AP1000機組主控室可居留性內漏試驗解析

楊炯，操豐，高磊，雷春輝，袁會勇

（1.國核電站運行服務技術有限公司；2.國核示范電站有限責任公司，上海 200235）

AP1000是美國西屋公司設計的三代先進非能動型壓水堆，三門、海陽一期各建設了兩臺機組，由于來源于美國，在管理上，借鑒了美國核管會（NRC）的要求。傳統核電廠主控室一般設計為微正壓，該方法可有效維持主控室壓力邊界完整性，美國三里島事故之后，NRC對美國30%的核電廠主控室執行了主控室可居留性內漏試驗，發現只有一座核電廠主控室內漏數值小于執照許可，其余均存在不同程度的超標。NRC于2003年發了通用函件，向美國各核電廠提出了測定主控室內漏量的要求。目前，三門、海陽四臺AP1000機組順利完成了主控室區域內漏試驗，為后續開展華龍一號CAP1400主控室可居留性內漏試驗積累了重要的理論和實踐經驗。

1 主控室區域可居留性

1.1 核電廠可居留系統

為保護核電廠工作人員和設備免受氣載放射性和火災的危害并使相關區域的環境溫度保持在規定范圍內，AP1000設置了相關系統以保證人員的可居留性和設備安全可靠運行的條件。

在電廠可居留系統中包括了主控室應急可居留系統（VES），其它可居留系統有核島非放射性通風系統（VBS）、輻射檢測系統（RMS）、主交流電源系統（ECS）和消防系統（FPS）等。

設計基準事故后，主控室（MCR）的可居留性首先要保護運行人員免受放射性危害。AP1000設計基準事故的氣載源項來源于安全殼內泄漏出來的氣載裂變產物，以及假設從乏燃料池氣化產生的氣載裂變產物。MCR周圍的氣載裂變產物濃度是裂變產物衰減常數、安全殼泄漏率和氣象條件的函數，而MCR內的放射量除此之外，還取決于MCR壓力邊界內漏量。

1.2 主控室可居留區域

AP1000主控室可居留區域包括MCR和技術支持中心(CSA)，CSA承擔了部分MCR職能，在應急工況下向核電廠操縱員提供核電廠管理和技術支持；提供評估和診斷核電廠狀態的場所，避免MCR過于擁擠；解除操縱員承擔的與電廠操作無關的通信和輔助工作等。因此在執行主控室可居留性內漏試驗時，把CSA也列入可居留區域，由VBS系統維持其可居留性，MCR還有專設的VES系統。

1.3 主控室區域壓力邊界

MCR和CSA位于輔助廠房117'6"標高上，圖1為主控室壓力邊界示意圖，MCR由主控制區、運行工作區、運行休息區、值長辦公室、廁所等組成，圖1標識了主控室壓力邊界，明確哪些區域是被排除在邊界以外的。

圖1 主控室壓力邊界示意圖

主控室壓力邊界除了上述所示的實體邊界外，還包括通風系統邊界，在分析主控室可居留性時，通風系統邊界容易被忽略。主控室區域墻體貫穿件要采用密封設計，與混凝土接觸的貫穿套管外表面采用環氧樹脂填縫劑密封；套管內部，與管道、電纜等接觸的內表面采用密封組件進行密封，密封材料要求可以承受62.2Pa的壓力。圖2為HVAC貫穿件密封示意圖。實踐中，核電廠可能存在貫穿件密封材料使用不規范、材料不符合防火要求等問題。容易產生泄漏的位置除了貫穿件之外，還有風管焊縫、檢修艙門、空氣處理單元外殼、隔離阻尼器等，要切實組織邊界檢查，否則可能出現試驗不合格情況。

組織邊界檢查，其中的重點工作就是檢測貫穿件是否按照設計要求進行密封，執行時，首先獲取MCR和CSA貫穿件圖紙，然后標注所有的貫穿件，之后到現場實際查驗，確保在執行基準內漏試驗前沒有未處理的貫穿件。

1.4 主控室區域HVAC系統

VES系統是電廠專設的安全設施，為MCR提供可居留環境，以保證主控室工作人員可在事故后72h內監視事故進程，采取必要的事故緩解和電廠恢復措施，VES系統有4個VES應急空氣儲存模塊，每個模塊有8個儲存箱，共計32個儲存箱，儲存箱供給呼吸用干燥氣體。

