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)濟運行影響極大，已成為一項國際性重要課題[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。在功率運行情況下，通過測量破損發(fā)生時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行中的重要監(jiān)督項目，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是：反應(yīng)時間慢，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，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)展趨勢是實現(xiàn)計算機化、網(wǎng)絡(luò)化，有就地和遠(yuǎn)程顯示單元，用彩色液晶實時顯示；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MGP公司產(chǎn)品相同。
2006年，為C2項目研制了氮-16輻射監(jiān)測儀，C2測量箱和處理單元機箱的電路在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)測計算機系統(tǒng)通訊。C2處理單元機箱結(jié)構(gòu)由C l的N I M機箱結(jié)構(gòu)改為壁掛式機箱，16N和γ處理組件合并在一個處理單元機箱中，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，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為測點處16N的γ輻射計數(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及從傳熱管泄漏點到主蒸汽管道
探測點之間的傳遞時間有關(guān)，用下式表示：
C=K1×K2×AV (2)
式中：AV為傳熱管單位泄漏時16N探測點處主蒸汽管道中的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從傳熱管泄漏點到主蒸汽管道探測點之間的傳遞時間(s)。
式(3)表明，AV不僅與反應(yīng)堆功率、蒸汽發(fā)生器運行工況有關(guān)，而且還與泄漏點位置有關(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)測點都確定的情況下，通過分析計算可得16N的傳遞時間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：
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。由一個安裝在主蒸汽管外面的v輻射探測裝置、一個安裝在探測裝置附近的測量箱和一個處理組件機箱所組成。處理組件機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)，可以按給定的報警閾值發(fā)出報警信號。測量結(jié)果可以通過RS485接口傳送到核電廠輻射監(jiān)測計算機系統(tǒng)，同時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個電子測量箱、1個處理組件機箱以及探測器與測量和處理組件機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。其中運用了241 A m穩(wěn)峰技術(shù)、溫度補償技術(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，儀表能發(fā)出報警信號。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)。
