姚巖巖,高琳鋒,吳振龍,趙高昕
(1.陽江核電有限公司,廣東 陽江 529941; 2.中國輻射防護研究院,太原 030006;3.遼寧紅沿河核電有限公司,遼寧 大連 116001)
核電站通風凈化系統(tǒng)中需要安裝碘吸附器對工藝排風系統(tǒng)和新風系統(tǒng)氣流中可能存在的放射性碘進行濾除,以達到法定的排放要求和新風標準。
碘吸附器除碘過濾是在物理吸附和化學吸附共同作用下將氣態(tài)放射性碘捕集到吸附介質(zhì)活性炭中的過程,吸附劑通常為浸漬煤基炭和椰殼炭。
物理吸附是基于活性炭是一種多孔結(jié)構(gòu)吸附介質(zhì),與氣體分子有較大的有效接觸面積,當氣流通過吸附介質(zhì)時,放射性碘分子通過分子間范德華力被吸附到活性炭孔結(jié)構(gòu)表面上的過程。物理吸附主要作用于單質(zhì)碘。
化學吸附是電子在吸附質(zhì)和吸附劑表面之間交換或共有而出現(xiàn)的化學反應?;钚蕴炕瘜W吸附作用是利用含有穩(wěn)定碘化物(K127I 等)、特殊反應試劑浸漬的活性炭通過同位素交換、換位反應的方式去除放射性碘?;瘜W吸附主要針對有機放射性碘分子,浸漬劑一般是碘化鉀(KI)和三乙烯二胺(TEDA)。
核電站通風凈化系統(tǒng),為了驗證碘吸附器安裝到位后整個除碘回路的有效性,必須進行現(xiàn)場試驗。根據(jù)試驗條件和試驗目的,現(xiàn)場試驗分為工程調(diào)試驗收試驗、周期性監(jiān)督試驗和更換后再鑒定試驗三類。
工程調(diào)試驗收試驗目的是驗證核空氣凈化系統(tǒng)中首次安裝到位的碘吸附器及回路是否滿足除碘設計要求。試驗目的主要包括:驗證系統(tǒng)試驗注入、采樣裝置與接口的設計是否合理,碘吸附器及整個除碘回路效率是否合格,系統(tǒng)能否按設計要求運行等。
周期性監(jiān)督試驗是指系統(tǒng)投入運行后,定期檢查連續(xù)、間斷、備用等運行工況的系統(tǒng)是否仍保持規(guī)定的除碘性能。碘吸附器連續(xù)、間斷、備用運行過程中,安裝框架下沉、密封膠墊老化、吸附劑自身老化及中毒等現(xiàn)象會使系統(tǒng)的除碘效率發(fā)生變化。因此,為保證核空氣凈化系統(tǒng)除碘性能滿足規(guī)定要求,必須進行定期現(xiàn)場試驗。
更換后再鑒定試驗是由于某些原因需更換碘吸附器及相關系統(tǒng)部件或引起碘吸附器本身及安裝狀態(tài)改變后進行的運行中的再鑒定試驗。再鑒定試驗是驗證部件更換等原因造成碘吸附器重新安裝后系統(tǒng)的除碘性能是否滿足規(guī)定要求。
目前,我國在役核電站中,碘吸附器除碘性能試驗方法主要包括從美國引進的氟里昂法[1]和從法國引進的放射性甲基碘法[2]。
氟里昂法標準源于美國機械工程師協(xié)會編制的ASME N510 《核空氣處理系統(tǒng)的試驗》。國內(nèi)依據(jù)EJ/T 791—2014《核空氣凈化系統(tǒng)的現(xiàn)場檢驗》[3],以氟利昂(三氯氟甲烷R-11為代表)為示蹤劑對試驗回路進行機械檢漏?,F(xiàn)場泄漏率試驗合格后,選取有代表性活性炭炭樣在實驗室依據(jù)EJ/T 20056—2014《核級活性炭去除甲基碘性能試驗方法》[4]進行除碘效率試驗?,F(xiàn)場泄漏率試驗和實驗室除碘效率試驗結(jié)果合格,碘吸附器可繼續(xù)使用,否則需更換碘吸附器或活性炭吸附劑,進行再鑒定試驗。
