反應堆安全殼整體泄漏率測量階段持續時間優化研究

劉 銳， 單 強， 梁招瑞， 侯秦脈

（1. 生態環境部核與輻射安全中心， 北京 100082；2. 中廣核核電運營有限公司， 廣東 深圳 518000；3. 遼寧紅沿河核電有限公司， 遼寧 大連 116000）

反應堆安全殼是限制放射性物質向外界環境釋放的最后一道安全屏障，在役期間須定期進行安全殼整體泄漏率測量試驗，該試驗是核電機組建設與在役期間重要的大型綜合試驗項目。在安全殼整體泄漏率測量試驗中，需要用干空氣以一定的速率將安全殼充壓至試驗所要求的壓力，并在該壓力階段停留一段時間，以連續測量安全殼內壓力、溫度和濕度等參數，最后通過理想氣體狀態方程計算得到安全殼整體泄漏率。目前，國內主流的M310 及其改進型核電機組的試驗方法參照法國的RCC-G (86)執行，即安全殼整體泄漏率測量階段持續時間為固定的24 h[1-2]。由于安全殼整體泄漏率測量試驗風險高且位于大修關鍵路徑[3-4]，因此合理地優化安全殼整體泄漏率測量階段持續時間，以縮短安全殼承壓時間，對提高核電廠的安全裕度和經濟性具有重要意義。

近年來，學者們對核電廠安全殼整體泄漏率試驗的原理及方法進行了深入研究。歐陽欽等[5]根據美國的安全殼整體試驗標準ANSⅠ/ANS-56.8-1994，開發了一系列完整的泄漏率計算程序。結果表明：所開發的計算程序在田灣核電廠1／2號機組首次在役整體試驗中的應用效果顯著。褚英杰等[6]介紹了3 種常用的反應堆安全殼整體泄漏率計算方法，并對不同計算方法的差異及其對結果的影響進行了探討。結果表明，基于3種計算方法得到的整體泄漏率基本相同。杜宇等[7]對福清核電廠1、2號機組安全殼整體泄漏率試驗充壓和降壓速率的優化進行了研究。綜上，目前針對安全殼整體泄漏率試驗的研究大多集中于試驗程序的開發和不同國家標準對試驗結果的影響評價等方面，而對如何確定最優試驗持續時間的考慮較少。

為此，筆者在研究國內外相關標準和調研法國同類型核電廠安全殼整體泄漏率測量階段持續時間修改實踐的基礎上，提出了適用于我國M310 及其改進型核電機組的安全殼整體泄漏率測量階段持續時間優化方法，并以20組安全殼打壓試驗樣本為例來計算安全殼整體泄漏率測量階段的持續時間，以期為反應堆安全殼整體泄漏率測量方案的修改提供指導。

1 不同標準對安全殼整體泄漏率測量階段持續時間的要求

現階段，國內壓水堆核電廠安全殼整體泄漏率試驗所參考的標準主要來源于法國、美國和中國。例如：M310 及其改進型CPR1000、ACPR1000 和VVER 機組主要參考法國的RCC-G(86)[2]；AP1000機組參考美國的ANSⅠ/ANS-56.8-1994[8]；華龍一號機組參考我國的NB/T 20018—2010《核電廠安全殼密封性試驗》[9]和GB/T 51323—2018《核電廠建構筑物維護及可靠性鑒定標準》[10]。上述標準對安全殼整體泄漏率測量階段持續時間的要求如表1 所示。

表1 不同標準對安全殼整體泄漏率測量階段持續時間的要求Table 1 Requirements for integrated leakage rate measurement satge duration of containment in different standards

2 法國的安全殼整體泄漏率測量階段持續時間調整方案

實踐證明，法國的RCC-G (86)所規定的安全殼整體泄漏率測量階段的持續時間為固定的24 h是偏保守的。這主要是因為在安全殼內壓力上升和下降期間，材料中氣體吸附與解析以及變形波動均會影響泄漏率。為此，法國電力集團對安全殼整體泄漏率測量階段的持續時間進行了調整，主要包括以下兩部分。

1）修改整體泄漏率測量階段持續時間。

法國電力集團對安全殼整體泄漏率測量試驗的所有歷史數據進行了重新計算和分析，并對比了不同測量階段所對應的整體泄漏率數據。結果表明，整體泄漏率測量階段持續時間為16 h的計算結果與持續時間為24 h的結果可以等效，故可將整體泄漏率測量階段的持續時間調整為16 h。

