核電站控制室內(nèi)漏率測量方法分析

白龍BAI Long；辛克XIN Ke

（①中國核電工程有限公司華東分公司，嘉興 314300；②中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 背景

核電廠發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后，控制室必須為操縱員提供可居留性。為滿足此要求，傳統(tǒng)核電廠都采用不同的手段來保證控制室相對于周邊區(qū)域維持一定的相對正壓，以此理論空氣只能通過控制室壓力邊界從室內(nèi)高壓側(cè)向室外低壓側(cè)單向流動(dòng)。設(shè)計(jì)人員只需關(guān)注保持控制室相對外界微正壓即可，而無需考慮室外空氣（嚴(yán)重事故后可能含有氣載放射性物質(zhì)）反方向滲透進(jìn)入室內(nèi)的可能性。

核電廠操縱員劑量分析的前提條件中，外部污染空氣向控制室的內(nèi)漏率是一個(gè)設(shè)計(jì)值。美國核管會于1991-2001 年間對其國內(nèi)約30%的取照核電廠的控制室邊界進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)測量內(nèi)漏率，結(jié)果幾乎所有核電廠控制室內(nèi)漏率實(shí)測值均大于其設(shè)計(jì)值[1]。

相關(guān)試驗(yàn)證明控制室劑量分析采用的內(nèi)漏率設(shè)計(jì)值并不保守。僅采用微正壓而不測量實(shí)際內(nèi)漏率的理論不能滿足控制室可居留性要求。美國核管會在2003 年發(fā)出通用信函[2]向各核電廠提出了利用示蹤氣體測量控制室實(shí)際內(nèi)漏數(shù)據(jù)的試驗(yàn)要求。

任何工況下操縱員的輻照劑量均不能超過設(shè)計(jì)值。基于這一實(shí)際要求，國內(nèi)核電站亦有測量控制室內(nèi)漏率的需求，本文通過試驗(yàn)?zāi)Ｐ完U明恒流量注入法測量內(nèi)漏率的原理，說明其測量控制室內(nèi)漏率的可行性，以期為國內(nèi)核電站內(nèi)漏率測量提供參考。

2 核電廠控制室內(nèi)漏率要求

以某核電廠為例：事故工況①下，控制室應(yīng)急可居留系統(tǒng)②投運(yùn)，外部污染空氣向主控室總內(nèi)漏不超過25.485m3/h，其中由人員出入主控室引起通過門廳的內(nèi)漏數(shù)據(jù)不超過8.495m3/h，這一假設(shè)可以不通過試驗(yàn)直接予以認(rèn)可（主控室采用雙層密封門單獨(dú)試驗(yàn)驗(yàn)證其密封性）；但通過其他潛在泄漏途徑產(chǎn)生的內(nèi)漏量不超過16.990m3/h，這一設(shè)計(jì)值需要通過示蹤氣體試驗(yàn)驗(yàn)證[3]。

3 原理分析

3.1 實(shí)際模型概述

如圖1 所示為某控制室簡化圖示，核電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)（外界空氣無氣載放射性物質(zhì)），正常通風(fēng)系統(tǒng)投運(yùn)給控制室操縱員提供可居留環(huán)境。若核電機(jī)發(fā)生故障，外界空氣可能會含有氣載放射性物質(zhì)，此時(shí)正常通風(fēng)系統(tǒng)停運(yùn)，應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)（高壓氣瓶提供可呼吸空氣）投運(yùn)給控制室操縱員提供可居留環(huán)境，并保持控制室處于微正壓狀態(tài)。