碘吸附器泄漏率試驗根據(jù)示蹤劑的注入方式又分為連續(xù)注入法和脈沖注入法。連續(xù)注入法是指泄漏率試驗過程中連續(xù)注入示蹤氣體并持續(xù)檢測碘吸附器上下游示蹤劑濃度的方法,國內(nèi)一直采用連續(xù)注入法。脈沖注入法是脈沖注入示蹤氣體并且連續(xù)檢測碘吸附器上下游示蹤劑濃度的方法。
連續(xù)注入和脈沖注入兩者只是注入方式的區(qū)別。國內(nèi),王坤俊等人[5]對兩種方法進行了對比研究,在常規(guī)檢測中脈沖注入法泄漏率試驗結(jié)果與連續(xù)注入法一致。當示蹤劑快速穿透碘吸附器活性炭層(局部炭層變薄或活性炭老化、中毒等部分失效)與炭層存在較小泄漏時,脈沖注入法上下游檢測曲線峰值位置較連續(xù)注入法區(qū)分更加明顯(存在小泄漏時上下游檢測曲線峰值位置完全一致,快速穿透但無泄漏時下游峰值位置比上游峰值位置略有延后)。另外,脈沖注入法氟利昂示蹤劑用量更少,這在一定程度上減小了對臭氧層的危害。
碘吸附器泄漏率試驗示蹤劑選擇方面,以R-11為代表的傳統(tǒng)示蹤劑雖然具有價格低廉,易于檢測等優(yōu)點,但其對臭氧層的破壞在環(huán)保方面產(chǎn)生負面的影響。基于傳統(tǒng)示蹤劑環(huán)保方面的考慮,在滿足美國機械工程師協(xié)會核空氣與氣體處理規(guī)范(ASME AG-1)對R-11替代物要求的標準下,Kevin等[6]研究了十氟戊烷(Vertrel-XF)、全氟烷烴類PFT(包括全氟甲基環(huán)戊烷PMCP、全氟甲基環(huán)己烷PMCH、全氟二甲基環(huán)己烷PDCH等試劑)代替R-11來檢測活性炭層機械泄漏率的可行性。國內(nèi),梁飛等[7]也探討了十氟戊烷(Vertrel-XF)、全氟烷烴類PFT等試劑作為示蹤劑用于碘吸附器機械泄漏率檢驗的可行性,分析了示蹤劑的分子量、沸點,試驗溫度、氣流比速、濕度等條件以及活性炭含水量等因素下示蹤氣體對活性炭解吸的影響。另外,俞杰等[8-9]采用環(huán)己烷作為示蹤劑,通過氣體采集袋定量采集樣品,光離子化氣相色譜儀分析樣品的方式計算得出碘吸附器機械泄漏率。
氟利昂法不同示蹤劑在碘吸附器泄漏率試驗方面均有一定的可取之處,其中環(huán)己烷作為示蹤劑的檢測方法在檢測靈敏度、穩(wěn)定性、環(huán)保性方面表現(xiàn)良好,并在核電現(xiàn)場應用中得到驗證。碘吸附器泄漏率試驗不同示蹤劑的特性比較列于表1。
表1 氟利昂法不同示蹤劑試驗比較Tab.1 Comparison of different tracer tests of the Freon method
吸附介質(zhì)活性炭除碘性能試驗方面,美國材料與測試學會標準ASTM D 4069—95 (Reapproved 2014)[10]規(guī)定了對單批次的均勻浸漬活性炭隨機抽取的三個樣品需進行的旨在確定針對指定用途適用性的“鑒定試驗”,對每一批同樣級別或類型的浸漬活性炭的代表性樣品進行的旨在確定該批活性炭是否符合指定規(guī)范需進行“批試驗”。美國機械工程師協(xié)會標準ASME AG-1—2015《核空氣和氣體處理規(guī)范FF篇》[11]規(guī)定了鑒定試驗和批試驗的條件及參數(shù),具體按照ASTM D 3803[12]標準進行。
