核設施退役階段氣載放射性包容與通風凈化技術研究

彭永森 謝陳平 陳京龍

(深圳中廣核工程設計有限公司,深圳)

0 引言

退役是核設施五大工作階段(選址、建造、調試、運行、退役)之一,是核設施使用期滿或因其他原因停止服役后,為充分考慮工作人員和公眾健康安全及環境保護而采取的活動,其最終目標是原則上實現留存建(構)筑物和廠址殘留的放射性達到無限制開放水平、退役過程中產生的各類廢物和物料得到安全處理和處置,退役過程中產生的氣體、液態流出物達標排放[1]。國際原子能機構報告顯示,截止到2020年底,僅考慮反應堆核設施,全球共有686座核反應堆處于其壽命周期的不同階段,其中192座已關閉的核反應堆中僅20座完全退役,剩余的172座正在或即將開展退役活動[2]。隨著核設施的運行,全球核工業預計在未來10～20年逐漸迎來退役高潮。我國目前核設施退役主要涉及少量軍工類核設施項目,對于大型商用核電廠退役技術的研究尚處于起步階段。

核設施在退役階段進行拆除、分解等活動時會產生氣載放射性物質,為避免氣載放射性物質不受控的傳播擴散,保護工作人員、公眾及環境,對于退役階段的核設施需采取嚴格的氣載放射性包容和通風凈化控制措施。由于老舊核設施現場復雜,現場退役操作面臨各種潛在風險,且各項活動具有臨時性和動態變化的特點,如何確保氣載放射性包容和通風凈化系統的有效性是核設施退役領域的重要問題之一。本文通過研究國內外相關法規、標準及良好實踐,總結歸納了以風險評估,尤其是放射性風險評估為基礎,適用于核設施退役階段作業現場的氣載放射性包容與通風凈化系統設計總體原則、設計方法、性能準則及推薦方案。

1 氣載放射性物質包容總體原則及策略

1.1 總體原則

為實現保護工作人員、公眾、環境免受氣載放射性危害的目標,核設施退役階段的氣載放射性包容系統應確保以下功能[3-4]。

1) 包容:包括靜態和/或動態的包容形式。靜態包容是通過建立實體屏障,實現放射性物質的包容。動態包容一般作為靜態包容的增強措施,該功能是通過維持放射性污染區域相對負壓,將污染空氣導向規定的排放點進行凈化和監測,防止放射性污染不受控地釋放;建立壓力梯度,使空氣從潛在放射性危害小的空間流向潛在放射性危害大的空間,限制、處理和控制污染物盡可能靠近污染源,防止人員受到放射性危害。

2) 凈化:收集帶有放射性粉塵、氣溶膠和揮發氣體的空氣,輸送到受控點進行收集、處理,比如采用過濾器、吸附器等進行凈化處理。

3) 換氣:通過對封閉空間進行清洗換氣,控制有害物質聚集的風險(如控制空氣中有毒、窒息、爆炸等危險氣體的濃度)。

4) 監督排放:通過合理的氣流組織和儀表設置,對核設施排風的放射性水平等進行監控和測量。

放射性包容系統除應確保核設施在退役階段的所有正常運行工況下能夠實現上述功能,還應在安全評價的基礎上,評估其是否需在異常運行工況或者事故工況下能夠實現上述功能中的某些功能。在氣載放射性包容與通風凈化系統設計開始之前,應進行風險評估以便充分確定其實際目標和安全注意事項,根據相關導則及規范[3-4],風險評估內容主要包括如下內容。

1) 源自材料和現場操作所導致的放射性危害,由此導致需要對相關房間或作業區進行包容,包括:

① 設有包容實體密閉屏障房間內的表面污染或氣載污染容許水平;

② 氣載放射性污染監測要求。

2) 根據核設施已有通風系統或待安裝通風系統的實際排放水平,評估其與排放容許限值之間的安全裕度。

3) 包容屏障和通風系統自身可能面臨的外部事件危害(如落物、火災、水淹、外部爆炸、地震、大風和極端溫度等)。

4) 設施附近工作人員活動(如相關的并行操作等)。

5) 維持包容系統正常運行所需的流體和能源供應暫時中斷(如電、壓縮空氣、冷卻水等)。

6) 與執行操作有關的非放射性危害(如機械故障、壓力突變、爆炸、火災、腐蝕、冷凝、落物等導致包容設施突然出現破口),其后果可能是引起放射性物質懸浮,需根據具體情況開展分析。

