新風量對主控室可居留性的影響分析及優化

王夢溪，劉新建，邱 林

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840;2.國家核應急響應技術支持中心，北京 100071)

主控室和應急控制中心等場內應急設施作為核電廠重要的應急場所，必須采取適當措施和提供足夠的信息保護室內工作人員，防止事故工況下形成的過量照射、放射性物質的釋放或有毒氣體之類險情的繼發性危害，以保持其采取必要行動的能力。《核動力廠設計安全規定》、《核電廠營運單位的應急準備與應急響應》、《核動力廠場內應急設施設計準則》[1-3]等法規標準均針對應急設施可居留性提出了較明確的設計要求。應急審評過程也對相關問題進行了持續關注[4-5]。除了設施的位置、布局外，可居留性系統特別是通風空調系統(HVAC)的設計，對事故條件下人員受照劑量的影響是最直接的。本文暫不研究有毒有害氣體對主控室可居留性的影響，僅關注放射性方面。

目前國內核應急設施的可居留性評價主要依據美國核管會(US NRC)發布的技術導則RG 1.195和NUREG/CR-6210[6-7]。圖1給出了主控室可能被放射性污染的途徑。影響人員受照劑量的因素很多，設計人員在方案設計階段也努力從各方面進行嘗試和改進，以提高其可居留性。如隔離增壓過濾、隔離再循環過濾、隔離增壓再循環過濾、雙進風口和采用罐裝空氣等[8]。

圖1 主控室放射性污染途徑Fig.1 Schematic diagram of air flowinto the control room

我國核電站起步較晚，在早期的大亞灣和秦山核電廠設計中，主要沿用了法國M310機組的方案，采用較為簡單的新風過濾(隔離過濾)系統方案，未設置內部循環過濾裝置。在后來機組的設計和評審過程中，發現其中存在的一些不足，如非過濾滲入考慮不夠保守，正壓不能夠有效維持等。這些現象在美國電廠的實際測試后[9]更加受到重視。于是在后續的機組設計中努力進行改進，包括設置事故工況下的雙進風口、重新布局可居留區域(CRE)、提高可居留區域的密閉性、優化系統的新風量等[10]。

不同的主控室設計參數均對人員受照劑量有直接的影響，且這些參數之間也相互影響制約，限于篇幅，本文將主要的研究方向集中在新風量的優化。考慮到由于新風量不僅直接影響放射性物質的引入和排出速率，在設施建造完成后(縫隙等影響非過濾滲入的特征已經定型)又影響CRE區域內的正壓值，進而影響非過濾滲入風量的多少。另外風量的改變和優化在工程上具有經濟性強和易于實施等優勢。通過新風量的優化分析，能夠為主控室和應急控制中心等場內應急設施HVAC系統的設計和優化提供一定參考。

本文首先對主控室內人員受照劑量的計算方法進行了簡單的討論，分別分析了環境釋放源項以惰性氣體為主、以氣溶膠和碘為主以及兩者并存三種情況下主控室人員受照劑量的基本特征及其隨新風量的變化情況。在此基礎上，結合典型的冷卻劑喪失事故(LOCA)源項和主控室的設計特征，分析了最優風量是否存在，并討論了相關參數的不確定性。

1 計算原理

RG1.195[6]給出了主控室僅通過氣載途徑從外界引入放射性物質情況下的室內核素濃度變化過程，用式(1)表示：

Ri-(λr1+λr2+λr3)·Ai

(1)

下文分別討論事故源項以惰性氣體為主、以氣溶膠和碘為主以及兩者并存三種情況下主控室人員受照劑量的基本特征及其隨新風量的變化情況。

1.1 惰性氣體

過濾器一般不能有效地去除惰性氣體，即新風過濾和循環過濾對惰性氣體均不起作用。忽略核素衰變，僅考慮一種進氣途徑，式(1)可以簡化為：

(2)

