碘吸附器樣品外部取樣技術可行性分析研究

梁 飛，呂 陽，張 淵，王 稹，吳 波，張雪平，張昭辰，高琳鋒，丘丹圭，侯建榮

(1.中國輻射防護研究院，太原 030006； 2.防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

在核電廠、研究堆、后處理廠等核設施中會有含放射性的碘、氣溶膠、惰性氣體等放射性氣態污染物，其中放射性碘的危害性最大[1-2]。碘吸附器是核空氣凈化系統中的關鍵設備[3]，以過濾并去除其中的放射性碘和其他污染物。為確保其正常運行，在調試及運行過程中需分別對其進行驗收試驗與定期試驗[4-6]。在按照美國標準體系進行核電廠現場碘吸附器除碘性能的評價試驗時需要進行兩部分缺一不可且互相補足的實驗：1)使用氟利昂法在現場測量凈化小室、碘吸附器安裝框架及碘吸附器自身缺陷的機械泄漏率；2)在實驗室測量與現場碘吸附器中的浸漬活性炭具有同一性的活性炭樣品的放射性甲基碘去除效率。碘吸附器取樣裝置正是提供具有同一性的活性炭樣品的裝置。

本文探討了國內外碘吸附器取樣技術及應用現狀，分析了碘吸附器取樣代表性影響因素并進行試驗驗證，并對碘吸附器外部取樣技術進行了可行性分析。

1 碘吸附器取樣技術分類及特點

1.1 直接取樣

對于沒有設置取樣裝置的除碘凈化系統來說，其檢測方法一般為法國標準體系的放射性甲基碘法[7-8]。若用美國標準體系方法檢測碘吸附器可用性時，則需要提供核級活性炭除碘效率評價所需的樣品。對于這樣的除碘系統，用多點開槽管取樣器從碘吸附器內直接取樣進行實驗室除碘性能測試(示于圖1)。

圖1 多點開槽管取樣器示意圖

這種從碘吸附器內部直接取樣會造成原本合格的碘吸附器不可用，需對該碘吸附器進行活性炭的重新填裝或者更換新的碘吸附器，進而導致放射性廢物產量和經濟成本的增加。

1.2 內部取樣技術

國內外較常見的碘吸附器取樣裝置是以Ⅱ型碘吸附器為凈化單元除碘凈化系統，取樣樣杯設置在碘吸附器凈化小室的排架上[9-10]，示于圖2。

圖2 Ⅱ型碘吸附器樣杯示意圖

目前在建的華龍一號、AP1000等為代表的第三代堆型多采用以Ⅲ型碘吸附器為凈化裝置的除碘系統，其取樣樣杯大多數也設置在凈化小室內部，示于圖3。

圖3 Ⅲ型碘吸附器樣杯示意圖

該技術除碘系統的取樣裝置多為焊接在碘吸附器小室的排架上，不可分離；有些情況下取樣樣杯的數量和體積受空間所限，同時取樣空間狹小，不利于樣杯拆裝工作進行，工作量大、耗時長，存在一定的放射性污染風險。

1.3 外部取樣技術

澳大利亞Luis等提出碘吸附器外部取樣技術[11]，在凈化小室外設置獨立的外部取樣裝置，取樣裝置形成與碘吸附器并聯的取樣回路，在取樣回路中設有隔離閥、流量/壓差測量口。

外部取樣包括橫向取樣技術和縱向取樣技術。美國核電廠采用外部橫向取樣技術，橫向樣杯制造方便、容易安裝，但需要在安裝前進行樣杯取樣代表性的驗證試驗或者理論計算，其結構原理示于圖4。

圖4 碘吸附器外部橫向樣杯示意圖

澳大利亞核科學和技術組織(ANSTO)[11]則提出了外部縱向取樣技術，該取樣裝置留有風量和壓差測量口。設置有獨立的隔離閥門，取樣時可以延遲取樣時間進而有效的降低輻照風險。縱向設置的活性炭樣杯可以防止發生穿透的問題，其結構原理示于圖5。

圖5 碘吸附器外部縱向樣杯示意圖

2 碘吸附器取樣技術應用現狀

國內外不同堆型核電站采用的碘吸附器取樣技術也不盡相同。如美國和加拿大都采用外部取樣技術進行活性炭樣品的取樣，國內核電站碘吸附器取樣技術應用情況，綜合列于表1。

3 碘吸附器取樣代表性影響因素及驗證

3.1 代表性影響因素

盡管國內外核電廠采用不同的碘吸附器取樣技術，但每種取樣技術均應確保取出的活性炭樣品具有代表性。從碘吸附器取樣裝置中取出的活性炭樣品，應該能夠代表碘吸附器中活性炭。要滿足這一要求，活性炭樣品應與所代表的整個炭床暴露于同樣的污染物中。

3.1.1直接取樣代表性影響因素

直接取樣是從碘吸附器內部直接取用活性炭樣品。對于這種取樣技術來說，應確保在碘吸附器內部各個部位的均勻取樣。因此直接取樣代表性影響因素主要考慮取樣的均勻性。

表1 國內核電站碘吸附器取樣技術應用現狀

1)NA表示不適用。

3.1.2取樣裝置取樣代表性影響因素

對于用取樣裝置進行取樣來說，美國機械工程師協會核空氣與氣體處理規范(ASME AG-1)規定[4]：“試驗罐流速應在業主設計規格書規定的平均吸附器設計流速的±10%內”，這是取樣裝置取樣代表性的基本要求。

