兩種體系核空氣凈化系統性能評價試驗方法的融合應用

張計榮，張德山，吳 濤，李永國，王坤俊， 李彥樟，李世軍，韓 明，丘丹圭，孔海霞

(1.中國輻射防護研究院，太原 030006； 2.福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

核設施在正常運行及事故工況下，都會不可避免地產生氣載放射性污染物，主要是放射性氣溶膠和氣體。為防止氣載放射性污染物在核設施廠內形成不可接受的污染擴散，嚴格控制氣載放射性污染物向大氣環境排放；事故工況下降低主控制室、應急指揮中心等特定區域內氣載放射性污染物的濃度，使之符合人員進入該區域的要求,核設施必須設置通風凈化系統。該系統中通常安裝高效過濾器、碘吸附器[1]用于去除氣載放射性氣溶膠和碘氣體，而安裝的高效過濾器、碘吸附器必須開展竣工驗收試驗(后文稱調試試驗)及在役運行中的監督試驗(后文稱定期試驗)，以驗證其性能是否滿足要求，掌握系統運行過程中其性能的變化，以便采取相應的措施。

目前，我國開展核空氣凈化系統性能評價的工作主要是參考美國[2-4]、法國[5-6]兩種體系的標準，結合國內工程實踐經驗，形成了國內的核行業標準[7-10]。核行業標準對應于美國、法國兩種體系的標準并且相對獨立。我國的能源行業標準[11]則將兩種體系的標準做了部分融合。但在實際應用中，由于歷史原因，調試大綱、監督大綱等傾向于用指定獨立體系內的方法開展性能評價試驗，如秦山一期、三期及AP1000型核電機組大都指定參照美國體系標準試驗方法；而參照大亞灣M310堆型的核電機組一般指定參照法國體系標準試驗方法開展核空氣凈化系統性能評價試驗。采用美國標準體系試驗方法開展性能評價過程中，曾出現過由于活性炭吸附介質樣杯數量不多，無代表性活性炭樣可開展實驗室除碘性能檢測而必須更換碘吸附器的情況；采用法國標準體系試驗方法時測試結果不理想，且導致結果不理想的原因并非凈化部件本身性能問題而是由于系統存在目視檢查不可見的機械泄漏等導致。我院在開展核空氣凈化系統性能評價時，將兩種標準體系核空氣凈化系統性能評價試驗方法進行了融合應用，取得了不錯的效果。本文結合應用實踐，對兩種標準體系試驗方法的融合應用進行了探討，并提出了建議，認為將美國、法國兩種標準體系試驗方法進行靈活融合應用、互相補充是必要和可行的。

1 兩種標準體系試驗項目與方法介紹

美國標準體系方法在調試試驗中，要進行系統和部件的外觀檢查、小室和風道的承壓試驗、小室和風道的檢漏試驗、安裝排架壓力檢漏試驗、風量和氣流分布試驗、氣溶膠混合均勻度試驗、旁通風閥的檢漏試驗、高效粒子空氣過濾器(HEPA過濾器)排檢漏試驗、碘吸附器排檢漏試驗、吸附劑實驗室試驗等；而定期試驗時，只要系統未有大改造，一般只是執行風量試驗、旁通風閥的檢漏試驗、高效粒子空氣過濾器排檢漏試驗、碘吸附器排檢漏試驗及吸附劑實驗室試驗；由此可以看出，美國標準的調試試驗期間的其他試驗項目，可以認為是開展定期試驗項目的前提條件與保證。而法國標準體系方法在調試試驗及定期試驗階段，均是只開展高效粒子空氣過濾器排、碘吸附器排的性能評價試驗，其它項目則認為在設計、制造和安裝過程中已經給予了充分的考慮和保證或已包括在該兩項試驗中。美國標準、法國標準兩種體系高效粒子空氣過濾器與碘吸附器的試驗方法及特征列于表1。

表1 兩種標準體系高效空氣粒子過濾器與碘吸附器的試驗方法及特征Tab.1 Features of two systematic standards for HEPA filters and iodine adsorbers