放射性甲基碘法標準源于法國機械標準委員會編制的AFNOR NF M62-206《碘吸附器凈化系數(shù)的測定方法》。國內(nèi)依據(jù)EJ/T 1183—2005《核空氣凈化系統(tǒng)碘吸附器凈化系數(shù)的測定 放射性甲基碘法》[13],以放射性甲基碘作示蹤劑對試驗回路進行檢驗。放射性甲基碘法是對整個試驗回路包括機械泄漏和碘吸附器吸附效率在內(nèi)的總的除碘效率值的檢測,試驗結(jié)果合格則繼續(xù)使用,否則更換碘吸附器或活性炭吸附劑,進行再鑒定試驗。
放射性甲基碘法按示蹤劑制備方式可分為:采用放射性碘化鈉溶液和硫酸二甲酯反應制備示蹤劑的常規(guī)方法;孔海霞等[14-15]開發(fā)的以三甲基氯硅烷和碘化鈉作為去烷基化試劑與磷酰基乙酸三甲酯在乙腈溶液中反應制備放射性甲基碘的試驗方法;高琳鋒等[16-17]開發(fā)的在均相溶液中非放射性甲基碘和放射性碘化鈉通過碘同位素交換制備放射性甲基碘的試驗方法。
基于放射性甲基碘示蹤劑不同的制備方式,三種試驗方法在示蹤劑產(chǎn)率、試劑物性(毒性、腐蝕性、粘度等)、操作風險、試劑管理及殘液處理等方面各有特點(見表2)。其中同位素交換法因在示蹤劑產(chǎn)率、試劑毒性、操作風險等方面具有良好表現(xiàn),在核電現(xiàn)場得到迅速推廣及應用。但是由于采用方法較多,電站通風系統(tǒng)設計復雜多樣,碘吸附器現(xiàn)場試驗安全性方面存在一些問題,值得探討。
表2 三種試驗方法綜合性能比較Tab.2 Comparison of comprehensive performances of three test methods
碘吸附器現(xiàn)場效率試驗安全性主要包括試驗過程相關的安全性、系統(tǒng)運行條件相關的安全性以及除碘回路失效三部分。
碘吸附器現(xiàn)場效率試驗過程主要包括試劑配制及示蹤劑制備、示蹤劑發(fā)生及采樣、試驗結(jié)果分析以及試驗廢物處理等環(huán)節(jié)。
氟里昂法機械泄漏率檢驗所用試劑氟利昂為成品試劑,試劑本身無放射性及毒害作用,試驗過程也無放射性及危險性物質(zhì)產(chǎn)生與殘留,設備操作相對簡單,現(xiàn)場試驗風險較低。
放射性甲基碘法(以硫酸二甲酯法分析)通過強腐蝕性毒性物質(zhì)硫酸二甲酯和放射性碘化鈉溶液發(fā)生化學反應制備放射性甲基碘示蹤氣體。試驗過程安全性包括放射性試劑和毒性試劑存儲管理,放射性試劑和毒性試劑配制及現(xiàn)場運輸、試劑及設備現(xiàn)場操作以及放射性廢液存儲及處理等過程的風險。
核電現(xiàn)場碘吸附器效率試驗放射性試劑為非密封放射性碘化鈉溶液,所購50 mCi Na131I溶液根據(jù)原國家環(huán)境保護總局公告(2005年第62號)《關于發(fā)布放射源分類辦法的公告》放射源分類原則,屬于Ⅴ類放射源。Na131I試劑審批、購買、運輸、管理等過程應該按照Ⅴ類放射源規(guī)定進行。
碘吸附器效率試驗Na131I溶液單次最大使用活度為1.11×108Bq,試劑毒性組別為中毒,修正因子0.1。試劑操作方式為簡單操作,放射源狀態(tài)為液態(tài),操作方式與放射源狀態(tài)修正因子為1。依據(jù)國標GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全標準》放射性核素日等效操作量等于放射性核素的實際日操作量(Bq)與該核素毒性組別修正因子的積除以與操作方式有關的修正因子所得的商。Na131I溶液日等效最大操作量為1.11×107Bq,按照非密封源工作場所放射性核素日等效最大操作量分級,工作場所級別不低于丙級(日等效最大操作量為豁免活度值以上直到2×107Bq),工作場所的安全管理不低于Ⅲ類放射源管理要求。
