□侯 健 李曉賢

一、核電的發(fā)展

為了應(yīng)對(duì)全球變暖，我國政府提出：力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，在國家的“雙碳”目標(biāo)下，核能作為清潔能源的重要的組成部分，面臨重大的歷史發(fā)展機(jī)遇，據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)核電廠總數(shù)將達(dá)到1,000座，裝機(jī)容量將達(dá)到8億千瓦，根據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國核能年度發(fā)展與展望(2020)》中的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，到2025年，我國正在運(yùn)行的核電裝機(jī)容量將達(dá)到7,000萬千瓦，現(xiàn)有的核電廠有：秦山、大亞灣、福清、方家山、田灣、昌江、防城港等，在建有：福清5、6號(hào)機(jī)組，徐大堡、石島灣等，裝機(jī)容量3,000萬千瓦，到2035年，在運(yùn)和在建核電裝機(jī)容量合計(jì)將達(dá)到2億千瓦，由此可見，在今后一段時(shí)期內(nèi)，預(yù)計(jì)核電建設(shè)有望按照每年6至8臺(tái)機(jī)組穩(wěn)步推進(jìn)。

二、核電廠輻射和火災(zāi)探測(cè)報(bào)警的重要性

安全是核電廠的生命線，核電廠內(nèi)部環(huán)境具有其獨(dú)特性，核電廠內(nèi)的核反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)會(huì)輻射出的一些α、β、γ等放射性射線，放射性射線發(fā)生泄漏時(shí)極有可能導(dǎo)致核事故，根據(jù)國家核安全局法規(guī)，為保證核電廠在運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故安全運(yùn)行，需要配備一定的探測(cè)報(bào)警設(shè)備，如需要在人員出入涉核區(qū)域及其周圍環(huán)境等設(shè)置輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來保障反應(yīng)堆安全的運(yùn)行，并為在此區(qū)域工作的人員進(jìn)行輻射防護(hù)和周圍環(huán)境的保護(hù)提供數(shù)據(jù)信息依據(jù)。隨著近年來核電廠的快速發(fā)展，作為核安全文化重要組成部分的消防安全日趨重要，火災(zāi)對(duì)于核電廠安全來說具有特殊性，其具有不確定性的破壞力，火災(zāi)與核事故在嚴(yán)重事故條件下可以相互派生或轉(zhuǎn)化，火災(zāi)探測(cè)器作為核電廠火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)重要組成部分，發(fā)揮著越來越重要的作用，核電廠核島內(nèi)的火災(zāi)探測(cè)器監(jiān)測(cè)著環(huán)境中火災(zāi)發(fā)生時(shí)的特征參量(煙霧、高溫、火焰等)的變化，對(duì)火災(zāi)的探測(cè)和控制起著決定性作用。因此，非常有必要對(duì)核電廠的火災(zāi)和放射性射線的泄漏同時(shí)進(jìn)行探測(cè)。

因核島內(nèi)電氣廠房和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)廠房等需要進(jìn)行火災(zāi)隱患的監(jiān)測(cè)，同時(shí)需要對(duì)空氣中的輻射劑量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，通常采用獨(dú)立的火災(zāi)探測(cè)器和輻射探測(cè)器分別對(duì)核電廠的火災(zāi)和放射性射線進(jìn)行探測(cè)，需要在核電廠內(nèi)分別安裝火災(zāi)探測(cè)器和輻射探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)核電廠的火災(zāi)和放射性射線進(jìn)行探測(cè)，現(xiàn)有的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器使用過程中功能單一，只能夠依據(jù)火光以及煙霧對(duì)火災(zāi)進(jìn)行檢測(cè)，而無法對(duì)γ射線輻射進(jìn)行檢測(cè)，報(bào)警器的示警方式單一，效果較差，應(yīng)用范圍較小，安裝過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力；且由于火災(zāi)探測(cè)器安裝在高輻射的核電廠內(nèi)，核電廠內(nèi)的γ射線和中子都是具有很強(qiáng)穿透性的高能粒子，容易造成火災(zāi)探測(cè)器損壞，嚴(yán)重影響核電廠內(nèi)火災(zāi)探測(cè)器的正常使用，使用效果差。