2）提出需要滿足的準則。

法國電力集團給出了一個基于最近一次安全殼整體泄漏率測量數據的評價準則：只要核電機組最近一次的安全殼整體泄漏率測量試驗數據符合式(1)，則該機組后續的安全殼整體泄漏率測量階段持續時間均可調整為16 h，具體如下：

式中：Fm(16 h)、Fm(24 h)分別表示最近一次安全殼整體泄漏率試驗中第16 小時、第24 小時的整體泄漏率，%/24h；UFm(24 h)表示最近一次安全殼整體泄漏率試驗中第24 小時的整體泄漏率不確定度，%/24h。

圖1所示為法國電力集團核電機組安全殼整體泄漏率試驗的執行工期。由圖1可以看出，安全殼整體泄漏率測量階段持續時間可調整至16 h。

圖1 法國電力集團核電機組安全殼整體泄漏率試驗的執行工期Fig.1 Execution schedule of integrated leakage rate measurement test for containment of French Power Group nuclear power units

3 安全殼整體泄漏率測量階段持續時間優化方法

為了使反應堆安全殼整體泄漏率的測量結果更加保守和可信，在滿足法國適用標準的基礎上，參考國內的NB/T 20018—2010 和GB/T 51323—2018，增加安全殼內空氣穩定判定準則和整體泄漏率測量終止判定準則。擬采用的安全殼整體泄漏率測量階段持續時間的優化方法具體如下。

步驟1 先決條件判斷。

根據法國電力集團優化的判定公式，判斷核電機組是否滿足優化條件，即最近一次的安全殼整體泄漏率試驗數據是否滿足式(1)的條件。若不滿足，則該機組不執行安全殼整體泄漏率測量階段持續時間優化方法；若滿足，則該機組后續的安全殼整體泄漏率試驗按下述步驟實施。

步驟2 開始試驗。

當安全殼內達到設計壓力后，將泄漏率測量系統開始采集的時刻記為T0。

步驟3 安全殼內空氣穩定判定。

根據歷年來多次安全殼整體泄漏率試驗的實際情況，可知空氣穩定過程一般不超過4 h。因此，當泄漏率測量系統采集滿4 h后，即可開始判斷安全殼內空氣的穩定性。若同時滿足式(2)和式(3)的條件，則認為安全殼內空氣已經穩定，并將空氣穩定的時刻記為T1。

式中：L1h、L2h分別表示判定前利用最后1 h、2 h內的測量數據計算得到的整體泄漏率，%/24h；La表示在試驗工況下安全殼的最大允許整體泄漏率，%/24 h。

步驟4 安全殼整體泄漏率測量終止判定。

當泄漏率測量系統采集數據滿16 h后，開始判斷函數曲率和數據分布，以確定測量數據的變化趨勢和判斷測量數據是否分散。若同時滿足函數曲率準則和數據分布準則，則認為試驗可終止，并將試驗終止時刻記為T2。

1）函數曲率準則。函數在滿足曲率要求的情況下，可認為其線性度可接受。若測量數據的擬合函數滿足式(4)至式(6)中的任意一個，則滿足函數曲率要求。

其中：

式中：F表示F檢驗，F(1,n-3, 0.95)表示查表得到的95%置信水平對應的F值，Lam表示整體泄漏率的估計值；A'表示最小二乘法回歸拋物線的一次項系數，B'表示最小二乘法回歸拋物線的截距，C'表示最小二乘法回歸拋物線的二次項系數，A表示最小二乘法回歸直線的斜率，B表示最小二乘法回歸直線的截距，n表示測量數據組數，Wi表示ti時刻對應的安全殼內干空氣質量；ti表示第i組測量數據對應的時間。

若滿足式(4)，則說明安全殼內干空氣質量的二次多項式擬合曲線的二次項不重要，滿足函數曲率要求；

若滿足式(5)，則說明安全殼內干空氣質量的二次多項式擬合曲線的變化趨勢是上凹的，即整體泄漏率隨時間的變化達到高峰后呈回落趨勢，滿足函數曲率要求；

若滿足式(6)，則說明安全殼內干空氣質量的二次多項式擬合曲線的二次項與整體泄漏率估計值和最大允許整體泄漏率之差的比低于所設閾值（25%），滿足函數曲率要求。

2）數據分布準則。安全殼內干空氣質量數據點相對于回歸直線的分散程度應在可接受范圍內。對回歸直線的相關系數γ進行檢驗，若γ2滿足式(7)，則說明數據滿足離散程度的要求。

