲刷而随降水下落至地表的过程。沉降取样的目的，是估计环境放射性的沉降量和评价沉降放射性的长期累积倾向。这种方法的优点是取样方法简单，容易操作。
HR02-DWS560型干湿沉降采集器适用于长时间采集大气中辐射干湿性沉降物品，防尘盖根据晴天、雨天的天气状况，选择性地盖在湿桶或干桶上。防尘盖采用四连杆传动机构，依靠感雨器传感器探测是否有降水（雨），接到降雨信息后上下和平移运动，在雨雪天开启湿桶上的防尘盖，关闭干桶，采集湿沉降;晴天则开启干桶盖上的防尘盖，关闭湿桶，采集干沉降。由于防尘盖能够准确平稳地盖在采集桶上，保证采集桶具有良好的密封性，从而确保样品的真实性。干沉降样品桶水位总高度超过40 cm，配备两个25 L湿沉降收集容器和一个10 L干沉降收集容器。
3 辅助类设备
在站点MS1-MS11上设置11套基本气象参数测量设备，每套包括1台量雨计、1个感雨器、1套风速方向传感器、1台温湿度传感器、1台气压传感器，用于对核电厂周围区域的基本气象参数进行连续观测。在站点MS12上设置一个标准气象观测场，该标准气象观测场内配置一套标准的气象观测设备，用于连续实时地采集前沿站附近区域的雨量、感雨、風速风向、温湿度、气压、总辐射、净辐射以及地表温度等气象参数，见表1。
4 数据汇总与传输
数据汇总中心位于前沿站实验室的汇总处理传输室，其中设置一套监督性监测网。监督性监测网是一个局域网，用于监控和汇集各监测子站的环境、气象监测数据及流出物在线监测数据，并对这些数据进行集中管理、存储、显示、报警和传送。
监督性监测网与省级数据汇总点的指定端口间建立专用虚拟网络数据传输通道，通过该通道可将监测数据传输至省级数据汇总中心，再由省级汇总中心通过已经建成的国控网系统，将监测数据传输至国家级数据汇总中心。监督性监测网数据传输协议满足《辐射环境自动监测系统数据传输协议规范》（国环辐[201416]号）的要求。
5 结语
核电站外围环境辐射监测是一项复杂的任务，石岛湾前沿站按照“借鉴经验、提前介入、全程参与、确保质量”的工作原则，自石岛湾前沿站规划开始，就参与了前沿站设计方案审查，以及选址、建设、设备采购、安装调试的全过程，先后多次派人到核电厂相关部门进行沟通协调，共同研究解决前沿站建设、设备安装调试过程中的矛盾和问题。2020年12月11日，石岛湾前沿站通过了生态环境部华东核与辐射安全监督站组织的预验收，是国内第一个在核电厂投料运行前完成预验收的前沿站，为核电厂投料发电安全生产提供了保障;系统自2021年1月以来空气吸收剂量率（5 min）数据捕获率持续保持在99.9%以上，在同类前沿站中处于领先水平，可为国内同类系统的建设提供值得参考和借鉴的经验。
参考文献
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