設計取樣裝置時必須考慮所有對流量有影響的因素，主要有炭床厚度及阻力部件。粗短管路、閥門、連接頭、連接件、彎管、噴嘴及類似阻力部件會增加氣流通道阻力，從而使得取樣裝置不具有代表性[12]。相關計算表明，相對于炭床的阻力來說，連接管路的阻力可忽略不計[11]。為此進行了取樣代表性影響因素的試驗驗證。

3.2 試驗驗證

3.2.1試驗方法

為了研究及驗證碘吸附器取樣代表性的影響因素，在實驗室做了相關的驗證試驗。在碘吸附器(主回路)前端和后端并入獨立的取樣回路，構建碘吸附器取樣模擬裝置，通過回路增加彎頭、炭床厚度等阻力部件進而改變取樣回路阻力，測量主回路和取樣回路的氣流比速，流程示于圖6。

圖6 試驗流程圖

3.2.2 試驗設備

試驗中所用的主要試驗設備列于表2。

表2 試驗中所用的設備

注：(1)圓筒型碘吸附器炭床厚度為3.5 cm，折疊式碘吸附器炭床厚度為5 cm；(2)流速差為主回路與取樣回路氣流速度差的絕對值。

3.2.3結果與討論

表3為試驗驗證的結果。

從表3中第1、2組試驗結果可以看出，相對于炭床阻力對流速差的影響程度來說，彎頭等連接管路可忽略不計。

第2、3、4組試驗結果可知，取樣回路與碘吸附器中炭層厚度越接近，其取樣回路與主回路的壓力降也越接近，進而氣流比速也越接近。

表中4組試驗說明，取樣回路彎頭的增加，取樣回路阻力增加，流速變小，從而使得取樣裝置不具有代表性。

通過試驗驗證了炭床厚度和阻力部件對于取樣代表性的影響，可知當取樣裝置中的炭床厚度和經過取樣裝置的壓力降分別與通過吸附器排架的炭床厚度和壓力降相同時，才能保證取出的樣品具有代表性。這將對于設計取樣裝置具有實際指導意義。

4 外部取樣技術可行性分析

目前碘吸附器取樣裝置多設置在工作人員可進入碘吸附器小室內，定期進行活性炭的裝取。對于在碘吸附器小室外部設置的活性炭取樣裝置，通過取樣裝置與除碘凈化系統的可分離，實現了碘吸附器小室外部在線取樣的技術。現在國內核電領域還不具備這種碘吸附器外部在線取樣技術。本文設計了兩種外部取樣裝置，并對其可行性進行分析。

4.1 取樣裝置的結構形式

所設計的兩種取樣裝置空間結構示于圖7，一種為活性炭樣杯豎直安裝，另一種為活性炭樣杯水平安裝。這兩種取樣裝置都是集活性炭樣杯于取樣箱內，進氣口與出氣口分別與碘吸附器前后端連接，同時還采用了靜壓箱式結構設計。橫向安裝的樣杯中活性炭因重力因素的影響有可能導致其下沉進而被穿透的風險，本文推薦采用外部縱向取樣裝置進行取樣。

圖7 兩種取裝置的空間結構示意圖

4.2 取樣裝置的氣流分布特性

設計取樣裝置每個平行樣杯在結構形式上具有一致性。根據靜壓不變的均勻送風管設計原理[13]，在進入平行樣杯之前箱體內靜壓是均勻的[14]，且樣杯結構形式上是一致的，從而確保所設計的取樣裝置具有將氣流平均分配到每個活性炭樣杯的特性，防止通過某個樣杯的氣流偏差過大，導致取樣不具有代表性。

4.3 取樣裝置的取樣代表性

根據本文3.2.3節試驗驗證結果“取樣回路與碘吸附器中炭層厚度越接近，其取樣回路與主回路的壓力降也越接近，進而氣流比速也越接近”，設置活性炭樣杯中炭層厚度與碘吸附器的相同，進而使取樣裝置引起的壓力降接近于碘吸附器排架的壓力降，實現“試驗罐流速應在業主設計規格書規定的平均吸附器設計流速的±10%內”這一驗收準則，確保取出的活性炭樣品具有代表性。

綜上所述，通過取樣裝置結構的合理設計，進而控制氣流分配特性和壓力降可以實現取樣裝置的代表性取樣。

5 思考與建議

外部縱向取樣裝置將所需取樣樣杯集于取樣箱內，結構上實現了小型化、模塊化，實際使用過程中節省了安裝空間。

根據試驗結果“相對于炭床阻力對流速差的影響程度來說，彎頭等連接管路可忽略不計”可知，連接管路連接的靈活性增加了該取樣裝置現場適用性。

該外部取樣技術使取樣樣杯數量及體積不再受空間所限，改善了取樣時的工作環境，減少了拆裝取樣器時的工作量，降低了輻照風險和防止表面污染。

外部取樣裝置最好設有參數監測手段，對取樣代表性進行定期評價。