步驟5 第16小時的測量數據若滿足函數曲率準則和數據分布準則，則試驗結束；若不滿足，則試驗繼續，并重復步驟4，以對后續采集的數據進行持續驗證。

當采用持續時間為16 h的測量階段時，扣除4 h的空氣穩定時間后，對于剩余12 h的整體泄漏率采集時間，根據每5分鐘采集一次的頻率，采樣數據可達144組，滿足整體泄漏率計算所需樣本數的要求[11-13]。安全殼整體泄漏率測量階段持續時間的優化策略如圖2 所示。圖中：CTT（containment pressure test）表示安全殼打壓試驗。

圖2 安全殼整體泄漏率測量階段持續時間的優化策略Fig.2 Optimization strategy for integrated leakage rate measurement stage duration for containment

4 實測數據驗證

4.1 優化條件判定

根據法國電力集團給出的標準，針對國內M310 及改進型核電機組的安全殼整體泄漏率數據進行測算（共20 組打壓試驗樣本），結果如表2所示。

表2 安全殼整體泄漏率測量階段持續時間優化條件判斷Table 2 Determination of optimization condition for integrated leakage rate measurement stage duration for containment單位：%/24h

表2 結果表明，共有3 組打壓試驗樣本的安全殼整體泄漏率數據不滿足優化的先決條件，即持續時間為16 h的安全殼整體泄漏率測量值與持續時間為24 h的整體泄漏率測量值的偏差較大，超過了整體泄漏率不確定度的范圍，則下一次安全殼整體泄漏率試驗的測量階段依然持續24 h。其余打壓試驗樣本的第16 小時整體泄漏率測量值與第24 小時整體泄漏率測量值的偏差在整體泄漏率不確定度范圍內，具備將整體泄漏率測量階段持續時間優化為16 h的條件，則可在后續安全殼整體泄漏率試驗中實施優化。

4.2 安全殼內空氣穩定判定

根據安全殼內空氣穩定判定準則[14-15]中空氣穩定性的判斷公式，對歷史數據進行了驗算，結果分別如圖3和圖4所示。結果顯示，安全殼內空氣基本在4 h內達到穩定標準。

圖3 基于空氣穩定性判據1的安全殼整體泄漏率驗算結果Fig.3 Calculation results of integrated leakage rate of containment based on air stability criterion 1

圖4 基于空氣穩定性判據2的安全殼整體泄漏率驗算結果Fig.4 Calculation results of integrated leakage rate of containment based on air stability criterion 2

4.3 安全殼整體泄漏率測量終止判定

安全殼整體泄漏率測量終止判定結果如表3所示。采用安全殼整體泄漏率測量階段持續時間優化方法中的測量終止判定準則[16-19]進行判斷，發現有2 組試驗樣本的第16 小時的測量數據不滿足終止準則，須延長試驗時間。其中：樣本2未滿足函數曲率準則，持續時間為19.25 h 時才滿足全部的驗收準則；樣本14 同樣也未滿足函數曲率準則，持續時間為18.25 h 時才滿足全部的驗收準則。結果表明，本文所提出的優化方法比法國的方法更為保守、可信。

表3 安全殼整體泄漏率測量終止判定結果Table 3 Ⅰntegrated leakage rate measurement termination determination results for containment

5 結 論

優化反應堆安全殼整體泄漏率測量階段持續時間可以提高核電安全裕度，增加發電效益。目前，法國電力集團核電機組安全殼整體泄漏率測量階段的持續時間已調整為16 h。本文所提出的優化方法在滿足法國適用標準的基礎上，增加了安全殼內空氣穩定判定準則和安全殼整體泄漏率測量終止判定準則。對國內M310及其改進型核電機組的20組打壓試驗樣本進行測算，結果表明，共有17組樣本的測量數據滿足優化條件，其中15 組樣本的第16 小時的測量數據滿足整體泄漏率測量終止判定準則，其余2組樣本分別在第19.25小時和第18.25小時滿足全部的驗收準則。綜上，本文優化方法比法國的方法更為保守、可信。