劉占陽，胡 澄，孫雪峰，張啟明，陳 謙，楊立濤，賀一凡

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

我國目前的放射性污染監(jiān)測制度規(guī)定，從事伴有電離輻射實踐活動的單位必須開展輻射環(huán)境監(jiān)測，對放射性流出物的排放情況進行監(jiān)督性監(jiān)測，獨立、客觀、公正地反映核電廠周圍輻射環(huán)境質量狀況及其變化趨勢，預測和預警核與輻射事件或事故。

日本福島核事故后，國家核安全局于 2012年6月發(fā)文《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求(試行版)》，其中，在第七項“輻射環(huán)境監(jiān)測及應急改進的技術要求”第四條“設備要求”中對環(huán)境輻射水平連續(xù)監(jiān)測站點位設置和傳輸功能提出了如下要求：①站址布點：核電廠監(jiān)測站點應考慮與監(jiān)督性監(jiān)測站點互補的原則，保證核電廠周圍 16 個方位的陸域原則上都布設至少 1 個自動監(jiān)測站房。在核電廠煙羽計劃應急區(qū)范圍內，核電廠各堆址主導風向的下風向、居民密集區(qū)應適當增加布點；沿海核電廠應具備一定的海域方向監(jiān)測能力，并對其合理性進行論證。②數據傳輸功能：應具有備用通信方式，保證各監(jiān)測站點的監(jiān)測數據能夠實時傳送到自動監(jiān)測中央站；在失去外部電源的情況下，自動監(jiān)測中央站應能保證較長時間(≥72 h)內的數據傳輸[1]。

對核電站周邊水域的γ輻射劑量水平進行監(jiān)測是核電站監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)的重要補充，完善了陸地監(jiān)督性監(jiān)測站點無法對液態(tài)放射性流出物監(jiān)測的短板，是核電站運行、核安全監(jiān)管、環(huán)境保護及公眾關注的重要內容，可以有效地提升核電站海域方向的氣、液放射性流出物的日常監(jiān)測能力，實時反映核電廠海域方向的輻射環(huán)境質量狀況及其變化曲線，進而達到預測和預警核與輻射事件或事故[2-5]。

1 海上γ輻射劑量率的監(jiān)測現狀

當前國內在運行的核電站均已在陸地方向建設了針對放射性流出物、氣象等要素監(jiān)督性監(jiān)測站點，但是針對海域方向的放射性流出物監(jiān)測尚處于空白狀態(tài)，缺乏針對海域方向放射性流出物的監(jiān)督性監(jiān)測能力，尤其是針對液態(tài)放射性流出物的監(jiān)測尚處于人工監(jiān)測的狀態(tài)。

在應急條件或事故狀態(tài)下，目前國內所有的濱海核電廠在例行的應急演習過程中對周邊海域進行輻射監(jiān)測時，大部分都是采取在地圖上確定測量位置或是按照既定的監(jiān)測路線，然后由應急監(jiān)測小組人員駕駛載有便攜式儀器的船只進行實地測量。在核電廠發(fā)生大量放射性核素泄漏的情況下，這種方式存在的主要問題：①人員易受照射，心理負擔重，船只易受污染；② 測量和傳輸技術方法落后，數據不及時，不連續(xù)，不能實現無人化、快速、大面積區(qū)域組網監(jiān)測，影響評價和決策指揮；③ 只能做到定點監(jiān)測或既定路線的巡測，無法做到日常監(jiān)測；④ 技術保障復雜，行動代價高；⑤ 受天候和海況條件影響大。

針對核電廠周邊海域的γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)，在非事故情況下，是對核電廠監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)的重要補充和完善，能夠實時監(jiān)測核電廠海域方向的氣態(tài)放射性流出物和液態(tài)放射性流出物的排放情況，實時反映核電廠海域方向的輻射環(huán)境質量狀況及其變化，進而達到核與輻射事件或事故預警的目的。

2 基于濱海核電廠γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)

