“華龍一號”安全殼過濾排放系統性能試驗研究

劉長亮，朱京梅

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠發生嚴重事故后其安全殼內的壓力會逐漸升高，在安全殼冷卻系統失效的情況下，最終可能會因超壓而破壞安全殼的完整性，造成放射性物質的外泄[1]。“華龍一號”安全殼過濾排放系統采用主動卸壓方式降低安全殼內壓力，從而使安全殼內壓力不超過其承載限值，確保安全殼的完整性；同時為了防止排放氣體對環境造成放射性危害，在安全殼過濾排放系統的卸壓管線上設置過濾裝置對排放氣體中的放射性物質進行過濾。

根據“華龍一號”堆型對安全殼過濾排放系統的設計要求，開展了系統和設備的研發設計和試驗工作，本文主要針對關鍵設備文丘里水洗器和金屬纖維過濾器的單獨過濾效率和整體串聯過濾效率開展了試驗研究和分析工作。

1 安全殼過濾排放系統

安全殼過濾排放系統在嚴重事故后確定需要開啟時，排放氣體依次通過文丘里水洗器和金屬纖維過濾器進行過濾后排入大氣。金屬纖維過濾器下游設置一個限流孔板，在較大的系統壓力變化范圍內，限流孔板處于臨界流動狀態，系統排放的體積流量基本保持不變，從而保證在排放過程中文丘里水洗器和金屬纖維過濾器內部的流速基本恒定，進而保證較高的過濾效率。

1.1 文丘里水洗器

文丘里水洗器是安全殼過濾排放系統中的關鍵設備之一。需要根據文丘里管的除塵、除氣以及流動性能合理選擇文丘里管數量，并設計最佳的布置方式，保證流量分配均勻和流動穩定性。根據系統36 h的運行要求，需要綜合考慮系統初始投入運行階段和穩定運行階段的溶液裝量變化規律，確定溶液初始裝量。根據溶液初始裝量計算結果，再結合文丘里管布置方式，確定文丘里容器的總容積以及外形尺寸。

系統初始溶液裝量需要考慮在12 h排氣過程中，初始階段內由于蒸汽冷凝所導致的溶液冷凝量；同時，還要考慮溶液達到飽和溫度后，在高溫氣體顯熱和衰變熱的作用下的溶液蒸發量，再結合系統效率所要求淹沒深度等要求，以及實際運行過程中液位波動和冗余量等因素來確定水裝量。

1.2 金屬纖維過濾器

金屬纖維過濾器是核電廠安全殼過濾排放系統中的第二級過濾設備，主要用于去除未被文丘里水洗器滯留的微細氣溶膠和隨氣流攜帶出的微米級霧滴。經過金屬纖維過濾器過濾后，可以保證系統在較長的運行時間內具有高效的液滴分離及氣溶膠去除能力。

1.3 系統和設備設計目標

針對“華龍一號”機組，基于NUREG-1465的嚴重事故源項[2]，計算得到嚴重事故24 h時刻安全殼大氣中的核素質量，作為最初的設計輸入。NUREG-1465說明，安全殼中的碘95%以氣溶膠狀態的CsI存在，4.85%為元素碘，僅0.15%為有機碘。因此系統核心目標是氣溶膠過濾效率不小于 99.9%，元素碘過濾效率不小于99%。

2 綜合試驗平臺

為了驗證文丘里水洗器單獨的過濾效率以及和金屬纖維過濾器在串聯工作下的過濾效率，根據安全殼過濾排放系統的相關參數，設計并建造了安全殼過濾排放系統試驗平臺，如圖1所示。

該試驗平臺由蒸汽供給系統、空氣供給系統、文丘里水洗器試驗體、金屬纖維過濾器試驗體、高性能數據采集系統等組成。為模擬嚴重事故條件下安全殼內的大氣環境，該系統配備了氣溶膠、碘和有機碘的配送系統，能夠向試驗回路內配送一定壓力、濃度的氣溶膠、碘和有機碘。同時，該試驗平臺還配備了氣溶膠、碘和有機碘的取樣測量系統，能夠保證過濾設備前后氣體的取樣和濃度的準確測量，從而完成文丘里水洗器和金屬纖維過濾器的綜合過濾性能試驗。

根據前期文丘里管流動和過濾試驗結果，文丘里管喉部氣速在220 m/s的條件下，其過濾效率最高，綜合性能最優[3]。已知額定工況下系統排氣總流量為4 kg/s，計算所需文丘里管數量為 36根。36根文丘里管完全一致，且通過設計保證流量分配的均勻性，因此選擇一根文丘里管進行試驗即可，故試驗在1/36排放流量條件下進行測試。