碘吸附器效率試驗Na131I溶液試劑放射性活度的配制在負壓手套箱中進行,通過含鉛手套物理隔離的方式操作。試劑操作過程中可能產(chǎn)生含碘放射性氣溶膠和氣體的泄漏,建議試劑操作過程中人員佩戴除碘面罩、鉛眼鏡、鉛圍裙以及紙衣等必要的輻射防護用品,避免放射性內(nèi)污染和表面沾污風險,并將外照射風險降到可接受范圍。
碘吸附器效率試驗中試劑硫酸二甲酯的管理參照危險化學品五雙管理制度:雙人收發(fā)、雙人記帳、雙人雙鎖、雙人運輸、雙人使用。硫酸二甲酯屬于強腐蝕性毒性試劑,試劑操作過程需佩戴防毒面罩、護目鏡、防酸堿手套、鞋套,必要時穿戴防化服等附加防護用品。
非密封放射性物質(zhì)Na131I溶液在核電廠現(xiàn)場運輸時采取單獨運輸?shù)姆绞健a131I溶液密封于高硼西林小瓶內(nèi),西林小瓶置于內(nèi)襯緩沖層的輻射屏蔽鉛罐中,鉛罐裝于泡沫保護的不銹鋼箱內(nèi)。多層密封和緩沖防護確保非密封放射性物質(zhì)Na131I溶液安全運輸?shù)皆囼灛F(xiàn)場。
通風系統(tǒng)碘吸附器效率試驗現(xiàn)場試劑操作在甲基碘發(fā)生器[6]內(nèi)進行,通過硫酸二甲酯與碘化鈉溶液在西林小瓶內(nèi)發(fā)生化學反應制備放射性甲基碘示蹤氣體。甲基碘發(fā)生器有三級負壓裝置,能最大限度確保試驗過程產(chǎn)生的放射性甲基碘氣體注入到試驗系統(tǒng)管路中。但由于試驗過程試劑操作為開放式操作,存在放射性碘化鈉液體、硫酸二甲酯試劑以及反應生成的放射性甲基碘氣體泄漏的風險,試驗人員需佩戴除碘面罩、乳膠手套、紙衣等完備的防護用品,謹防放射性內(nèi)污染、表面沾污,腐蝕性試劑傷人風險以及試驗場地污染風險。另外,現(xiàn)場需配置碘監(jiān)測儀對環(huán)境中氣載放射性碘進行實時監(jiān)測。如有氣載放射性碘的泄漏,需投用碘凈化小車對空氣污染房間進行氣體除碘凈化。
放射性廢液處理方面,放射性131I半衰期為8.04天,試驗殘液屬于含毒性試劑的短半衰期放射性廢液。根據(jù)GB 14500—2002《放射性廢物管理規(guī)定》18項(核技術應用廢物的管理)規(guī)定,對含有較短半衰期核素的廢物應實行貯存衰變管理。碘吸附器效率試驗產(chǎn)生的放射性廢液通過貯存衰變的方式處理。放射性廢液小瓶轉(zhuǎn)存于碘源柜內(nèi),碘源柜安裝有圓筒高效過濾器和碘吸附器,去除存儲衰變過程中可能逃逸出廢液小瓶的含碘放射性氣溶膠和氣體。放射性碘廢液衰變?yōu)槊夤軓U物或極低放廢物后,再進行無害化處理。
國內(nèi)由于引進的核電機組類型不同,核通風系統(tǒng)碘吸附器除碘性能試驗需采用不同的試驗方法。氟利昂法具有現(xiàn)場操作簡單、風險低等優(yōu)點,但其系統(tǒng)設計及調(diào)試階段需綜合考慮氣流均衡、取樣代表性等多種因素的影響。另外,氟利昂法除碘效率采用泄漏率試驗和除碘性能試驗分步的方式進行,存在系統(tǒng)實際除碘效率與試驗值有偏差以及時效性差的缺點。放射性甲基碘法試驗則真實地反映了包括系統(tǒng)機械泄漏在內(nèi)的總的除碘效率,但該方法具有現(xiàn)場操作風險高,經(jīng)濟代價大等缺點。另外,放射性甲基碘法不能分辨機械泄漏和碘吸附器效率,可能因機械泄漏導致碘吸附器提前報廢,降低了碘吸附器的正常使用壽命。氟利昂法與放射性甲基碘法詳細比較列于表3。