三、一種用于核電廠的輻射和火災(zāi)探測(cè)報(bào)警設(shè)備

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本文提出了一種用于核電廠的輻射和火災(zāi)探測(cè)報(bào)警設(shè)備，包括安裝座和設(shè)置在安裝座上且與安裝座可拆卸連接的鉛屏蔽箱，以及均設(shè)置在鉛屏蔽箱上的火災(zāi)探測(cè)模塊、輻射探測(cè)模塊和報(bào)警模塊；鉛屏蔽箱內(nèi)設(shè)置有電子線路板，電子線路板上集成有微控制器和與微控制器相接的通信模塊；火災(zāi)探測(cè)模塊包括設(shè)置在鉛屏蔽箱內(nèi)的傳感器組和吸氣泵，吸氣泵由微控制器進(jìn)行控制，用于將核電廠內(nèi)的氣體吸至鉛屏蔽箱內(nèi)；輻射探測(cè)模塊包括設(shè)置在鉛屏蔽箱底部的溴化鑭晶體和光電倍增管，以及集成在電子線路板上且依次連接的前置放大電路、符合數(shù)字多通道模塊、能譜處理模塊，光電倍增管的輸出端與前置放大電路的輸入端連接，能譜處理模塊的輸出端與微控制器的輸入端連接；報(bào)警模塊包括設(shè)置在鉛屏蔽箱上的蜂鳴器和激光筆，以及套設(shè)在激光筆上的聚光罩，蜂鳴器和激光筆均由微控制器進(jìn)行控制。

(一)探測(cè)報(bào)警設(shè)備概述。通過設(shè)置安裝座為鉛屏蔽箱提供安裝基體，安裝座通過膨脹螺栓安裝固定在核電廠現(xiàn)有的墻體上，鉛屏蔽箱與安裝座可拆卸連接，便于在后期對(duì)該探測(cè)報(bào)警設(shè)備維修時(shí)，僅需要將鉛屏蔽箱拆卸下來進(jìn)行維修，避免直接將整個(gè)探測(cè)報(bào)警設(shè)備自墻體上拆卸下來，拆卸方便，并能夠保證該探測(cè)報(bào)警設(shè)備維修之后再次安裝的穩(wěn)定性；火災(zāi)探測(cè)模塊安裝在鉛屏蔽箱內(nèi)，通過鉛屏蔽箱對(duì)火災(zāi)探測(cè)模塊的傳感器組和吸氣泵進(jìn)行輻射防護(hù)，避免核電廠的放射性射線對(duì)傳感器組和吸氣泵造成輻射損壞，保證火災(zāi)探測(cè)模塊的使用可靠性，并能夠有效延長火災(zāi)探測(cè)模塊的使用壽命，使用效果好；通過設(shè)置輻射探測(cè)模塊探測(cè)核電廠內(nèi)γ射線的劑量率值，判斷核電廠內(nèi)的γ射線是否發(fā)生泄漏，探測(cè)精度高；通過設(shè)置報(bào)警模塊在火災(zāi)探測(cè)模塊檢測(cè)到核電廠內(nèi)有可能發(fā)生火災(zāi)，或在輻射探測(cè)模塊探測(cè)到該探測(cè)報(bào)警設(shè)備安裝位置處的γ射線劑量率探測(cè)值大于γ射線劑量率設(shè)定值時(shí)，通過微控制器控制蜂鳴器發(fā)生聲音，同時(shí)，激光筆發(fā)出紅色光源，提醒監(jiān)控人員該探測(cè)報(bào)警設(shè)備安裝位置處可能發(fā)生火災(zāi)，或該探測(cè)報(bào)警設(shè)備安裝位置處的γ射線發(fā)生泄漏。

實(shí)際使用時(shí)，微控制器優(yōu)選為STM32F103RET6微控制器，通信模塊優(yōu)選為互信智能HX2002GPRS無線通信模塊，通過設(shè)置通信模塊將傳感器組檢測(cè)到的數(shù)據(jù)、定位模塊檢測(cè)到的位置數(shù)據(jù)，以及溴化鑭晶體探測(cè)到的γ射線劑量率測(cè)量值遠(yuǎn)程傳輸給監(jiān)控終端，便于監(jiān)控人員對(duì)核電廠內(nèi)的是否發(fā)生火災(zāi)和是否發(fā)生γ射線泄漏進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；定位模塊優(yōu)選為GPRS定位模塊，通過設(shè)置定位模塊定位該探測(cè)報(bào)警設(shè)備的安裝位置，便于在該探測(cè)報(bào)警設(shè)備報(bào)警時(shí)快速確定該探測(cè)報(bào)警設(shè)備的安裝位置，監(jiān)控終端為計(jì)算機(jī)；鉛屏蔽箱的上部還設(shè)置有1.5寸的TFT液晶顯示屏，顯示屏由微控制器進(jìn)行控制，可以顯示溴化鑭晶體和傳感器組探測(cè)到的數(shù)據(jù)；蜂鳴器安裝在鉛屏蔽箱的頂部，激光筆安裝在鉛屏蔽箱的頂部的底部，通過在激光筆上套設(shè)聚光罩對(duì)激光筆發(fā)出的紅色光進(jìn)行聚集，發(fā)光效果好，便于工作人員根據(jù)激光筆發(fā)射出的紅色光快速確定該探測(cè)報(bào)警設(shè)備的安裝位置。