圖2 HVAC貫穿件密封示意圖

在電廠正常運行時，不要求VES運行，由VBS系統為MCR、CSA等區域提供正常或者異常的通風空調服務，圖3為AP1000核電廠主控室通風系統原理圖。

如果電廠失去正常電源而導致VBS無法運行時，VES即為MCR提供人員呼吸條件，且提供非能動的熱阱功能，在72小時內保證這些房間溫度在規定范圍內。事故工況下，當MCR送風管道中探測到“高-高”粒子或碘放射性，或持續喪失廠用交流電源超過10min，也將啟動VES系統，為主控室人員提供可居留性環境。

2 示蹤氣體技術

2.1 技術原理

示蹤氣體測量方法的實質是用一定濃度的示蹤氣體標識某一部分氣流，并假定在這一氣流中示蹤氣體濃度均勻一致.則當這一氣流與其它氣流摻混時，示蹤氣體濃度變化即可代表各氣流所占比例，這類釋放方法特別適用于進入控制體的氣流入口很多，且流量不穩定可控的試驗中。

示蹤氣體的基本測量方法有三種：濃度衰減法，恒定濃度法和恒定流量法。這三種方法有各自的適用條件及對儀器設備的不同要求，但其共同之處都是在所研究的控制體內釋放示蹤氣體，以使控制體內原有空氣區別于從控制體外進入的空氣，這一特點必然要求示蹤氣體與控制體內空氣始終迅速混合均勻，以保證示蹤氣體濃度變化能表征控制體的換氣量，因而在這一類測量方法中，示蹤氣體在空間中的混合均勻性始終是需要關注的重要問題。目前國內的主控室可居留性內漏試驗是參照美國標準ASTM E741執行的，隨著實踐的積累和理論研究的成熟，國內執行標準《核電廠主控室可居留性內漏試驗》已經制定完成。

2.2 示蹤氣體選擇

示蹤氣體一般要求無毒無味，非易燃易爆，空氣中該氣體濃度較低，行業普遍使用SF6作為示蹤氣體，微量的SF6也能被氣相色譜儀檢測到，是通風系統性能試驗的理想示蹤氣體。

2.3 恒定流量法原理

圖3 AP1000主控室通風系統原理圖

目前示蹤氣體技術在核電廠主控室內漏試驗的應用，國內尚處于起步階段，只采用過恒定流量法。AP1000機組主控內漏試驗即采用恒定流量法，恒定流量法指的是將示蹤氣體以恒定速率注射到主控室區域，并測量主控室區域內示蹤氣體濃度隨時間的變化。當示蹤氣體濃度達到平衡時，用平衡濃度來計算進入主控室區域的總氣流量，其計算模型見圖4。

圖4 恒定流量法原理示意圖

根據示蹤氣體質量守恒定律計算：

式中，V為主控室區域體積（m3）；C(t)為主控室區域內示蹤氣體濃度（m3/m3）；S(t)為示蹤氣體釋放速率（m3/h）；Qinput(t)為待測區域與外界的空氣交換總量（m3/h）；C0為外界的示蹤氣體濃度（m3/m3）；t為時間（h）。

恒定流量法，S(t)=const，忽略外界示蹤氣體濃度，假設Qinput(t)為常數，得出：

經過足夠長時間后，指數衰減為零，C(t)達到平衡，即可得出：

可以看出，主控室區域內示蹤氣體濃度先隨時間增加而增加，最終達到穩定，如圖5所示。根據ASTM E741，達到平衡的時間大約是3/A的時間，A是主控室區域換氣次數，見公式（4），此時主控室區域內示蹤氣體濃度達到了最終平衡濃度的95%。

圖5 濃度增長曲線

達到平衡的時間Teq=3/A，

式中，A換氣次數（1/h）。

如果主控室區域新風量很低，對應的換氣次數也很低，則主控室區域示蹤氣體達到平衡濃度的時間會很長，這對試驗執行將是一個重大挑戰，這時可使用濃度衰減法進行試驗，恒定濃度法在操作上存在較大難度，實際使用較少。但工程實踐中，不推薦使用濃度衰減法，濃度衰減法雖然操作簡單，但在其計算過程中，需要以主控室區域自由體積為輸入參數，而自由體積通常較難估計，會給試驗結果帶來較大的不確定度。

新風量Qm測量可以使用通風系統原設計的流量測量設備，例如皮托管或者風速儀等，在AP1000機組實踐中，為了獲得更高的精度，依照標準ASTM E2029采用了示蹤氣體方法，其原理是通過在新風管上游連續的引入已知濃度的示蹤氣體，然后測量注入點下游的示蹤氣體濃度，該濃度值與管道流量成反比，圖6為其計算原理圖。

圖6 新風量計算原理圖

內漏量即為：

3 試驗執行

3.1 試驗準備

在執行AP1000主控室內漏試驗時，無論是VBS系統試驗還是VES系統試驗，都有眾多先決條件，試驗執行前，應按照設計文件、試驗技術規格書要求把主控室區域及相鄰區域HVAC系統配置到適當的參數上。