圖1 安全殼過濾排放系統試驗平臺示意圖Fig.1 The flow chart of the test platform for the containment filtration and exhaust system1—空壓機；2—儲氣罐；3—截止閥；4—電鍋爐；5—截止閥；6—混合罐；7—調節閥；8—文丘里水洗器試驗樣機；9—截止閥；10—金屬纖維過濾器試驗樣機；11—截止閥；12—限流孔板

2.1 氣溶膠過濾性能試驗

為了驗證系統對氣溶膠的過濾性能，需要將氣溶膠樣品配送至試驗系統，然后在系統的上下游取樣測量，分析濃度變化計算過濾效率。

為了滿足不同氣溶膠濃度的測量需求，本試驗中系統入口氣溶膠濃度采用濾膜稱重法測量，而出口濃度采用粒子計數法測量。以此驗證文丘里水洗器和整體過濾排放系統對氣溶膠的過濾效率。

2.2 碘過濾性能試驗

為了驗證系統對單質碘的吸收性能，需要將碘蒸氣配送至試驗系統，然后在系統的上下游取樣測量，分析濃度變化計算吸收效率。

碘檢測系統分別設置在文丘里水洗器的進、出口，用以監測進、出口碘的濃度，以此驗證文丘里水洗器的碘過濾效率。

3 文丘里水洗器樣機單獨試驗結果

文丘里水洗器試驗樣機用于測試文丘里水洗器的過濾效率，內部安裝有文丘里水洗器的一個文丘里管樣件，樣件尺寸參數與原型機相同，運行參數以及流動參數也與原型機中所使用的文丘里管相同。

將空氣與蒸汽按照一定配比通入文丘里水洗器試驗樣機，使溶液的溫度升高，并最終穩定在相應分壓力所對應的飽和溫度，然后通過調節過濾排放系統出口閥門的開度，來控制整個系統的運行壓力。

在額定入口壓力和溫度條件下，文丘里水洗器樣機對氣溶膠的過濾效率在 99%以上，滿足水洗器的單級過濾效率要求。

試驗中在額定溫度和壓力條件下對文丘里水洗器樣機的碘吸收效率進行測試，碘過濾效率在額定入口參數條件下，去除效率達到99.5%以上，滿足過濾排放系統的技術要求。

4 金屬纖維過濾器樣機試驗方法和結果

4.1 金屬纖維過濾器的組成

金屬纖維過濾器主要用于去除未被文丘里水洗器滯留的微細氣溶膠和隨氣流攜帶出的微米級霧滴，要求同時滿足除濕、除塵和容塵三方面性能要求。經過理論分析和初步試驗，金屬纖維過濾器采用預過濾單元和精過濾單元兩級過濾的方式。預過濾單元主要起除濕和容塵的作用，精過濾單元進一步提高過濾效率，以保證能對亞微米級的氣溶膠微粒進行有效去除。預過濾單元選用絲徑為約20 μm的不銹鋼纖維為濾層材料，精過濾單元選用約6 μm的不銹鋼纖維。

4.2 試驗方式簡介

除濕性能試驗主要采用稱重法測量經過被測預過濾單元時過濾下來的液體質量，將這部分液體質量與輸入的總的液體質量進行比較，就可以獲得預過濾單元的除濕效率。

在對纖維過濾器容塵性能研究時，參考目前國內外相關的容塵標準，并結合金屬纖維過濾器的容塵量要求，確定容塵終止條件，并通過試驗分析不同絲徑的纖維組合結構及氣溶膠濃度的改變對金屬纖維過濾器容塵量及阻力特性的影響。在此基礎上，確定滿足容塵量技術指標要求的金屬纖維過濾器纖維濾層組合結構。

除塵效率試驗采用高效空氣過濾器的性能試驗方法，首先對平均粒徑大約0.3 μm的氣溶膠過濾效率開展試驗。為了進一步提高金屬纖維過濾器的過濾效率，又繼續開展了對最易穿透粒徑0.1～0.3 μm氣溶膠的過濾效率檢測。