容易看出，對于惰性氣體，當進氣口處新風濃度與控制室內的核素濃度相同時，達到平衡狀態。但進氣速率越大，室內外的濃度會越快到達平衡狀態，人員所受照射劑量也越大。

對于一些雙層安全殼并帶有過濾器的機組，主控室和應急控制中心對應的事故源項以惰性氣體為主，可以看出簡單地減少新風量是一種相對可行的方式。

1.2 氣溶膠和碘

對于放射性碘和氣溶膠，由于過濾器和非過濾滲入途徑的影響，情況將會有所不同。參考我國核電廠主控室和應急控制中心HVAC系統的設計經驗，新風量一般為幾百至幾千m3/h，多數設施缺少非過濾滲入途徑的實測數據，一般參照美國SRP6.4節和相關技術文件的推薦，認為開關門引起的非過濾滲入量為17 m3/h[3,11]。而新風過濾器(暫不考慮循環回風過濾)對氣溶膠和碘的過濾效率較高，典型值為1000倍和100倍，筆者了解到相關實驗測定(2016—2017年)表明，即使受到老化等因素的影響，實際設施中的過濾器也能夠較好地滿足上述過濾效率。即新風量為1 000 m3/h時，對于氣溶膠(碘，銫等)有效引入風量僅為1 m3/h，遠小于非過濾滲入量，即非過濾滲入途徑起主導作用。這還是在設施的非過濾滲入量滿足設計要求的前提下，如果非過濾滲入量更大(根據國內外的實驗結果，這種現象普遍存在)，這種趨勢將更加明顯。而放射性物質的排出速率，仍然是新風量占據主導地位。

將式(1)進行適當簡化，可以得到：

(3)

從這個方程不難看出，在上述假設條件下，設施內放射性氣溶膠濃度的增加速率，可近似認為是一個定值，而其去除速率，與新風速率成正比。增加新風量將有助于降低設施內的放射性污染物平均濃度和人員受照劑量。

對于后處理廠等設施的主控室和應急控制中心，由于處理的乏燃料經過多年的貯存，除了臨界事故外，基本上以氣溶膠為主，因此適當增加新風量可有效降低人員受照劑量。

1.3 混合源項

以上分別討論了惰性氣體和氣溶膠占主導地位時的情況。盡管現實中也有很多實例，但更普遍的情形是兩者同時存在。特別是對于壓水堆核電廠而言，設計中一般要考慮LOCA事故，假定堆芯發生大規模熔化，全部惰性氣體和大部分鹵素、部分銫和其他氣溶膠釋放到安全殼內。向環境釋放的核素包含了惰性氣體和大量的放射性氣溶膠。從理論上講，在適當條件下，如果惰性氣體和氣溶膠對設施內人員造成的劑量具有可比性，那么由于惰性氣體造成的外照射劑量隨風量的增加而增加，氣溶膠造成的吸入內照射劑量隨風量的增加而降低，應該可以找到一個最佳的風量，使人員在事故期間受到的總有效劑量最小，這也是本文研究的重點。這里必須指出，這個結果受到多方面因素的影響，與事故源項核素組成有關，同時與設施的具體HVAC設計方案和參數密切相關。下一節將以LOCA事故為例，嘗試尋找這個最優風量。

2 LOCA事故算例分析

2.1 模型建立

本文以LOCA事故為例，采用NUREG-1465報告中給出的安全殼內源項釋放份額[12]，假定噴淋與自然沉積作用使碘和氣溶膠在安全殼內濃度降低1 000倍，分子碘和氣溶膠的過濾效率為0.999，有機碘的過濾效率為0.99，安全殼以設計基準泄漏率(前24 h基準泄漏率為0.3%/d，24 h后減半)向環境泄漏。從釋放點至新風口處的彌散因子，保守取表1中的數值。

如前文所述，非過濾途徑的滲入速率，是一個相對較難確定的參數，工程實踐中一般假定對開關門引起的非過濾滲入速率為17 m3/h。而考慮到隨著新風量(換氣次數)的變化，整個區域內的正壓也將隨之變化，理論上非過濾滲入量將會減少，但目前很難有一個很準確的函數關系，粗略地假定非過濾滲入量隨風量的變化滿足如下關系：主控室自由容積取3 000 m3，在新風量為0時，非過濾滲入量為60 m3/h，風量為9 000 m3/h時，非過濾滲入量降低至10 m3/h，中間進行簡單線性插值[13-14]。基于NUREG-1465中給定的嚴重事故源項，計算事故后主控室人員受照劑量隨新風量的變化曲線如圖2所示。