在首次執行主控室內漏試驗前需進行主控室區域邊界檢查，識別邊界或組件上的會產生內漏的缺陷，以進行試驗前維修或者設計變更。

首次執行主控室內漏試驗前允許采取行動使主控室區域和相關系統性能表現與執照基礎一致，但執行后續定期試驗時，可采取的措施是有限的。

定期試驗執行前允許采取永久性行動，例如永久性密封管道、外殼或空氣處理單元；不應對主控室區域和相關通風系統進行預調節，例如更換門密封條或臨時性修復、或在執行試驗之前采取強化主控室區域邊界完整性的活動。因為采取這些措施意味著核電廠主控室可居留性程序沒有發揮應有的作用，也可能是主控室區域維修和可居留性評估間隔太長。只有真實的內漏測量，才能對主控室區域和相關通風系統的完整性進行評估，并確定主控室可居留性程序的有效性。

3.2 濃度均勻措施

使用示蹤氣體技術的一個重要假設是示蹤氣體與被測區域內空氣充分混合均勻，這個過程美國多數核電站需要0.5～2小時，在AP1000機組上，這一時間要長，因此需要采用風扇輔助混合，主控室區域也需要適當的布置。通過主控室區域內不同位置的取樣，可以判斷出混合情況，主控室區域內示蹤氣體濃度相對標準偏差可以容易的達到在±10%，達到±2%也是有可能的。

3.3 濃度分析

試驗時在HVAC系統適當位置上注入示蹤氣體，為了確保主控室區域內示蹤氣體濃度快速接近平衡濃度，可先進行高濃度示蹤氣體注射、然后切換到低濃度示蹤氣體，需要精確把握高濃度示蹤氣體注射時間，高濃度示蹤氣體一旦注射過量，可能需要較長時間主控室區域示蹤氣體濃度才能衰減到平衡濃度，導致試驗超期。

平衡之后，開始正式取樣，可使用一次性聚丙烯注射器作為取樣容器，MCR和CSA房間內的樣品可以直接手動收集，HVAC管道上的樣品可以使用專為現場研發的取樣系統進行取樣。取樣期間不允許開關主控室邊界門。

取得的樣品用專門為現場試驗研制的氣相色譜儀進行分析，氣相色譜儀使用前需要用標準氣體進行標定，以確保把儀器基線漂移和靈敏度改變降到最低。

3.4 不確定度計算

內漏量測量和管道流量測量結果的不確定度計算是根據ANSI/ASME Standard PTC 19.1完成的，使用置信區間法，因為基于成本和操作上的考慮，一般不可能重復進行試驗，來獲得足夠的內漏量數值進行統計分析，因此僅進行基于標準差計算的不確定性分析。

3.5 試驗結果與問題分析

由于試驗執行經驗、試驗準備、主控室區域HVAC設計等原因，可能會出現內漏量數值超過驗收標準的情況，這時往往需要采取相應的措施，例如進行設計變更、系統組件維修等，然后重新進行試驗。由于試驗期間需要進行MCR、CSA區域管制，對正常全面開展核電廠調試或運行工作有一定影響，因此試驗前要進行充分的條件準備。

試驗中，多項數據測量的精確性對于試驗結果影響較大，因此要重點關注，例如示蹤氣體注射時使用的質量流量控制器，準確度應在±2%以內。

要提前考慮MCR、CSA區域內示蹤氣體濃度分布均勻問題，要采取必要的空氣混合措施，并合理布置取樣測量點。

3.6 壓差測量

測量主控室可居留區域相對于其相鄰區域壓差，以評估主控室內漏來源和相關通風系統的運行情況。

壓差測量一般在平衡之前，在MCR、CSA房間放置一臺絕壓表，每分鐘記錄一次壓力數值，然后用另一臺絕壓表測量周圍區域或房間壓力，最后需進行數值漂移和壓差修正。

4 結語

綜上所述，AP1000機組采用恒定流量法，以SF6作為示蹤氣體，進行主控室內漏試驗，取得了良好的實踐結果，恒定流量法理論和實踐成熟，且計算過程中，不需要以主控室自由體積為參數，應作為國內執行主控室內漏試驗的首選方案。在執行主控室內漏試驗前，應制定詳細的邊界檢查方案，仔細確認壓力邊界完整性，否則可能出現超出預期的試驗結果。AP1000機組主控內漏試驗推動了國內主控室可居留性標準化體系建設，為后續CAP1400機組、華龍一號機組主控內漏試驗提供了充分的理論和經驗指導，具有十分重要的意義。