圖1 控制室簡化圖示

通常核電廠在設(shè)計(jì)處認(rèn)為保證控制室相對于周邊區(qū)域維持一定的相對正壓，那么空氣只能通過控制室壓力邊界從室內(nèi)高壓側(cè)向室外低壓側(cè)單向流動(dòng)。忽略了反方向泄漏進(jìn)入室內(nèi)的可能性：①主控室本來就是一個(gè)構(gòu)筑物，理想情況是其邊界完全封閉，但由于施工的局限性（構(gòu)筑物本體微縫隙、貫穿件密封不完整等等）無法保證其邊界完全封閉，所以控制室本身存在潛在泄漏點(diǎn)。②應(yīng)急通風(fēng)提供的微正壓很小，比如某核電廠應(yīng)急通風(fēng)投運(yùn)后室內(nèi)壓力比室外大30Pa（相當(dāng)于3mm 水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)），此微正壓很容易受到擾動(dòng)而破壞；再者微正壓一般是用1 或2 塊壓差表在某點(diǎn)在線監(jiān)測，控制室空間相對于壓差表監(jiān)測的范圍很大，所以存在即便壓差表顯示正常而其他區(qū)域由于擾動(dòng)出現(xiàn)負(fù)壓差的可能性。③氣體分子本身就存在熱運(yùn)動(dòng)即擴(kuò)散現(xiàn)象，外界濃度高的氣載放射性分子可能以熱運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的形式通過潛在泄漏點(diǎn)進(jìn)入室內(nèi)。綜上所述，室外空氣（嚴(yán)重事故后可能含有氣載放射性物質(zhì)）反方向滲透進(jìn)入室內(nèi)的可能性是存在的。

3.2 方法概述

控制室內(nèi)漏率測量示蹤氣體分析法是通過向控制室內(nèi)注入一定濃度的示蹤氣體，利用示蹤氣體的濃度變化間接測量空間換氣率，進(jìn)而計(jì)算是空間邊界的內(nèi)漏值。

示蹤氣體分析法按計(jì)算方式分兩種：直接測量法和間接測量法。按示蹤氣體注入方式分三種：濃度衰減法、恒流量注入法和恒定濃度法。濃度衰減法，通過目標(biāo)區(qū)域示蹤氣體濃度衰減曲線計(jì)算泄漏率；恒流量注入法，維持示蹤氣體注入速率恒定，通過示蹤氣體注入速率和穩(wěn)態(tài)時(shí)示蹤氣體濃度計(jì)算泄漏率；恒定濃度法，調(diào)節(jié)示蹤氣體注入速率，保持目標(biāo)區(qū)域示蹤氣體濃度恒定，通過示蹤氣體注入速率間接計(jì)算泄漏率。

由于恒定濃度法為直接測量法，測量結(jié)果也是最符合實(shí)際內(nèi)漏值，但是需要較高硬件設(shè)備來維持試驗(yàn)區(qū)域示蹤氣體濃度恒定（在線監(jiān)測SF6濃度，與目標(biāo)濃度比較并進(jìn)行響應(yīng)），試驗(yàn)設(shè)備及操作相對比較復(fù)雜。

濃度衰減法是以脈沖的形式向主控室邊界注入一定量初始濃度示蹤氣體，之后測量并繪制示蹤氣體濃度隨時(shí)間變化曲線，進(jìn)而間接測量內(nèi)漏值。特點(diǎn)：①該方法適用于只存在空氣內(nèi)循環(huán)的密閉空間，不適合加有壓送風(fēng)的密閉空間；②該方法在初始示蹤氣體注入量和最終內(nèi)漏計(jì)算過程中都需要主控室空間的自由容積（試驗(yàn)狀態(tài)下主控室邊界內(nèi)，包括地板以下，示蹤氣體可達(dá)區(qū)域。具體為主控室空間總?cè)莘e主控室控制臺、各類機(jī)械管道和電氣管道的容積）作為計(jì)算輸入值。而自由容積的實(shí)際計(jì)算需要現(xiàn)場勘測主控室邊界內(nèi)影響自由容積的所有因子的尺寸，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)三維模擬計(jì)算出初始自由容積，然后通過內(nèi)漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)迭代計(jì)算下一個(gè)自由容積，如此反復(fù)計(jì)算得到更接近于實(shí)際的自由容積，試驗(yàn)周期相對比較長，工程量比較大。