表3 氟利昂法與放射性甲基碘法安全性比較Tab.3 Comparison of safety between the Freon method and the radioactive methyl iodide method
上述比較分析表明:放射性甲基碘法試驗過程涉及非密封放射性物質(zhì)碘化鈉和毒性物質(zhì)硫酸二甲酯試劑的配制、運輸、現(xiàn)場操作以及試驗放射性廢液的處理,現(xiàn)場試劑開放式操作存在放射性物質(zhì)和毒性物質(zhì)泄漏造成人員傷害和環(huán)境污染的風險。碘吸附器現(xiàn)場效率試驗必須嚴格執(zhí)行作業(yè)程序,工作人員秉持嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、具有熟練的工作技巧,操作時采取必要的防護措施,以確保試驗過程的安全。
核電廠通風凈化系統(tǒng)主要包括人員可居留區(qū)的新風凈化系統(tǒng)和工藝尾氣處理及排氣系統(tǒng)。本文以M310型號機組以及國產(chǎn)CPR1000型號機組為例進行試驗條件安全性分析。
人員可居留區(qū)的新風系統(tǒng)包括主控室新風系統(tǒng)(DVC、DCL等系統(tǒng))和應急樓新風系統(tǒng)(DWM等系統(tǒng))。放射性甲基碘法示蹤劑為放射性甲基碘氣體,當?shù)馕狡魇?、風管有機械泄漏等情況時,存在放射性氣體泄漏的風險,會對人員居留空間工作人員健康和環(huán)境產(chǎn)生危害。
主控室和應急樓新風系統(tǒng)現(xiàn)場試驗有獨立的試驗回路,正常情況下放射性示蹤氣體經(jīng)碘吸附器吸附過濾后排到外部大氣中。但是,當存在碘吸附器失效且風機下游風管有機械泄漏時,由于風機后風管內(nèi)壓力相對環(huán)境為正壓,存在泄漏的風險。另外,部分核電機組主控室新風系統(tǒng)除碘回路風管及箱體位于主控室正常送風回路房間內(nèi)(房間作為部分送風風道),該房間在主控室正常通風氣流條件下相對外部環(huán)境呈負壓狀態(tài)。此時如啟動除碘回路風機進行碘吸附器效率試驗,風機前端部分管路內(nèi)氣壓相對該房間呈正壓狀態(tài),當管路存在機械泄漏(隨著運行時間的增加風管連接部位的松動、連接密封膠老化以及管路在可能存在的高濕度氣流、帶腐蝕性離子氣流長期侵蝕下形成局部機械泄漏)時放射性示蹤氣體會泄漏到房間被正常送風系統(tǒng)輸送到主控室人員可居留區(qū)域。
工藝尾氣處理及排氣系統(tǒng)按照碘吸附器與風機安裝相對位置分為負壓系統(tǒng)和正壓系統(tǒng)。負壓系統(tǒng)風機位于碘吸附器排架下游,風機上游管路內(nèi)壓力小于環(huán)境壓力,避免了碘吸附器除碘效率試驗時風管機械泄漏造成放射性示蹤劑泄漏的風險。
工藝尾氣處理及排氣正壓系統(tǒng)風機位于碘吸附器排架上游,以ETY系統(tǒng)(安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng))為例,除碘效率試驗示蹤劑放射性甲基碘注入碘吸附器上游風管后氣流相對環(huán)境壓力呈正壓狀態(tài)。當風管以及風管連接部件存在機械泄漏時會有放射性氣體擴散出管路造成人員放射性內(nèi)污染以及環(huán)境污染的風險。
