核電站主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)案例研究

田 雷，陳文強(qiáng)

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

核電站主控室是核電站正常運(yùn)行和應(yīng)急事故工況下的指揮中心，對(duì)核電站的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。先進(jìn)壓水堆核電站一般要求在事故工況下主控室應(yīng)急可居留的時(shí)間為30 min或72 h，具體時(shí)間根據(jù)堆型設(shè)計(jì)而定。為了保證運(yùn)行人員在事故工況下免受輻射危害，主控室需要維持與相鄰區(qū)域的壓差為微正壓，以免放射性物質(zhì)擴(kuò)散至主控室，但由于空氣渦流等因素的存在，仍會(huì)有無過濾空氣(漏入空氣)擴(kuò)散至主控室，使主控室人員受到輻射傷害，而維持主控室正壓并不能定量的表征主控室的安全特性。隨著國家對(duì)核電安全越來越重視，國家核安全局規(guī)定先進(jìn)的壓水堆核電站都需要對(duì)進(jìn)入主控室的無過濾空氣量進(jìn)行定量測量，即進(jìn)行主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)[1-2]，以保證事故工況下主控室人員受到的輻射在可接受范圍內(nèi)。

美國ASTM E741—2011[3]推薦了三種測量空間泄漏率的方法，即：(1)濃度衰減法；(2)恒量注入法；(3)恒定濃度法。根據(jù)相關(guān)論文論證[4-5]，此三種方法均可對(duì)主控室的內(nèi)漏率進(jìn)行測量，綜合對(duì)比三種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)和國內(nèi)相關(guān)行業(yè)借鑒經(jīng)驗(yàn)[6]，主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)采用恒量注入法進(jìn)行測量。本文主要針對(duì)內(nèi)漏率試驗(yàn)的原理、試驗(yàn)過程和問題處理及改進(jìn)進(jìn)行研究，對(duì)于試驗(yàn)方法等其他論文已經(jīng)論證過的內(nèi)容不再重復(fù)說明。

1 主控室內(nèi)漏率測量基本原理介紹

主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)主要定量測量事故工況下，進(jìn)入主控室的無過濾空氣量，以保證在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，運(yùn)行人員受到的輻射在可接受范圍內(nèi)。

主控室通風(fēng)系統(tǒng)在事故工況下的運(yùn)行方式如圖1所示。

圖1 事故工況下主控室通風(fēng)運(yùn)行方式

正常工況下，新風(fēng)通過空氣處理機(jī)組直接供給主控室，當(dāng)檢測到高放射性信號(hào)時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)切換為事故工況運(yùn)行，新風(fēng)通過空氣凈化機(jī)組去除放射性物質(zhì)并與主控室的回風(fēng)混合，經(jīng)過空氣處理機(jī)組調(diào)節(jié)溫度后供給主控室，同時(shí)維持主控室的微正壓環(huán)境。

把主控室、空氣處理機(jī)組、空氣凈化機(jī)組及其連接風(fēng)管看成一個(gè)整體，對(duì)于這個(gè)整體，進(jìn)入的物料為新風(fēng)和漏入的空氣，排出的物料為漏出的空氣，根據(jù)物料平衡原理，二者相等，其中漏入的空氣主要為渦流帶入作用和系統(tǒng)負(fù)壓段進(jìn)入的空氣。主控室的物料平衡原理如圖2所示。

圖2 主控室物料平衡原理圖

主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)的計(jì)算原理如下：

(1)事故工況下，主控室維持恒定的微正壓，根據(jù)物料平衡原理(忽略空氣密度變化)，可以得出：Q漏出=Q新風(fēng)+Q漏入,因此，Q漏入=Q漏出-Q新風(fēng)。

(5)因此：主控室內(nèi)漏率

(1)

式中，Q為空氣體積流量，m3/h;Q′為示蹤氣體流量，m3/h;C為示蹤劑體積濃度，ppb(10-9)。

2 主控室內(nèi)漏率測量案例研究

2.1 主控室參數(shù)

試驗(yàn)核電站主控室的空氣容積為3 810 m3，空氣處理機(jī)組、空氣凈化機(jī)組連同風(fēng)管的容積為200 m3，以上兩項(xiàng)的總?cè)莘e為4 010 m3。

2.2 示蹤氣體的選擇

常用的示蹤氣體有氫氣、氦氣、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫、一氧化二氮、乙烷、甲烷、八氟環(huán)丁烷、一溴三氟甲烷、氟利昂-12、二氯四氟甲烷等。

