李刚 李尚科 陈英瑜 单强 杨中华
摘 要：安全壳是“核”与公众之间的最后一道安全屏障，其密封性至关重要，核电厂需要定期执行安全壳密封性试验。为提高核电厂安全壳泄漏检测的精度和效率，探索一种安全壳泄漏定位检测的新方法，即通过将氦气作为示踪剂按照一定比例充压到安全壳内，利用电厂辐射监测系统（KRT）在安全壳厂房周围的分布特点，检测出从安全壳内部泄漏出来的气体量分析判断泄漏区域，并通过现场试验验证该方法的可行性及氦气用量。实践证明，氦质谱检漏方法可用于核电厂安全壳检漏工作。
关键词：核电厂；安全壳；氦质谱；泄漏；检漏
中图分类号：TM621 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）05-0020-04
Abstract： Containment is the last safety barrier between the "nuclear" and the public， and its tightness is very important. Nuclear power plants need to carry out containment tightness tests regularly. In order to improve the accuracy and efficiency of containment leakage detection in nuclear power plant， a new method of containment leakage location detection is explored， that is， by filling helium as a tracer into the containment according to a certain proportion， and making use of the distribution characteristics of the power plant radiation monitoring system around the containment plant， the leakage area can be detected by analyzing the amount of gas leaking from inside the containment. The feasibility of the method and the amount of helium are verified by field tests. The practice shows that the helium mass spectrometry leak detection method can be used in the containment leak detection of nuclear power plants.
Keywords： nuclear power plant; containment; helium mass spectrometry; leakage; leak detection
安全壳是核电厂的第三道核安全屏障，除了具有一般建筑物的承载功能，还保护着一回路系统及设备免受台风、爆炸、外部飞射物等外来事故的影响。在一回路冷却剂失水事故（LOCA）工况下，安全壳结构承担着一回路流体外泄后产生的内部荷载，起到阻止核泄漏事故时放射性物质外漏和保护公共安全的作用[1]。
安全壳结构设计保守，安全系数较大。一般而言，安全壳结构破坏的情况很少出现，截至目前，国内各核电基地均未发生过类似事件。但安全壳整体密封性试验的标准极高，以中国改进型三环路压水堆（CPR1000）为例，泄漏率不得超过16 Nm3/h，相当于安全壳完整性边界开口2 mm孔径时已超过标准要求（参考运营试验的经验值）。同时，考虑到工程建设和运营投产阶段的施工过程、在役维护、老化管理和偶然事件等不确定因素，随着机组数量和使用年限的不断提升，安全壳结构的完整性破坏事件将大概率发生。根据外部反馈的信息，安全壳结构完整性异常事件已出现过多起。一旦涉及安全壳复杂区域或敏感结构，漏点查找、技术评价、结构维修和评估决策等一系列流程十分复杂，导致运行机组长时间停堆检修。
1 氦质谱检漏原理
氦质谱检漏仪先在质谱室中将采集的被测气体电离，再利用电磁场将不同荷质比的离子加以分离检测，从中检测出事先安排的示踪氦离子，其主要由三大组件构成：真空系统、质谱室和电子学控制单元。检漏仪内部配有一台旋片式真空泵，用以维持仪器内部的高真空。质谱室是检漏仪的核心部分，它包括离子源、聚焦、质量分析器和测量部分。质谱室入口连接在涡轮分子泵的前级真空部分，分子泵对不同的气体具有不同的压缩比特性，氦气的压缩比很小，可以逆着分子泵的抽气方向流动进入质谱室。在质谱室中氦气被电离，氦离子通过质量分析器的筛选到达收集极，产生一个正比于离子数量的电流信号，该信号经过放大和处理即为泄漏率[2]。
2 核电厂安全壳特点
从安全壳的几何结构来看，就像一个特大承压容器。以CPR1000堆型为例，如图1所示，从筏基底部表面至顶面总高度为69.83 m，外径为38.80 m，筒体壁厚为0.90 m，穹顶壁厚为0.80 m，筏基厚度为5.50 m，其内部除建筑结构和设备外的自由空间为49 400 m3 [3]。