4.3 試驗結果及說明

本項目研究了不同纖維組合工況下濾層厚度對除濕效率和阻力的影響，以及迎面風速變化對除濕效率的影響。通過除濕性能試驗篩選，初步確定預過濾單元的濾層纖維組合。通過容塵性能試驗研究，適當調整了預過濾單元部分濾層的厚度。通過除塵效率試驗研究確定精過濾單元的濾層組合。試驗結果表明除濕、容塵和除塵三個方面的性能均滿足技術要求。對平均粒徑大于 0.3 μm 氣溶膠的過濾效率可達到99.7%以上；當氣溶膠平均粒徑大于0.5 μm時，其過濾效率可達到 99.9%以上；當迎面風速為0.25 m/s時，即使在最易穿透粒徑 0.1～0.3 μm的范圍內，過濾效率可達到99.9%以上。

5 水洗液穩定性試驗

安全殼過濾排放系統采用的是質量濃度0.5%的NaOH與0.2%的Na2S2O3的水洗溶液。水洗溶液的熱穩定性和輻照穩定性是影響水洗效率的關鍵指標。0.5%的 NaOH與 0.2%的Na2S2O3的水洗溶液在常溫下具有很好的穩定性。在溶液被加熱到 180 ℃的情況下，水洗溶液放置 15天，除碘能力是新溶液除碘能力的98.9%。將 0.5%NaOH + 0.2%Na2S2O3的標準水洗溶液放入恒溫爐，并將溫度控制在 160 ℃，放入鈷源房中進行輻照。“華龍一號”堆型嚴重事故后水洗液可能遭受的輻照累積劑量約為3 × 105Gy，試驗表明在累積劑量約 4 × 105Gy時，水洗液仍然保持著較高的濃度，在高溫下表現出較好的耐輻照性能。

6 整體試驗方案和結果

在串聯條件下對系統的氣溶膠、碘和有機碘的過濾性能以及氣溶膠和碘的再懸浮性能進行驗證，試驗中以文丘里管喉部流速和金屬纖維截面表觀流速作為參考量，在設計參數范圍內改變系統溫度和壓力，驗證不同條件下系統的過濾性能。驗證試驗分為常溫常壓和高溫高壓兩種工況。

6.1 氣溶膠過濾性能驗證

6.1.1氣溶膠過濾效率驗證

在常溫空氣介質和高溫空氣—水蒸氣介質條件下，安全殼過濾排放系統的氣溶膠過濾效率均達到了99.99%以上。

6.1.2氣溶膠再懸浮率驗證

為了研究溶液中氣溶膠的再懸浮特性，試驗中采用電加熱的方法來模擬衰變熱功率，并對系統出口的氣體進行取樣，測量氣流中氣溶膠的濃度，進而獲取氣溶膠的再懸浮率結果。

根據三次測量結果所得濃度的平均值，作為系統靜置過程中再懸浮氣體中的氣溶膠濃度平均值，根據試驗中的加熱功率下液體蒸發攜帶出氣溶膠的總量，計算得到氣溶膠的再懸浮率為0.001%，該再懸浮率低于試驗技術要求的懸浮率0.003 4%。

6.2 碘過濾性能驗證

6.2.1碘過濾效率驗證

文丘里水洗器與金屬纖維過濾器在串聯條件下對碘的去除效率試驗主要包括常溫常壓和高溫高壓兩部分，在文丘里水洗器和金屬纖維過濾器串聯后碘的過濾效率同樣維持在 99.5%以上。

6.2.2碘再懸浮性能驗證

與氣溶膠的再懸浮試驗相同，測量氣流中碘的濃度，進而獲取碘的再懸浮率結果。根據測量結果，在測量儀器檢測限范圍內，出口碘濃度為 0。為了進一步保守計算，假設出口碘吸收液的吸光度為分光光度計的檢測限0.001，由此計算碘的再懸浮率約為 0.06%。該再懸浮率遠小于試驗技術要求懸浮率0.1%。

7 結論

針對文丘里容器和金屬纖維過濾器的過濾性能所開展的研究工作表明，試驗方法、試驗過程合理有效，試驗結果可以接受，設備的配置和設計方案滿足“華龍一號”核電機組的系統設計要求。

前期文丘里管流動和過濾試驗結果表明文丘里管喉部流速約220 m/s時，過濾效率最高，綜合性能最優。對于金屬纖維過濾器，供貨商按照金屬纖維過濾器規格書要求進行金屬纖維的組合，無需再進行性能試驗。因此對于下一個華龍項目而言，僅需要對文丘里管的流速進行測量和驗證，而不需要再進行其他性能試驗，測量文丘里管喉部速度是否滿足要求即可。