(二)輻射探測(cè)報(bào)警原理。在使用輻射探測(cè)模塊對(duì)核電廠內(nèi)的γ放射性進(jìn)行探測(cè)時(shí)，溴化鑭晶體對(duì)核電廠內(nèi)的γ放射性進(jìn)行探測(cè)，光電倍增管將溴化鑭晶體輸出的閃爍光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，并通過前置放大電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，符合數(shù)字多通道模塊對(duì)過前置放大電路輸出的放大后的電脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，并根據(jù)放大后的電脈沖信號(hào)的脈沖幅度對(duì)其進(jìn)行分類輸出一個(gè)能譜，再通過能譜處理模塊對(duì)能譜進(jìn)行處理得到溴化鑭晶體探測(cè)到的γ射線計(jì)數(shù)率探測(cè)值，并將γ射線計(jì)數(shù)率探測(cè)值傳輸給微控制器，當(dāng)微控制器接收到的γ射線計(jì)數(shù)率探測(cè)值大于γ射線計(jì)數(shù)率設(shè)定值時(shí)，微控制器控制報(bào)警模塊報(bào)警，警示工作人員該處的γ放射線超出設(shè)定值。

(三)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警原理。通過在鉛屏蔽箱的頂部設(shè)置兩個(gè)連接板，并通過鎖緊螺栓和鎖緊螺母將鉛屏蔽箱和安裝座可拆卸連接為一體，安裝和拆卸方便；鉛屏蔽箱采用鉛材質(zhì)制成，吸氣泵位于鉛屏蔽箱內(nèi)，吸氣泵的吸氣口連接有吸氣管道，吸氣管道遠(yuǎn)離吸氣泵的端部伸出鉛屏蔽箱，吸氣泵的出氣口暴露在鉛屏蔽箱內(nèi)；鉛屏蔽箱上開設(shè)有供吸氣管道伸出且對(duì)吸氣管道進(jìn)行固定的安裝孔，鉛屏蔽箱上還開設(shè)有用于排出鉛屏蔽箱內(nèi)氣體的排氣孔，安裝孔和排氣孔分別位于鉛屏蔽箱相對(duì)的兩個(gè)側(cè)板上；通過設(shè)置吸氣泵將核電廠內(nèi)的氣體吸入鉛屏蔽箱，使安裝在鉛屏蔽箱內(nèi)的傳感器組主動(dòng)檢測(cè)吸入至鉛屏蔽箱內(nèi)的氣體的溫度，以及氣體中的一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氫氣濃度和煙霧濃度，檢測(cè)精度高。

傳感器組包括溫度傳感器(型號(hào)優(yōu)選為DS18B20)、一氧化碳傳感器(型號(hào)優(yōu)選為HONEYWELL4CO-500)、二氧化碳傳感器(型號(hào)優(yōu)選為CCS811HDC1080)、氫氣傳感器(型號(hào)優(yōu)選為winsenZE03-H2)和煙霧傳感器(型號(hào)優(yōu)選為winsenMP503)，且傳感器的的輸出端均與微控制器的輸入端連接；鉛屏蔽箱的底部還設(shè)置有液晶顯示屏，液晶顯示屏由微控制器進(jìn)行控制。