2 融合應用實例

某核電廠核輔助廠房DVN除碘回路，采用法國標準體系的放射性CH3131I法開展碘吸附器性能試驗，而調試試驗及定期試驗結果表明，系統碘吸附器排凈化系數雖然滿足驗收指標要求，但凈化系數較低，而影響系統碘吸附器排架凈化系數的因素除碘吸附器本身性能外，還與系統是否存在機械泄漏等相關。為了確保系統安全可靠運行、使氣載放射性污染物排放濃度合理盡可能低、保護環境與公眾，對DVN除碘回路采用美國標準體系方法開展了安裝排架檢漏試驗。

在開展安裝排架檢漏前，首先依據EJ/T 791標準[7]進行了詳細的外觀目視檢查，但由于該核電廠DVN除碘回路并非參照美國標準設計與建造的，因此，設備與部件的布置、密閉處理等細節只要與原設計相符，且后續安裝排架檢漏結果滿足要求則是可以接受的。

表2 目視檢查缺陷及處理措施Tab.2 Visual inspection of defects and treatment measures

將目視檢查出的缺陷處理后，將DVN除碘回路高效空氣粒子過濾器排、碘吸附器排臨時封堵，應用壓力降法對排架的泄漏率進行了測試。試驗流程示于圖1。

泄漏率按公式(1)計算：

(1)

如果計算的泄漏率超過了規定的驗收值，應找出泄漏點，在現場及圖紙上注明其位置，再次處理缺陷，重新試驗直至滿足驗收指標要求。安裝排架壓力檢漏試驗中發現的主要缺陷及處理措施列于表3。處理缺陷后，該核電廠DVN除碘回路安裝排架檢漏試驗壓力隨時間變化示于圖2，依據泄漏率公式計算得知DVN001PI、DVN002PI排架的泄漏率分別為13.57 m3/h、16.05 m3/h，相比于系統的額定風量28 800 m3/h，滿足每小時泄漏量小于額定風量0.1%的驗收指標要求。

圖1 壓力降法泄漏率試驗流程圖Fig.1 Flowchart of leakage test with a pressure-decay method

表3 壓力檢漏試驗中發現缺陷及處理措施Tab.3 Defect detection with a pressure-decay leakage test and treatment measures

一般情況下，核輔助廠房DVN除碘回路處于備用狀態，但在核電站已經商運的情況下，備用回路的不可用時間也是受限的。因此，如能在調試試驗期間進行安裝排架檢漏試驗，把所有的缺陷在調試期間加以處理，則是更理想的。

待安裝排架檢漏試驗結果滿足要求后，再次采用放射性CH3131I法開展了該核電廠DVN001PI、DVN002PI碘吸附器排凈化系數的測定。為了驗證如有旁通機械泄漏導致碘吸附器排凈化系數下降，開展了旁通驗證試驗。調試試驗、定期試驗、旁通驗證試驗及缺陷消除后試驗(簡稱消缺后試驗)的碘吸附器排的凈化系數測試結果示于圖3。

圖2 檢漏試驗壓力隨時間變化圖Fig.2 Pressure variation with time in leakage tests

圖3 碘吸附器排凈化系數試驗結果Fig.3 Test results for removal coefficients of iodine adsorber banks

由圖3調試試驗和定期試驗的結果可以得出，隨著時間的推移，碘吸附器性能有所下降，因此開展碘吸附器定期試驗評價是必要的；對于安裝相同碘吸附器的旁通驗證試驗與消缺后試驗，在安裝排架開展壓力檢漏試驗并消除缺陷后，碘吸附器排的凈化系數有了大幅度提升，由該系統排往大氣環境中的放射性碘氣體的濃度將進一步降低，有利于保護環境、公眾。

3 其他方面融合應用分析

3.1 移動式核空氣凈化小車的現場檢驗

安裝有碘吸附器的移動式核空氣凈化小車，在出廠驗收時，一般采用法國標準體系放射性CH3131I法進行性能評價；而在現場開展定期性能檢驗時，由于碘吸附器下游氣體直接排往環境空氣中，如果碘吸附器性能下降或安裝不到位形成機械泄漏時，采用放射性CH3131I法進行性能評價的風險高，可采用放射性CH3131I法在實驗室對出廠的碘吸附器進行除碘性能評價，確保其除碘性能滿足要求，而安裝到凈化小車上后，再進行泄漏率檢測，判斷碘吸附器在運輸中是否導致活性炭層塌陷或安裝不到位而造成不可接受的機械泄漏。當然，為了保證碘吸附器自身的除碘性能滿足要求，應盡可能將離廠驗收試驗合格的碘吸附器在短期內安裝到移動式核空氣凈化小車上進行泄漏率試驗。