目前，安全壳整体完整性检测技术较为全面，涵盖了安全壳泄漏率测量、结构特性评价、表面缺陷检测等技术领域，但对于安全壳局部漏点的定位，方法比较初级，措施也比较有限。随着科学技术的发展，超声波、声发射、红外、卤素检漏和氦质谱检漏等方法广泛应用于泄漏探测定位[4]。各种探测方法适用于不同种类＼不同尺寸＼不同漏率的应用场景，其中，氦质谱检漏方法是一种可应用于普通设备、容器的常见检测方法，其响应快速、灵敏性高、性能稳定，但对于结构尺寸巨大的安全壳，没有可直接应用的方案，需进行深入具体的可行性分析和方案设计。
3 安全壳氦质谱检漏方案
一般来讲，根据失效概率和经验，安全壳泄漏的最大可能是由于贯穿件隔离阀或相关管线密封性失效引起的。为查找具体泄漏位置，可向安全壳内充入一定浓度的氦气，如果某个贯穿件隔离阀失效，则氦气会通过此处泄漏到安全壳外侧的相邻厂房，通过检测这些厂房的通风系统是否有氦气，就可判断出哪个贯穿件可能出现了泄漏。具体方案如下：将示踪气体氦气注入安全壳内，利用电厂辐射监测系统（KRT）的多区域放射性监测取样管线，用氦质谱仪探测不同区域的氦气浓度，从而推断出安全壳泄漏区域，缩小检漏范围，如图2所示。然后再用便携式氦质谱仪或超声波检漏仪进一步确认泄漏位置，探测路径如图3所示[5]。
4 氦质谱检漏方案可行性分析
为验证安全壳氦质谱检漏方案的可行性，在某核电厂开展了验证试验，即直接在安全壳外侧的贯穿件隔离阀所在的房间投放一定量的氦气，通过通风系统的传导、混合、稀释，在下游DVW风机处用氦质谱检漏仪检测氦峰值和反应时间，并计算出氦气在空气中的体积占比，流程图如图4所示。下文详细介绍验证试验的具体方案和过程。
4.1 试验方案
选定2个典型房间（1号房间和2号房间）对其长、宽、高进行测量，计算出房间体积Vroom，再测量该房间的排风量Qroom，投放氦气时使用不同储气袋容积VHe进行投放，并根据投放速度分为快速投放和慢速投放。
若采用快速投放，房间中短时间加入一定体积的氦气，则房间空气中的氦气体积占比为
由于DVW系统涉及到所有连接厂房（WX）的排风，总风量为QDVW，该房间排风汇入到DVW总管后，氦气浓度会进一步稀释，因此，在总管下游DVW风机处空气中的氦气体积占比为
若采用慢速投放，氦气在被投放到房间的同时，已有部分氦气混入到排风气流中，则该房间排风管道内氦气的体积占比为
式中：t为投放时间。
则下游DVW风机处空气中的氦气体积占比为
4.2 试验数据
1）1号房间的测量面积S1为13.75 m2，高度H1为3.395 m，体积V1约为46.7 m3；排风口风量为451 m3/h；从DVW风机下游的取样口引出取样管线，氦质谱检漏仪放置在DVW风机房间外的走廊，检漏人员与投氦人员可实时通讯联络。
投氦人员在1号房间靠近吸风口处先后使用5、10 L气袋进行3次初步测试，测试结果见表1。由表1可看出，DVW风机下游可检测到氦气。
投氦人员在靠近房间门的地面（离吸风口最远距离）采取快速和慢速的投放方式，分别投放5、2.5、1.25 L气袋进行5次正式测试，测试结果见表2。
2）2号房间的测量面积S2为26.4 m2，高度H2为7.73 m，体积V2约为204.1 m3。房间共设有2个排风口，测量排风口风量分别为160、390 m3/h。
投氦人员在2号房间靠近吸风口处使用5 L气袋进行初步测试，测试结果见表3。由表3可看出，DVW风机下游可检测到氦气。
投氦人员在靠近房间门的地面（离吸风口最远距离）投放氦气，分别进行了快速和慢速投放，结果见表4。
4.3 数据分析
4.3.1 氦气体积占比计算
根据式（2），1号房间快速投放5、2.5、1.25 L氦气，可计算得出C值分别为4.0×10-6、2.0×10-6、1.0×10-6；2号房间快速投放1.25 L氦气，可计算得出C=×=2.8×10-7。
4.3.2 数据分析结论
试验数据表明，若采用快速投放，氦气体积占比会受到氦气投放量和房间空间体积的影响较大；若采用慢速投放，氦气体积占比会受到氦气投放量和投放时长的影响。安全壳泄漏是一个持续过程，与慢速投放过程更为接近，因此，查漏方案中的氦气体积占比应采用慢速投放公式进行计算更合理。
4.3.3 RX厂房投放氦气计算
向RX注入一定体积VHe的氦气进行查漏，RX厂房氦气的体积占比为
假定RX厂房内的氦气是均匀分布的，如果RX厂房泄漏率为QL，则从RX厂房泄漏出去的气体含有CRX比例的氦气，泄漏气体中的氦气泄漏率QHe为
结合式（4）—式（6），可得
以1号房间慢速投放得到的C计算
投入不同体积的氦气，最终在DVW系统中的氦气体积占比也会不同，只要保证氦气浓度能满足氦质谱检漏仪的最小可检漏率，就可实施安全壳氦气查漏方案。
5 结论
通过初步验证试验的结果可知，氦质谱检漏方法具备在贯穿件隔离阀密封性失效造成安全壳泄漏的场景下查找漏点的可行性，该方法灵敏度高，响应时间短，查漏效率高，检漏方案中利用KRT036MA的切换，可判断出安全壳泄漏区域，进一步通过使用便携式氦质谱仪或超声波检漏仪可确认具体泄漏位置。
参考文献：
[1] 苏林森，杨辉玉，王复生，等.900 MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2007：207-209.
[2] 张皓纯.氦质谱检漏技术在火电厂中的应用[J].能源技术，2004，25（6）：257-260.
[3] 贾武同.安全壳打压试验中高气压环境安全分析[J].大亚湾核电，2015（1）：53-56.
[4] 吴孝俭，闫荣鑫，肖祥正，等.泄漏检测[M].北京：机械工业出版社，2009：10.
[5] 大亚湾核电运营管理有限责任公司.安全壳密封性超技术规范的查漏导则：CTPLXEPP083[Z].2018：7-9.