(四)實(shí)際使用具體操作流程。在核電廠需要安裝該探測(cè)報(bào)警設(shè)備的墻體上鉆設(shè)設(shè)備安裝孔，并將膨脹螺栓穿過安裝座的底板伸入至所述設(shè)備安裝孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安裝座的安裝；再將鉛屏蔽箱頂部的兩個(gè)連接板穿過底板通孔，使連接板遠(yuǎn)離鉛屏蔽箱的端部位于底板的上方，再將鎖緊螺栓依次穿過側(cè)板上的側(cè)板鎖緊孔和連接板上的連接板鎖緊孔與鎖緊螺母連接，完成該探測(cè)報(bào)警設(shè)備的安裝；該探測(cè)報(bào)警設(shè)備安裝完成后，微控制器控制吸氣泵工作，吸氣泵將核電廠內(nèi)的氣體吸入鉛屏蔽箱，鉛屏蔽箱內(nèi)的溫度傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、氫氣傳感器和煙霧傳感器對(duì)鉛屏蔽箱內(nèi)的氣體進(jìn)行檢測(cè)，溫度傳感器檢測(cè)鉛屏蔽箱內(nèi)氣體溫度，一氧化碳傳感器檢測(cè)鉛屏蔽箱內(nèi)氣體中一氧化碳?xì)怏w的含量，二氧化碳傳感器檢測(cè)鉛屏蔽箱內(nèi)氣體中二氧化碳?xì)怏w的含量，氫氣傳感器檢測(cè)鉛屏蔽箱內(nèi)氣體中氫氣氣體的含量，煙霧傳感器檢測(cè)鉛屏蔽箱內(nèi)氣體的煙霧濃度，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到的氣體溫度測(cè)量值大于氣體溫度設(shè)定值、或當(dāng)一氧化碳傳感器檢測(cè)到的一氧化碳含量測(cè)量值大于一氧化碳含量設(shè)定值、或當(dāng)二氧化碳傳感器檢測(cè)到的二氧化碳含量測(cè)量值大于二氧化碳含量設(shè)定值、或當(dāng)氫氣傳感器檢測(cè)到的氫氣含量測(cè)量值大于氫氣含量設(shè)定值、或當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到的煙霧濃度測(cè)量值大于煙霧濃度設(shè)定值時(shí)，微控制器均控制蜂鳴器發(fā)生聲音，同時(shí)，激光筆發(fā)出紅色光源，提醒監(jiān)控人員該探測(cè)報(bào)警設(shè)備安裝位置處可能發(fā)生火災(zāi)；在微控制器控制吸氣泵工作的同時(shí)，溴化鑭晶體對(duì)核電廠內(nèi)的γ放射性進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)到的γ射線計(jì)數(shù)率探測(cè)值發(fā)送給微控制器，當(dāng)微控制器接收到的γ射線計(jì)數(shù)率探測(cè)值大于γ射線計(jì)數(shù)率設(shè)定值時(shí)，微控制器均控制蜂鳴器發(fā)生聲音，同時(shí)，激光筆發(fā)出紅色光源，警示工作人員該處的γ放射線超出設(shè)定值，可能發(fā)生γ射線泄漏。

四、結(jié)語

本文提出的一種用于核電廠的輻射和火災(zāi)探測(cè)報(bào)警設(shè)備，通過膨脹螺栓安裝固定在核電廠現(xiàn)有的墻體上，安裝座為鉛屏蔽箱提供安裝基體，便于在后期對(duì)該探測(cè)報(bào)警設(shè)備維修時(shí)，僅需要將鉛屏蔽箱拆卸下來進(jìn)行維修，避免直接將整個(gè)探測(cè)報(bào)警設(shè)備自墻體上拆卸下來，拆卸方便，并能夠保證該探測(cè)報(bào)警設(shè)備維修之后再次安裝的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理且體積小，將火災(zāi)探測(cè)模塊和輻射探測(cè)模塊集成為一體，能夠利用一個(gè)設(shè)備同時(shí)對(duì)核電廠內(nèi)的火災(zāi)和輻射進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)精度高；通過設(shè)置輻射探測(cè)模塊探測(cè)核電廠內(nèi)γ射線的劑量率值，判斷核電廠內(nèi)的γ射線是否發(fā)生泄漏，探測(cè)精度高；通過設(shè)置鉛屏蔽箱對(duì)火災(zāi)探測(cè)模塊的傳感器組和吸氣泵進(jìn)行輻射防護(hù)，避免核電廠的放射性射線對(duì)傳感器組和吸氣泵造成輻射損壞，保證火災(zāi)探測(cè)模塊的使用可靠性，并能夠有效延長火災(zāi)探測(cè)模塊的使用壽命，使用效果好。