基于濱海核電廠γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)作為一種全天候、無人值守的輻射監(jiān)測裝備，是海洋環(huán)境長期定點實時立體監(jiān)測的基本手段，由浮標體、航標燈、監(jiān)測設備、數據采集系統(tǒng)、數據傳輸系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、錨系系統(tǒng)、浮標接收岸站及數據平臺組成，實現數據的自動采集、存儲、傳輸、報警及自動定位等功能，為指定用戶提供實時在線的海洋環(huán)境數據信息。

2.1 總體設計

整個系統(tǒng)由現場監(jiān)測平臺、無線數據采集傳輸模塊和監(jiān)控中心數據服務平臺三大部分組成，如圖1所示。

圖1 總體設計Fig.1 Overall design of the monitoring system

設計說明：①現場監(jiān)測平臺：獲取海水表面γ劑量率、海水中放射性核素的γ劑量率；②無線數據采集傳輸模塊：由專網數據傳輸模塊(GPRS/4G)和北斗衛(wèi)星兩種無線鏈路將現場監(jiān)測的傳感器數據上傳至中央站服務器。通信以移動公網為主，北斗衛(wèi)星為冗余備份；③監(jiān)控中心數據服務平臺：由中央站作為海上輻射安全智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)的指控中樞。接收海上監(jiān)測浮標上傳的數據并對其進行測控；通過有線或無線網絡將監(jiān)測數據實時上傳至中心機房，并可根據要求調整現場監(jiān)測的工作模式。

在實體設計上，該系統(tǒng)由浮體(儀表艙)、塔架、錨鏈等組成，浮標體上安裝水溫、氣象儀、輻射監(jiān)測儀表(水體輻射NaI探頭、空氣輻射NaI探頭)、北斗數傳模塊；儀表艙內裝有數據采集器、數據傳輸模塊、太陽能供電系統(tǒng)、漏水傳感器、艙內溫濕度、GPS模塊等，浮體下系結有錨碇設備。在數據傳輸內容中，包含有儀表艙的溫濕度和是否水浸，GPS系統(tǒng)的時間、經緯度，氣象儀的風速、風向、大氣壓力、溫度、濕度、露點，空氣和水體輻射探頭的γ劑量率及核素能譜等。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要包括： ①測量水體表面以及空氣中的γ劑量率；②測量水中和空氣中γ能譜數據，進行核素識別并計算活度濃度；③自動標識測量位置和測量時間；④無人值守、在線實時自動上傳監(jiān)測數據；⑤位移報警，夜間以燈光標示測點位置和監(jiān)測范圍；⑥抗鹽霧和海水腐蝕 ；⑦多點位區(qū)域組網，實時連續(xù)測量，多鏈路自動傳輸數據；⑧滿足應急輻射監(jiān)測需要，及時為決策指揮服務，為后果評價實時提供依據；⑨能夠在復雜氣象和高海況條件下使用，具有抗風浪能力；⑩具有良好防腐蝕性能，適于在海水中長期使用。

2.3 現場監(jiān)測平臺

現場監(jiān)測平臺為一個直徑為3 m的浮標(圖2)，浮體材質是抗腐蝕、耐碰撞、重量輕、服役期長、不易為海洋生物附著的低表面能聚合物通體材質，其耐用性比傳統(tǒng)鋼鐵浮標更小、更輕、更佳的搬運性。其主要特點有：①防風浪：配置整體重心下移，形成類似不倒翁原理，增加設備的穩(wěn)定性，有防風抗浪的功能；②結實耐用、存活力強：低維護量與長使用壽命代表在整個生命周期間的成本低廉，浮標結構緊湊，儀表艙內配置溫度傳感器實時監(jiān)測艙溫，非法打開倉蓋可報警；③浮標的水密裝置應保證標體不變形，儀器艙內配置漏水傳感器，可漏水報警；④配置GPS定位模塊，浮標漂移200 m以上可報警處理。

其中浮體呈圓盤形的結構，能載有多種類型傳感器，能自動、長期、連續(xù)地進行常規(guī)的水文氣象參數測量，數據采集、處理后通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)/GPRS/CDMA等方式實時傳輸。