對于每一種影響安全的因素都需開展風險評估,評估時不能簡單排除內外部危害疊加的情況,應按相關監管部門的安全評估要求,采用保守的方式開展相關的評估。除上述風險評估外,放射性包容系統設計中尚需考慮如下因素:

1) 使放射性物質的釋放降低到合理可行盡量低(ALARA)的水平,以保護環境;

2) 盡量在合理范圍內減少房間或作業區的污染程度,特別是在盡可能靠近污染源處實施動態包容;

3) 現有設施的實體和放射性水平狀態(如靜態包容、電纜、疏水管);

4) 對通風管網、包容屏障等現有設施改造的影響;

5) 事件或事故工況;

6) 如果現場放射性水平高,要考慮到氣載放射性包容與通風凈化系統的可靠性(如風機的冗余設置等)。

1.2 包容策略

根據相關標準[3-4],防止放射性物質擴散的基本原則如下:

1) 在正常情況下,限制放射性物質的釋放,使其達到合理可行盡量低的水平,同時也要降低核設施內的污染水平;

2) 在事故工況下,將對環境和工作人員的放射性危害影響限制在可接受的水平。

為落實上述原則,需要在環境和放射性物質之間設置必要的包容系統,每個包容系統及其相關裝置的設計應與其所要控制的風險特點相適應。該系統的目標是在任何情況下,包括在某些意外情況下(如受污染樣品墜落等)保持受污染區域與外部環境之間至少設有一道有效隔離和有效過濾的措施,并在所有情況下將對工作人員和環境的放射性影響限制在可接受的水平。

核設施退役階段作業區放射性包容措施包括靜態和/或動態包容,動態包容一般作為靜態包容的增強措施。

靜態包容可通過不同手段來保證:廠房剛性墻體、柔性墻體、金屬板材、工藝密封箱箱體等。靜態包容的設計質量,尤其是根據潛在風險而確定的密封性對承擔動態包容功能的通風系統有重要的影響。在確定靜態包容時要考慮的具體因素包括:最大居留人數、操作活動的性質與時間、臨時貯存需求、材料設備和/或廢物的搬運、需要使用的工具和設備等。

動態包容一般由通風系統實現,通風系統設計見第3章。為了確保核設施在運行工況下動態包容功能的可靠性,應在設計階段就確定相關的基準,并考慮下列因素的影響:

1) 各種可預測的短時間干擾,如氣閘室的開口或通風系統運行工況的變化;

2) 廠房正面(有偶然或臨時開口)和通風系統進氣口處的風速;

3) 廠房與外部之間及廠房內部房間之間的溫度差;

4) 與通風系統有關的運行及調節的不確定性(如測量設備的精度、監測和控制設備響應時間、通風設備功能特征的偏差等)。

對于退役階段作業區實施現場放射性包容時,可能存在下述2種情況:

1) 位于“現有包容設施”(核設施既有的或根據特定需求現場設置的包容系統)之內的現場放射性包容;

2) 位于任何“現有包容設施”之外的現場放射性包容。

現場包容設施包括包容屏障(如墻體)、通風管道及過濾裝置等。對于情況1),現場包容設施的目標是盡可能避免包容設施內的放射性物質釋放到無授權或未采取輻射防護措施的人員可達區域內。“既有包容系統”的目的是防止在現場包容設施失效的情況下將放射性污染釋放到廠房之外。對于情況2),現場包容設施主要用于防止放射性污染物向設施外釋放,以便為環境和公眾提供保護。

除設置工作點現場放射性包容設施外,根據放射性危害風險,可能需要在靠近放射性物質擴散風險點的位置設置附加包容設施,如氣密袋、通風式氣密袋、污染源處動態排氣等。各類型包容設施構成見圖1。