表1 大氣彌散因子 (s/m3)Tab.1 Atmospheric dispersion factors (s/m3)

圖2 事故后主控室人員受照劑量隨新風量的變化(氣溶膠和碘去除1 000倍，Qin線性插值)Fig.2 Evolution of control room operator doseversus filtered intake flow rate (1 000 reductionfactor for aerosols and iodine)

可以看出，對于惰性氣體起主導作用的外照射，人員受照劑量隨著新風量的增加而增加。而對于碘和氣溶膠占主導作用的吸入內照射，人員受照劑量整體上隨著新風量的增加而降低。在新風量大約為400 m3/h時，外照射途徑對人員造成的有效劑量與吸入內照射基本相等。而對于總有效劑量，呈現一個預想中的U型，即開始隨風量的增加而降低，之后隨著風量的增加而升高。

對于圖2而言，風量在大約800～1 000 m3/h時人員受照劑量最低。在上述模型中，設計上選取約1 000 m3/h的新風量是較為適宜的。

2.2 敏感性分析

如前面1.3節所述，上節中LOCA事故模擬計算存在最優風量，是諸多因素共同作用的結果，具有一定的偶然性。影響因素主要包括源項核素比例、非過濾滲入量和是否考慮循環回風過濾等，本節分別針對上述因素進行敏感性與不確定性分析。

2.2.1源項核素比例變化的敏感性分析

特定的源項核素組成發生變化，可能導致吸入內照射和外照射綜合作用的結果也不同。仍采用NUREG-1465中給定的嚴重事故源項，假定噴淋與自然沉積作用使碘和氣溶膠在安全殼內濃度僅降低100倍，即氣溶膠和碘的核素份額增加，惰性氣體、氣溶膠和碘的核素組成比例發生了變化，其他假定與2.1節一致，分別給出了非過濾風量隨新風量線性變化、非過濾風量恒定(敏感性分析分別取1.7 m3/h 、17 m3/h 、170 m3/h)四種情形下主控室人員受照劑量，計算結果如圖3所示。

圖3 事故后主控室人員劑量隨新風量的變化曲線(氣溶膠和碘去除100倍)Fig.3 Evolution of control room operator dose versus filtered intake flow rate(reduction factor 100 for aerosols and iodine)

可以看出，由于去除倍數降低后，氣溶膠和碘在源項核素組成中所占比例更高，吸入內照射途徑對劑量結果起主導作用。導致在新風量較小時，總有效劑量明顯超過0.1 Sv，且隨新風量的增加迅速降低。當非過濾滲入風量增大時，總有效劑量也隨之增大(如圖3中(c)和(d))，但總體來說新風量小于1 000 m3/h時，總有效劑量隨著新風量的增加而迅速降低，新風量高于1 000 m3/h后劑量趨于穩定。

為盡可能地降低事故后主控室內的人員受照劑量，對于以上假設，設計中保證1 000 m3/h以上的新風量似乎是必要的。針對其他事故源項的進一步分析表明，核電廠多數事故源項對應急設施內人員受照劑量的貢獻主要來自吸入內照射。

但這里有一個前提，就是前文所取的較大的非過濾風量與較高的過濾器效率，導致吸入內照射的主要來源是非過濾滲入途徑。如果設計上能夠保證非過濾風量小到可以忽略(敏感性分析取降低10倍即1.7 m3/h)，那么應急設施HVAC系統的新風量在保證人員正常呼吸的前提下，應該盡量降低(如圖3(b))，但在實際工程上實現起來難度極大。非過濾滲入風量是很難降低和消除的，除了密封性本身的問題，還有事故期間人員進入CRE區域開關門動作帶來的影響。