圖2 浮標示意圖Fig.2 Schematic diagram of a buoy

2.4 供電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成。各部分的作用為：①太陽能電池板。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作，太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質量和成本。②太陽能控制器。太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。③蓄電池。一般為鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。

本系統(tǒng)使用太陽能為儀器儀表供電，不需要外接電源，利于偏遠環(huán)境安裝。按每5 min發(fā)送一次數據，理論供電持續(xù)時間可達20 d。

2.5 無線數據采集傳輸模塊

海上γ輻射監(jiān)測浮標和監(jiān)控中心之間除了采用無線通訊模式外，還配有衛(wèi)星通訊模塊，可在無線通訊故障情況下自動切換到衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，確保數據的穩(wěn)定傳輸。

數字采集傳輸儀設備按照工業(yè)級標準設計，同時具備數據采樣、報警控制輸出、實時在線數據遠傳功能。支持GPRS/GSM網絡，具備RS232、RS485端口，可以通過本地通訊端口或GPRS/GSM網絡實現遠程參數配置和實時數據召測。支持標準Modbus、HJ/T 212協(xié)議。可跟水分儀表、在線分析儀表等對接，對監(jiān)測數據進行采集、管理及傳輸到控制中心。

2.6 監(jiān)控中心數據服務平臺

中央站監(jiān)控中心數據服務平臺具有系統(tǒng)監(jiān)控、數據查詢統(tǒng)計的功能，它是架構在PC之上的自動化控制系統(tǒng)，運行于Windows Server、XP、Win7等操作系統(tǒng)，包含數據庫管理系統(tǒng)、數據監(jiān)聽軟件、大屏顯示系統(tǒng)、報表管理系統(tǒng)等多個軟件系統(tǒng)，為實現遠距離水體輻射水平、空氣輻射水平、氣象等數據的采集、瀏覽及發(fā)布提供了一個開放性的、可擴展的系統(tǒng)平臺，具備顯示實時數據、查詢歷史數據、超標報警等功能。

軟件采用先進的B/S結構體系，用戶WEB瀏覽器方式操作，數據采集傳輸、報表分析圖形化、動態(tài)化，報表報文可自動生成，應用工具組態(tài)化，開放的動態(tài)工具方便用戶自行維護，具有很好的異構兼容性和可擴展性，系統(tǒng)配有IPAD移動終端可以隨時隨地查看監(jiān)測數據，保證系統(tǒng)維護及設備故障維修的響應時間，確保維護維修人員及時跟蹤監(jiān)測數據。

3 核電廠海上輻射劑量監(jiān)測設備及測試

3.1 監(jiān)測設備

SpetroTracer NaI是一種輻射探測器，能夠測量空氣、土壤或是水中的非常低的污染。該款設備能夠對測量的放射性能量進行光譜分析，從而識別監(jiān)測到的核素，并區(qū)分人工放射性核素和天然放射性核素，也能夠進行半定量核素濃度水平分析，進行環(huán)境γ空氣吸收劑量率的連續(xù)監(jiān)測。

3.2 NaI海洋水體輻射劑量率測量結果

經測量，監(jiān)測浮標所在海域海平面上方1.5 m處的空氣NaI測量值為6.4±0.2 nSv/h，海平面下方1.0 m處的水體NaI測量值為7.6±0.1 nSv/h?？鄢齼x器本底干擾后，監(jiān)測結果依次為2.4、3.7 nSv/h，結果見圖3。

3.3 現場海洋NaI譜儀已測數據情況

2017年10月監(jiān)測浮標上的空氣NaI譜儀和水體NaI譜儀測量結果見圖4，從圖中可以看到水體NaI輻射劑量率測量結果穩(wěn)定性好，受環(huán)境干擾極??；空氣NaI輻射劑量率測量結果受環(huán)境影響較大，導致輻射劑量率的變化的因素較為復雜，降雨對輻射劑量率有一定的影響，但影響情況與陸地情況有所不同；從圖中可以看到2017年10月14日—16日輻射劑量率有明顯的升高，通過對周圍環(huán)境情況識別，這應該為臺風“卡奴”所導致的影響。