3.2 旁通回路的壓力檢漏或示蹤劑法檢漏

當核空氣凈化系統中安裝的碘吸附器處于備用狀態，正常運行時，系統氣流在經過高效空氣粒子過濾器后，會通過旁路直接排放而不經過后面設置的碘吸附器；在事故工況下，將系統的旁通回路關閉，系統氣流再流經碘吸附器凈化后排放。而應用實例表明，系統旁路的泄漏對碘吸附器除碘性能的影響很大。因此，對于設置有旁通回路的核空氣凈化系統，可對旁通回路開展壓力檢漏或示蹤劑法檢漏，確保旁通回路關閉后自身的泄漏率在允許的范圍內，可有效避免因旁通回路密封性差，導致采用法國標準體系放射性CH3131I法開展性能評價時示蹤氣體未經充分凈化排放的風險。

3.3 無代表性吸附介質樣品

采用美國標準體系方法對核空氣凈化系統中安裝的碘吸附器開展性能評價時，必須將碘吸附器排的現場泄漏率試驗結果與代表性吸附介質的實驗室除碘性能結果相結合。如果碘吸附器的排架上吸附介質的樣杯設計不合理，導致流經吸附介質樣杯的氣流與系統排架的氣流不一致，吸附介質無代表性；或者由于吸附介質樣杯的數量不足，導致無代表性吸附介質可用于實驗室除碘性能試驗，單純的現場泄漏率試驗結果滿足要求，不足以保證系統上安裝的碘吸附器除碘性能滿足要求，可引入針對性強、結果表征直觀的放射性CH3131I法對碘吸附器排進行除碘性能評價。

3.4 大風量系統高效粒子過濾器性能評價試驗

采用美國標準體系方法開展高效粒子空氣過濾器性能評價時，對于大風量的系統，應用氣動壓力噴霧方式產生的氣溶膠量較少。基于氣溶膠檢測儀探測限及測量準確度的要求，需要應用加熱蒸發方式產生氣溶膠。如果發生裝置距離注入口位置較遠，蒸發產生的氣溶膠在注入過程中會發生冷凝，導致注入量減少從而影響測量；且如果發生冷凝液倒流接觸加熱的發生器時存在一定的著火風險，必要時可引入熒光素鈉氣溶膠法開展高效粒子空氣過濾器性能評價。

4 建議

法國標準體系試驗方法對核空氣凈化系統排架、旁通回路的密封性等并不現場開展驗證，如果系統存在泄漏，會導致采用放射性CH3131I法對碘吸附器性能的誤判及放射性CH3131I氣體未經充分凈化而排放。參照大亞灣M310堆型建造的核電站空氣凈化系統，多為建筑物小室安裝排架，存在貫穿件多、墻體與安裝排架密封情況不易判斷等問題，建議將美國標準體系方法的部分試驗融入到調試試驗期間，開展排架檢漏試驗、旁通回路檢漏試驗等。當然，已經商運的核電站作為后續補充改進措施也是可行的。

當核空氣凈化系中設置的吸附介質樣杯的數量較少，導致無代表性吸附介質樣品可用于實驗室除碘性能評價時，定期試驗后期可采用放射性CH3131I法開展碘吸附器性能評價；當然，采用該方法對系統中的碘吸附器進行性能評價時，需制定一個合理的驗收指標，如果系統中安裝的碘吸附器性能滿足驗收指標要求，則可以延長碘吸附器的使用壽命，并有效減少放射性廢物的產生量。

我國已經制定了結合美國、法國兩種標準體系試驗方法的行業標準，只是在實際工作中的推廣應用尚不理想。文中雖然對可能的融合應用進行了分析探討，但實際應用并不僅限于此。綜合考慮核空氣凈化系統的特征、管理的要求及人員防護的需要等，對兩種標準體系的試驗方法進行合理可行的融合應用、互為補充，確保核空氣凈化系統的安全可靠性，保護環境與人員是必要和可行的。