CACE 技术在核电站氢电导率测量中的应用案例：从安全挑战到智能监测革新

一、项目背景：核电站水汽监测的特殊挑战

某压水堆核电站（CPR1000 机组）作为百万千瓦级商用核电机组，其水汽系统直接关系到反应堆压力容器、蒸汽发生器等关键设备的安全运行。核电站对水质的严苛要求远超常规电厂：

               · 水质标准极致严格：根据《核电厂水汽质量标准》（EJ/T 1188-2005），蒸汽氢电导率需≤0.15μS/cm，凝结水氢电导率≤0.08μS/cm，以                 防止放射性离子（如 Cl⁻、F⁻）诱发应力腐蚀开裂；

               · 传统方法瓶颈凸显：核电站水汽系统为抑制腐蚀，需维持高 pH 值（9.0~9.6）运行，传统阳树脂法在此工况下暴露出三大痛点：

· 树脂更换风险高：辐射控制区（如安全壳内）的树脂柱更换需穿戴铅服作业，每次操作导致维护人员接受约 0.1mSv 辐射剂量，年更换      120 次累计剂量达 12mSv（接近职业人员年剂量限值 20mSv）；

· 数据中断隐患大：每次更换树脂需 3 小时冲洗，若蒸汽发生器水质异常未及时监测，可能引发传热管泄漏等安全事件；

· 放射性废液处理难：树脂再生使用的强酸与放射性离子结合，产生的废液需按放射性废物专门处理，年处理成本超 50 万元。

二、技术适配：CACE 技术在核环境下的定制化升级

1. 原理优化：抗辐射与高精度兼容

CACE（Conductivity After Cation Exchanger）技术在核电站应用中，针对辐射环境进行了三重技术改进：

· 材料抗辐射设计：阳离子交换膜采用聚四氟乙烯基底 + 耐辐射磺酸基团，经 60Coγ 射线照射 10⁴Gy 后，离子交换性能衰减≤5%；

· 电化学再生强化：阳电极采用钛基氧化钌涂层，在高温（300℃）高压（15.5MPa）环境下电解效率维持≥98%，确保 H⁺持续补偿；

· 辐射屏蔽集成：仪表外壳采用 316L 不锈钢 + 20mm 铅层，将设备表面辐射剂量率控制在 2.5μSv/h 以下，满足核安全区人员操作要求。

2. 系统集成：核级可靠性设计

· 冗余配置：在蒸汽发生器、主凝结水等关键测点采用 “三取二” 冗余架构，任一 CACE 模块失效时，系统自动切换并触发报警；

· 安全联锁：与核电站 DCS 系统联动，当氢电导率超过 0.12μS/cm 时，自动启动凝结水精处理系统，并向主控室发送三级预警；

· 在线标定：内置放射性同位素⁸⁵Kr 源（活度≤10μCi），定期对电导电极进行原位校准，避免人工进入辐射区操作。

三、实施过程：从试点到全系统应用

1. 试点选型与验证

选择 3 号机组主蒸汽管道测点（辐射剂量率约 15μSv/h）作为试点，对比传统树脂法与 CACE 技术：

· 安装改造：在安全壳贯穿件处加装辐射屏蔽型 CACE 分析仪，配套耐辐射流量计（量程 0~50mL/min），采样管线采用 316L 不锈钢 + 双层屏蔽；

· 数据对比：连续监测 3 个月，CACE 法测值与实验室放射性离子色谱仪（IC）的吻合度达 99.2%，而传统法因树脂再生度不足（平均 75%），测值偏差达 ±12%。

2. 全系统推广方案

· 测点覆盖：在反应堆冷却剂系统（RCS）、蒸汽发生器二次侧、主凝结水等 12 个关键点位部署 CACE 仪表，形成全流程监测网络；

· 辐射防护优化：CACE 模块维护周期延长至 12 个月 / 次，每年减少辐射区作业 108 次，维护人员年受照剂量降至 1.2mSv，较传统法降低 90%；

· 智能诊断系统：开发基于机器学习的异常识别模型，通过氢电导率与放射性核素（如 ¹³¹I、¹³⁷Cs）浓度的关联分析，提前 48 小时预警潜在的燃料棒包壳泄漏风险。

四、应用成效：安全与效率的双重突破

1. 测量性能提升

· 精度对比：

· 典型案例：2023 年 5 月，CACE 系统捕捉到蒸汽发生器二次侧氢电导率从 0.10μS/cm 骤升至 0.14μS/cm，同步监测到 Cl⁻浓度从 0.5μg/L 升至 1.2μg/L，经检查发现传热管轻微泄漏，及时停堆检修避免事故扩大。

2. 安全与成本效益

· 辐射安全改进：
传统法年维护辐射剂量：12mSv（人工更换 120 次）
CACE 法年维护辐射剂量：1.2mSv（年度校准 1 次）
相当于减少 108 次辐射区作业，降低职业健康风险；

· 经济性分析：

· 直接成本：传统法年树脂再生 + 放射性废液处理成本 58 万元，CACE 法年成本仅 8 万元（耗材更换），3 年累计节约 150 万元；

· 间接效益：避免因数据中断导致的非计划停堆，每次停堆损失约 2000 万元，CACE 法投用后 3 年未发生此类事件。

3. 技术创新点

· 抗辐射电化学再生：通过脉冲电场优化（频率 50Hz，占空比 1:1），在辐射环境下维持 H⁺再生效率，解决传统树脂法在高辐射场中交换基团降解问题；

· 放射性离子监测耦合：氢电导率与⁹⁰Sr、¹³⁷Cs 等核素浓度建立关联模型，实现 “单一指标反映多重风险” 的智能监测。

五、行业启示：核级监测技术的未来方向

1.安全标准适配
CACE 技术通过中国核安全局（NNSA）的 HAF 级认证，其抗辐射性能满足《核电厂仪表和控制系统软件质量保证》（HAD 102/15）要求，为核电站关键仪表国产化提供范例。

2.智慧化运维推动
结合数字孪生技术，CACE 系统可实时模拟水汽系统腐蚀趋势，例如通过氢电导率数据预测蒸汽发生器传热管的氧化膜厚度变化，将腐蚀管理从 “事后检测” 转向 “事前预防”。

3.退役场景前瞻
在核电站退役阶段，CACE 技术的免维护特性可减少退役人员在高辐射区的作业时间，其模块化设计也便于退役时的整体拆卸与放射性废物分类处理。

六、结语

该核电站应用案例表明，CACE 技术通过抗辐射设计与电化学再生原理的创新，不仅解决了传统方法在高 pH、高辐射环境下的监测难题，更将氢电导率测量从 “工艺监测” 升级为 “安全预警” 工具。在 “双碳” 目标与核能规模化发展的背景下，CACE 技术为全球核电站的智能化、安全化运行提供了可复制的技术范式，其价值已超越测量本身，成为核安全屏障的重要组成部分。