圖3 NaI海洋水面空氣中和水體中輻射劑量率測量結果Fig.3 NaI radiation dose rate measured of in air and in surface water on sea

圖4 2017年10月海洋NaI譜輻射劑量測量結果Fig.4 Marine NaI spectrum by radiation dose measurements in October 2017

3.4 監(jiān)測浮標附件海域的空氣NaI和水體NaI輻射劑量率測量結果差異分析

根據已測數據，監(jiān)測浮標附件海域的空氣NaI和水體NaI輻射劑量率測量結果依次為2.4、3.7 nSv/h，相差約40%。海洋中天然核素分布較為平均，我國近岸海域天然226Ra、232Th、40K平均值依次為0.076、0.004和10.32 Bq/L，通過模擬計算得到的海洋水體中和水面輻射劑量率分別為0.3、0.8 nSv/h。測量結果高于模擬計算結果。經分析海洋中NaI測量譜數據(圖5)，水面空氣中和水體中40K對劑量率的貢獻幾乎一致，而水體中大量核素衰變退激產生的低能X射線對劑量率明顯大于水面空氣。另外，受海洋水體中懸浮物的影響，可導致水體中輻射劑量率測量結果比理論計算結果偏高。

3.5 NaI譜儀的連續(xù)測量在海域環(huán)境中的應用

相對于傳統(tǒng)的輻射劑量率測量方法，NaI譜儀測量最大的優(yōu)點就是具備核素識別能力，典型本底測量譜圖見圖6，常規(guī)測量時可通過各感興趣區(qū)域計數變化情況分析導致環(huán)境輻射劑量率變化的原因。

NaI譜測量時本底劑量極低(約為4.0 nSv/h)，因此系統(tǒng)具備較高的探測能力和探測靈敏度。在應急條件下，根據NaI譜圖信息，可及時識別排放到環(huán)境中的人工放射性核素，為及時計算排放源項和計算核設施周圍人員可能受照劑量提供數據支持。

圖5 海水水面和水體中NaI測量譜圖對比Fig.5 Comparison of NaI spectrum measured in surface seawater and in water column

圖6 NaI譜儀海洋水體測量譜圖Fig.6 NaI spectrum obtained from sea water column by spectrometer

4 結論

(1)基于濱海核電站海上γ輻射劑量率的智能化自動監(jiān)測系統(tǒng)作為一種全天候、無人值守的輻射監(jiān)測裝備，是海洋環(huán)境長期定點實時立體監(jiān)測的基本手段，可全天候、長時間、在線組網、連續(xù)自動測量水面和空氣中的γ劑量率、獲取γ能譜數據并進行核素識別和計算活度濃度，實時將監(jiān)測數據通過無線通信鏈路和北斗短報文兩種形式上傳至中央站服務器，可以有效地提升海域方向的氣、液態(tài)放射性流出物的監(jiān)測能力。

(2)在應急條件或發(fā)生重大核安全事故的情況下，該系統(tǒng)為核電廠實施海上應急輻射監(jiān)測提供了一種有效的解決方案，同時也提供了一種新的方法和手段，能夠有效避免傳統(tǒng)的派船巡測時方法不標準、數據不及時不連續(xù)、人員受照風險大、船只易受污染和行動代價高等問題。

(3)該系統(tǒng)在非事故情況下是對核電廠監(jiān)督性監(jiān)測系統(tǒng)的重要補充和完善，能夠對核電廠海域方向的氣態(tài)放射性流出物和液態(tài)放射性流出物的排放情況進行監(jiān)督性監(jiān)測，尤其是在極端環(huán)境條件下無人值守的海上環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)依然可以持續(xù)地為核電站提供輻射環(huán)境監(jiān)測能力，對核電站運行期間整體的安全性和可靠性具有積極意義。