圖1 不同類型包容設施構成示意圖

退役核設施作業區所需的包容系統數量應通過風險評估,考慮根據與作業材料有關的潛在事故后果和頻率、放射釋放量、放射性毒性和潛在彌散特性等綜合確定。

2 包容系統設計準則

2.1 包容區域分類

從事放射性工作的區域通常應按照直接輻射(外部暴露)和表面潛在污染和/或空氣污染(內部照射)水平進行分類。在有射線直接照射危險的情況下,應按相關國家標準的規定進行輻射工作場所分區,如非限制區、監督區、控制區和禁止區[5]。為了合理開展包容系統設計,應根據正常的或者可預見事件的放射性污染水平確定包容區域的分類,除了反應堆核設施主安全殼外,世界范圍內核設施大部分都使用4～5級分類[6],包容區域各級分類說明見表1。需要注意的是,包容區域分類的概念與設計階段所考慮的包容區域內操作活動相關,如果這些活動在實際現場發生變化,則應進行評估,并在可能的情況下修改包容區域的設計。

表1 放射性包容區域常見分類

2.2 性能準則

在確定包容系統設計準則時,需要在第1章風險分析方法的基礎上,結合包容區域類型、靜態包容與動態包容的設計考慮因素合理評估設計準則,以放射性問題為基礎的包容系統準則通用評估方法見圖2。

圖2 以放射性風險為基礎的包容準則確定方法示意圖

核設施現場包容系統的數量與包容區域的類型及包容系統所需實現的目標密切相關,推薦的包容系統數量見表2。

表2 包容系統常用數量推薦 個

不同包容設施的動態包容準則與包容區域類型、包容系統數量有關,推薦的氣流流向、風速、負壓準則見表3。

表3 放射性包容區域負壓準則

為保證包容區域的清潔水平,需保證適宜的通風換氣次數,通風換氣次數可根據包容區域放射性水平、包容設施的大小、使用設備的類型來確定,現場包容設施中常用的換氣次數為1～30 h-1。不同包容區域類型推薦換氣次數見表4。換氣次數需要結合具體情況分析,對于空間大的包容設施(例如體積>3 000 m3)或正常運行時氣載污染水平極低的區域,換氣次數低于1 h-1是可能的。另外,通風換氣也需要適應作業區的工藝需求,例如使用熱點切割技術的區域,可能需要較高換氣次數,以保持室內的熱環境并減少可能產生的煙氣聚集。

表4 不同類型包容區域推薦的換氣次數

3 通風及空氣凈化系統設計

對于現場包容設施,一般不需要專門設置通風送風管網,包容設施泄漏會形成進風口,不同現場包容設施之間的轉送風也應盡量少使用。但對于相對密封的小室(比如泄漏率低于0.1 h-1換氣次數),則可能需要考慮設置進風口,此時進風宜設置粗效過濾器,減少空氣中的粉塵,保護環境及延長過濾器的壽命。

排風凈化裝置的設置與包容區域類型有關,對于D1或D2區域的排風至少經過一級高效空氣(HEPA)過濾器過濾后排放;D3或D4區域排氣可能需要多級HEPA過濾器過濾后再通過煙囪排出。關于排風空氣凈化,設計時需考慮以下幾點:

1) 排放前的HEPA過濾器為末級過濾裝置;

2) 過濾器應安裝在排風機上游;

3) 建議在所有產生大量粉塵區域的排風HEPA過濾器上游設置預過濾器;

4) 對所有存在火花風險的現場,建議在首級過濾裝置上游安裝火花熄滅器;

5) 如果存在HEPA過濾器無法有效過濾的大量核素(如碘、氚、碳、氣態銫),則需額外設置特定的空氣凈化裝置,例如,活性炭碘過濾器、氣體吸附系統、洗滌塔等,作為HEPA過濾器的補充。

各類型包容區域推薦的通風及凈化裝置配置示例見圖3,圖中系統均帶粗效過濾器(圖中未標出)。

1.HEPA過濾器(可選);2.HEPA過濾器;3.風機;4.進風口;5.末級HEPA過濾器;6.排氣煙囪。aD1

4 結束語

在開展現場工作區放射性包容與通風凈化系統設計時,需要開展包括放射性風險在內的各類風險評估,結合既有包容設施,合理確定系統設計準則及應對措施。本文研究確定的核設施退役階段作業現場的氣載放射性包容與通風凈化系統設計總體原則、設計方法、性能準則及推薦方案,可為核設施退役設計提供參考。