恒流量注入法是以恒定的速率向主控室邊界持續(xù)注入示蹤氣體，達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，測量主控室穩(wěn)態(tài)示蹤氣體濃度，進(jìn)而間接計(jì)算內(nèi)漏值。特點(diǎn)：①該方法較適用于存在加壓送風(fēng)的密閉空間；②該方法不需要以主控室空間的自由容積作為計(jì)算輸入值。

同時(shí)，示蹤氣體的選擇需要滿足一些基本要求，如：無毒、惰性、無色、無味以及對人無害。SF6性質(zhì)特點(diǎn)：①無毒、惰性、無色、無味以及對人無害；②在大氣環(huán)境中含量極低；③不會被活性炭過濾器吸收。SF6作為使用成熟的示蹤氣體在國外電站得到了廣泛的實(shí)踐[5]。

試驗(yàn)方法選擇需要根據(jù)控制室設(shè)計(jì)基礎(chǔ)以及各個(gè)方法的特點(diǎn)來選擇，本文以SF6示蹤氣體和恒流量注入法為選擇對象進(jìn)行分析。

3.3 數(shù)學(xué)模型分析

核電控制室應(yīng)急可居留系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，向控制室注入穩(wěn)定流量的新風(fēng)。借助其上游系統(tǒng)管線接口，向新風(fēng)管線注入恒定流量的SF6氣體，示蹤氣體和新風(fēng)一起進(jìn)入控制室壓力邊界。隨時(shí)間推移，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，新風(fēng)管線內(nèi)SF6氣體濃度和控制室壓力邊界內(nèi)SF6氣體濃度達(dá)到穩(wěn)定值。測量新風(fēng)管線內(nèi)SF6氣體濃度和控制室壓力邊界內(nèi)SF6氣體濃度可間接計(jì)算控制室內(nèi)漏值。試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型如

圖2 恒流量注入法試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

其中：

qinlet：控制室新風(fēng)注入體積流量，設(shè)計(jì)輸入值，已知量；

qout：控制室排風(fēng)體積流量；

qinleak：控制室內(nèi)漏體積流量；

qsf6.in：SF6注入體積流量，已知量；

Csf6.in：新風(fēng)管線內(nèi)SF6濃度，體積濃度；

Csf6.MCR：控制室壓力邊界內(nèi)SF6濃度，體積濃度；

VMCR：控制室壓力邊界空間自由容積。

模型假設(shè)：

①溫度：應(yīng)急可居留系統(tǒng)的冷卻作用可以抵消控制室內(nèi)電氣設(shè)備散熱量，使室內(nèi)溫度維持在很小的范圍內(nèi)變化（給操縱員提供適宜的居留環(huán)境），所以假設(shè)溫度的變化對室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)無影響；

②壓力：應(yīng)急可居留系統(tǒng)投運(yùn)穩(wěn)定后，室內(nèi)會形成微正壓環(huán)境，室內(nèi)壓力基本穩(wěn)定，所以假設(shè)壓力對室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)無影響；

③示蹤氣體：假設(shè)室內(nèi)SF6本底濃度為0 且混合均勻（SF6注入點(diǎn)下游SF6濃度相同，室內(nèi)各處SF6濃度相同）；示蹤氣體一般為濃度不超過100ppm 的SF6/氮?dú)饣旌蠚鈿怏w，此混合氣體的注入流量為新風(fēng)流量的千分之幾，所以假設(shè)示蹤氣體的注入量對室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)無影響。

綜上，假設(shè)經(jīng)過足夠長的時(shí)間，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)即動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)入控制室的空氣量等于流出控制室的空氣量，可以得到如下方程：

則控制室壓力邊界的泄漏率為：

其中，qinlet作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)和qsf6.in恒流注入法的前提都是已知，而qout未知。