2.2.2循環回風過濾的影響

增加循環風過濾系統，可持續有效去除設施內的放射性氣溶膠，可有效降低事故后人員所受劑量。循環回風過濾系統能將區域內所有來源的氣溶膠和碘保持在一個相對穩定的快速去除速率。典型的循環過濾帶來的內部換氣速率為0.1～1/h，這樣的去除速率能夠在很大程度上彌補非過濾滲入途徑的影響，對CRE區域內正壓的維持要求會進一步降低。仍然以NUREG-1465中給定的嚴重事故源項為例，假定噴淋與自然沉積作用使碘和氣溶膠在安全殼內濃度降低100倍，設施內持續存在1 000 m3/h的循環過濾風量，其他計算參數不變，結果如圖4所示。與圖3相比可以看出，設置循環過濾系統時人員有效劑量與未設置循環過濾系統相比有顯著降低。

圖4 循環過濾對劑量結果的影響氣溶膠和碘去除100倍(循環過濾風量Qr=1 000 m3/h)Fig.4 Evolution of control room operator dose versus filtered intake flow rate with recirculation filters(reduction factor 100, recirculation rate Qr as 1 000 m3/h)

對循環過濾風量進行敏感性分析，結果如圖5所示。由圖5可知，非過濾滲入隨新風量變化或者非過濾滲入量較大時(圖5(a),5(c))，回風過濾風量越高，主控室人員的受照劑量越小；但若密閉性較好，如非過濾滲入量極小(1.7 m3/h，圖5(b))、沒有循環風過濾的情形下，隨著新風量的增加，室內人員受照劑量先減小后增加，存在最優風量(300 m3/h)。

表2給出了非過濾滲入隨新風量變化情形下，設置循環回風過濾與未設置循環過濾時人員受照劑量之比。新風量取600 m3/h、循環過濾風量取1 000 m3/h時，人員受照劑量約為未設置循環過濾系統時的一半；新風量一定時，循環風量越大，人員受照劑量則越小；但當新風量提高到一定值以后，人員受照劑量的降低越來越不顯著。

圖5 循環過濾風量敏感性分析(其他相關參數同圖3)Fig.5 Sensitivity analysis for recirculation rate of recirculation filters (other parameters are same as in Figer 3)

3 結論

本文結合典型的主控室設計特征和事故源項(基于NUREG-1465報告給定的安全殼內源項份額)，對可居留性系統的新風量進行了敏感性分析，同時分析了非過濾滲入隨新風量變化以及非過濾滲入固定時對主控室受照人員劑量的影響。

表2 不同循環過濾風量與未設置循環過濾時人員受照劑量之比Tab.2 Ratio of control room operator doses withrecirculation filters to without recirculation filters

本文的主要結論如下：

(1)新風量小于1 000 m3/h時可居留系統的新風量對應急設施內人員的可居留性影響較大。

(2)事故源項的核素組成不同，對主控室人員受照劑量的影響是完全不同的。對于放射性碘等氣溶膠，由于高效過濾器的存在，控制室內的濃度增加主要是非過濾滲入途徑的影響，而新風量的增加可以提高氣溶膠的排出速率，并且進一步降低非過濾滲入的速率，在未設置循環回風過濾系統的情況下，適當增加新風量是有利的；但對于惰性氣體，過濾器和非過濾滲入的影響都處于次要地位，提高新風量將會導致室內惰性氣體濃度的增加，進而增加人員受照劑量；如果既有惰性氣體，又有放射性碘和氣溶膠，那么就有必要進行系統的分析，盡量找到最優新風量的平衡點，使人員在事故條件下的受照劑量最低。

(3)在非過濾滲入速率相對固定或者很難進一步降低的條件下，增加循環回風過濾系統，對于降低設施內氣溶膠的含量是較為有效的方法。且適當增加回風過濾，效果更加明顯。非過濾滲入量隨新風量變化時，若新風量一定，適當增加循環風過濾有利于降低室內工作人員的受照劑量，但新風量高于一定值后，劑量降低越來越不顯著。若密閉性較好，非過濾滲入量極小，如取1.7 m3/h，沒有循環風過濾的情形下，隨著新風量的增加，室內工作人員的受照劑量先減小后增加，存在最優新風量(300 m3/h)；非過濾滲入量的增加，使得室內工作人員的受照劑量顯著增加，因此提高密閉性是減少劑量的有效手段。

本文分析了新風量的優化以及非過濾滲入與新風量的相互制約對人員受照劑量的影響，能夠為核電廠主控室可居留性系統設計方案的改進和優化提供參考。