考慮到主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)必須在主控室內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行、人員正常活動(dòng)的情況下執(zhí)行，且該試驗(yàn)要求示蹤氣體分析儀對(duì)示蹤氣體有高靈敏度，故示蹤氣體的選取應(yīng)滿足以下幾方面的要求：無毒、不易燃、惰性氣體、空氣中本底濃度極低、極低濃度時(shí)可測量、不易被各種類型的材料吸收、主控室內(nèi)存在的材料不會(huì)釋放出此類氣體等。因此，本試驗(yàn)采用六氟化硫作為試驗(yàn)用示蹤氣體。

2.3 示蹤劑注入點(diǎn)研究

表1 新風(fēng)風(fēng)量測量表

2.4 示蹤劑注入速率研究

(2)

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)主控室的SF6濃度長時(shí)間不能達(dá)到平衡，400 min后主控室SF6的濃度仍在持續(xù)增加，試驗(yàn)時(shí)間處于不可控狀態(tài)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由于主控室的自由容積達(dá)到4 010 m3，如果持續(xù)使用649.40 ppm的注入濃度，平衡時(shí)間將大大增加，影響主控室運(yùn)行人員的正常工作。因此需要改變示蹤劑的初始注入濃度，當(dāng)達(dá)到平衡點(diǎn)附近時(shí)，再改為以649.40 ppm的濃度注入，以維持示蹤劑在主控室的平衡狀態(tài)。

經(jīng)過多次試驗(yàn)不同濃度的注入，選定初始注入濃度為3 000 ppm，47 min后主控室示蹤劑濃度可以達(dá)到初步平衡，然后改用649.40 ppm的濃度注入，以使主控室的濃度達(dá)到ASTM E741—2011[3]要求的平衡狀態(tài)。采用3 000 ppm初始注入濃度的平衡監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 恒量注入法主控室平衡監(jiān)測曲線

2.5 平衡判斷研究

對(duì)主控室空間進(jìn)行取樣，以確定濃度的均一性和變化趨勢(shì)，但是由于試驗(yàn)是在主控室正常使用期間進(jìn)行的，房門開啟無法避免，濃度變化無法絕對(duì)趨于零，因此恒量注入法的平衡判定直接采用ASTM E741—2011[3]的標(biāo)準(zhǔn)公式：

(3)

當(dāng)主控室自由容積內(nèi)部示蹤氣體初始本底濃度為零時(shí)，以恒定速率向主控室內(nèi)注入示蹤氣體，主控室自由容積內(nèi)濃度達(dá)到95%平衡時(shí)間為：

(4)

式中，T95%平衡為達(dá)到95%平衡濃度所需時(shí)間，h；A為主控室換氣率(根據(jù)主控室人數(shù)確定)，1/h。

試驗(yàn)初始以3.09SLM的速率向新風(fēng)管線注入3 000 ppm的示蹤劑，47 min后以同樣的速率切換注入濃度為649.40 ppm的示蹤劑直至試驗(yàn)結(jié)束，期間每隔20 min取樣測量主控室示蹤劑的濃度。

根據(jù)公式(3)，計(jì)算平衡判定的依據(jù)為1.50×10-9，主控室示蹤劑平衡判定表列于表2，示蹤劑平衡監(jiān)測曲線見圖3。

表2 主控室示蹤劑平衡判定表

當(dāng)主控室示蹤劑濃度達(dá)到平衡時(shí)，主控室示蹤劑的濃度為79.90 ppb，根據(jù)公式(1)可得主控室的內(nèi)漏率，結(jié)果列于表3。

表3 主控室內(nèi)漏率測試結(jié)果

主控室示蹤劑濃度平衡時(shí)，測得機(jī)械間的示蹤劑本底濃度為23.78 ppb，通過修正因子修正后的主控室內(nèi)漏率列于表4。

表4 主控室內(nèi)漏率修正結(jié)果

修正后的內(nèi)漏率為38.04 cfm小于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)75 cfm，因此判定本次內(nèi)漏率試驗(yàn)為合格。