控制室壓力邊界內(nèi)SF6濃度是隨時(shí)間變化的，開始為0 然后慢慢增加，某一時(shí)刻SF6濃度隨時(shí)間的變化率為：

此式為一階線性非齊次微分方程[6]，可求得其通解：

已知當(dāng)時(shí)間t=0 時(shí)，即初始情況下，本底SF6濃度為0，則Csf6.MC（R0）=0，代入式（4）可得將a 代入式（4）可得：

上式即為控制室壓力邊界內(nèi)SF6濃度隨時(shí)間變化的表達(dá)式（以e 為冪底數(shù)的指數(shù)函數(shù)）。試驗(yàn)開始時(shí)，控制室壓力邊界內(nèi)本底SF6濃度可視為0，隨著時(shí)間推移，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡，控制室壓力邊界內(nèi)SF6濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)。曲線如圖3所示。

圖3 SF6 濃度-時(shí)間曲線

假設(shè)當(dāng)t=t1時(shí)（足夠長的時(shí)間）SF6濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，由（5）式可知，控制室壓力邊界內(nèi)SF6濃度為：

而qsf6.in作為輸入值是已知的，由式（2）和式（6）聯(lián)立可知，

式（7）中Csf6.MCR（t1）為穩(wěn)態(tài)時(shí)控制室壓力邊界內(nèi)SF6測量濃度，作為試驗(yàn)前提的qsf6.in和qinlet是已知量，則可以計(jì)算出控制室壓力邊界內(nèi)漏量qinleak。

3.4 工程應(yīng)用簡化

由恒流量注入法試驗(yàn)圖示1 可知，新風(fēng)qinlet和SF6注入量qsf6.in在系統(tǒng)管線內(nèi)混合后進(jìn)入控制室壓力邊界，故總進(jìn)氣量qtotal=qsf6.in+qinlet，則式（7）簡化為

測量SF6注入點(diǎn)下游新風(fēng)管線內(nèi)SF6濃度Csf6.in，進(jìn)而間接計(jì)算qtotal，如下式：

代入式（8），令穩(wěn)態(tài)時(shí)控制室壓力邊界內(nèi) SF6濃度Csf6.MCR（t1）=Csf.MCR，可得：

實(shí)際應(yīng)用中，只需測量穩(wěn)態(tài)時(shí)，控制室壓力邊界內(nèi)SF6濃度Csf.MCR和新風(fēng)管線內(nèi)SF6濃度Csf6.in，即可求出控制室內(nèi)漏量qinleak。

3.5 試驗(yàn)流程

通過上述推導(dǎo)過程，可以得出內(nèi)漏試驗(yàn)基本流程：

①投運(yùn)應(yīng)急可居留系統(tǒng)，建立微正壓環(huán)境；

②以恒定速率向新風(fēng)管線持續(xù)注入示蹤氣體；

③系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，取樣并測量控制室和新風(fēng)管線內(nèi)SF6濃度

④根據(jù)公式（10）計(jì)算控制室內(nèi)漏率。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)：用10.3ppm 的載氣（SF6/氮?dú)猓┮粤髁?.5SLPM（標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘）注入控制室，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，在控制室區(qū)域共取樣6 次，共120 份樣品分析SF6濃度求其平均值；在新風(fēng)管線取樣6 次，共12 份樣品分析SF6濃度求其平均值。代入公式（10），求得qinleak=6.78SCFM（相當(dāng)于11.52 標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)）。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算表

4 結(jié)論

通過數(shù)學(xué)模型分析以及實(shí)際應(yīng)用說明恒流量注入法測量控制室內(nèi)漏率的方案是可行的。隨著國內(nèi)核電行業(yè)的發(fā)展以及核電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，控制室內(nèi)漏試驗(yàn)也將會納入國內(nèi)核電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之中。期望本文的內(nèi)漏率測量方法分析，能夠?yàn)閲鴥?nèi)核電站控制室內(nèi)漏率測量試驗(yàn)以及其他對內(nèi)漏率有要求的領(lǐng)域提供參考。

注釋：

①事故工況：如核電廠失去廠用電、控制室邊界出現(xiàn)放射性高報(bào)警等可能威脅操縱員身體健康的工況。

②應(yīng)急可居留系統(tǒng)：事故工況下向控制室提供通風(fēng)（可呼吸空氣），冷卻以及空氣過濾功能，為操縱員提供可居留環(huán)境。