2.6 試驗(yàn)關(guān)鍵因素研究

本試驗(yàn)最初內(nèi)漏率試驗(yàn)并未合格，檢查主控室的門窗和貫穿件，發(fā)現(xiàn)全部密封良好。由于空氣凈化機(jī)組、空氣處理機(jī)組及其風(fēng)管也是內(nèi)漏率試驗(yàn)的邊界，因此將重點(diǎn)放到主控室外系統(tǒng)的檢查。經(jīng)過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢查，發(fā)現(xiàn)影響試驗(yàn)的關(guān)鍵因素為系統(tǒng)負(fù)壓段存在漏點(diǎn)，包括空氣處理機(jī)組和風(fēng)管的負(fù)壓段，存在嚴(yán)重的泄露，無過濾空氣通過這些負(fù)壓段的漏點(diǎn)直接進(jìn)入主控室，導(dǎo)致主控室的內(nèi)漏率不合格。

檢查整個(gè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)有如下幾種類型的泄露：

(1)試驗(yàn)邊界閥門泄露：試驗(yàn)邊界閥門內(nèi)管道與主控室構(gòu)成試驗(yàn)空間，邊界閥門為試驗(yàn)邊界，其是否泄露直接影響試驗(yàn)結(jié)果。此邊界閥門泄露為設(shè)計(jì)缺陷，需要更換零泄漏率閥門；

(2)空氣處理機(jī)組疏水管道泄露：為設(shè)計(jì)缺陷，U型管水封高度不夠?qū)е滦孤叮枰黾铀飧叨龋?/p>

(3)空氣處理機(jī)組檢修門和面板泄露：為設(shè)備缺陷，需要重新打膠密封泄漏點(diǎn)；

(4)風(fēng)管及其檢修門泄露：為建安缺陷，需要重新做風(fēng)管的嚴(yán)密性試驗(yàn)，找到漏點(diǎn)并封堵；

(5)系統(tǒng)上儀表管泄露：為建安缺陷，需要重新檢查儀表的安裝質(zhì)量。

經(jīng)過缺陷的整改，再次試驗(yàn)合格。由于主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)需要每6年執(zhí)行一次，而空氣處理機(jī)組的面板是采用密封膠形式密封，6年內(nèi)密封膠是否耐久和開裂是本試驗(yàn)存在的最大隱患，也是主控室人員可能受到輻射的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，已建議電站定期檢查空氣處理機(jī)組的密封情況或縮短試驗(yàn)時(shí)間，建議廠家對(duì)空氣處理機(jī)組的密封進(jìn)行改進(jìn)，比如采用焊接等方式。

2.7 試驗(yàn)重現(xiàn)性研究

恒量注入法的理論研究其他論文[4-6]已經(jīng)有所論述，本次應(yīng)用于主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)，通過試驗(yàn)的方式進(jìn)一步證明了其可行性，為了證明試驗(yàn)結(jié)果的非偶然性，使用不同的儀器和操作人員采用相同的方法再次進(jìn)行了試驗(yàn)，如果此試驗(yàn)具有良好的重現(xiàn)性，則可以在國內(nèi)核電站的新建或改造時(shí)推廣使用。

在示蹤劑對(duì)主控室的影響消除后，再次進(jìn)行了主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)，重現(xiàn)性監(jiān)測曲線如圖4所示。

圖4 恒量注入法重現(xiàn)性監(jiān)測曲線

當(dāng)主控室示蹤劑濃度達(dá)到平衡時(shí)，主控室示蹤劑的濃度為91.35 ppb，根據(jù)公式(1)可計(jì)算主控室的內(nèi)漏率，修正因子修正后的測試結(jié)果列于表5。

表5 重現(xiàn)試驗(yàn)內(nèi)漏率修正結(jié)果

修正后的內(nèi)漏率為29.01 cfm，兩次試驗(yàn)結(jié)果都遠(yuǎn)小于驗(yàn)收準(zhǔn)則75 cfm，證明恒量注入法有很好的重現(xiàn)性，可以在核電站主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)時(shí)推廣使用。

3 結(jié)論

本文通過恒量注入法在核電站主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)中的應(yīng)用研究，使該方法從紙面走向?qū)嶋H應(yīng)用，并取得了良好的試驗(yàn)效果，針對(duì)試驗(yàn)中存在的問題，優(yōu)化了試驗(yàn)方法并解決了設(shè)計(jì)和建安中存在的問題，為后續(xù)核電站主控室內(nèi)漏率試驗(yàn)提供了良好的經(jīng)驗(yàn)，具有推廣價(jià)值。本試驗(yàn)采用的恒量注入法只是三種試驗(yàn)方法中的一種，期待后續(xù)能夠?qū)⑵渌椒☉?yīng)用到試驗(yàn)中，或開發(fā)新的試驗(yàn)方法，以便通過實(shí)際試驗(yàn)的方式比較各方法的優(yōu)劣。