上述分析表明:人員可居留區(qū)的新風凈化系統(tǒng)和工藝尾氣處理及排氣正壓系統(tǒng),由于系統(tǒng)特殊的設計要求以及功能特征,在進行除碘效率試驗前,建議實施系統(tǒng)管路密封性打壓試驗或進行其它管路密封性檢查等措施,從而減小碘吸附器效率試驗以及正常運行時系統(tǒng)可能存在放射性氣體泄漏造成的不良影響。另外,對于DVC系統(tǒng)除碘回路進行效率試驗時,如有必要,在核電運行規(guī)范允許的前提下,協(xié)商臨時停運主控室正?;芈匪团棚L風機,確保除碘回路碘吸附器前端管路相對于環(huán)境呈負壓狀態(tài),降低放射性示蹤劑泄漏以及示蹤劑抽吸到主控室可居留區(qū)域的風險。
碘吸附器除碘效率降低主要原因包括機械泄漏和吸附劑失效兩種情況。
機械泄漏包括碘吸附器安裝排架以及墻體或箱體、管路貫穿孔縫等造成的泄漏,碘吸附器安裝不到位造成的泄漏,碘吸附器本身產(chǎn)生泄漏等。
隨著運行時間的增加,碘吸附器安裝排架緊固件松動、排架與墻體連接密封膠墊老化、墻體貫穿件孔洞密封膠老化、碘吸附器密封膠墊老化以及碘吸附器壓緊裝置松動是造成機械泄漏的主要原因。另外,碘吸附器活性炭裝填不密實致使炭床塌陷形成溝流或薄層,碘吸附器活性炭吸附劑在氣流長期沖刷下吸附劑顆粒磨損造成的吸附劑下沉以及碘吸附器構(gòu)件加工質(zhì)量低等原因也可能產(chǎn)生機械泄漏。
吸附劑失效主要包括活性炭老化、中毒,浸漬劑揮發(fā),活性炭孔結(jié)構(gòu)被覆蓋等影響因素。核電廠通風系統(tǒng)的碘吸附器效率降低與其浸潤劑KI氧化等呈現(xiàn)的老化現(xiàn)象相關,也與被過濾物的毒化有關。潮濕空氣、有機溶劑、油漆類氣體與活性炭發(fā)生反應或被碘吸附器吸收,使碘吸附器隨運行時間逐漸老化、中毒,從而降低對碘的吸附能力。新的核電機組,安裝調(diào)試階段施工和試驗中釋放的有機氣體,對碘吸附器帶來的毒化作用,會在較短的運行時間內(nèi)出現(xiàn)效率顯著降低或效率不合格的情況。其次,氣流沖刷使吸附劑中浸漬劑揮發(fā)也造成吸附效率降低。
另外,碘吸附器在長期運行時活性炭孔結(jié)構(gòu)會被氣流中以灰塵為主的微米級顆粒覆蓋,特別是TEG系統(tǒng)(核島廢氣處理系統(tǒng)),碘吸附器前沒有安裝預過濾器、高效過濾器過濾氣流中的顆粒物,顆粒物極易覆蓋活性炭表面及內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),使活性炭吸附表面積下降,造成除碘效率降低。
針對除碘回路機械泄漏,建議對安裝排架緊固件以及碘吸附器壓緊裝置、密封膠墊、孔洞密封膠等進行定期檢查、修復、更換,從而減小機械泄漏對除碘效率的影響。對于碘吸附器吸附劑失效,建議在有機溶劑、油漆類使用過程中盡量避開除碘回路運行期間。另外,新建核電機組運行初期應加強核島內(nèi)核清潔,降低顆粒物對碘吸附器的影響。
作為事故條件下輻射防護除碘過濾的安全邊界,核電廠通風系統(tǒng)碘吸附器及相關設備的有效運行起著重要的作用。碘吸附器現(xiàn)場效率試驗是確保除碘回路的正常運行、也是核電廠安全運行的必備條件之一。對于其現(xiàn)場試驗安全建議如下:①碘效率試驗涉及放射性試劑和毒性試劑的使用以及放射性廢物處理,試驗人員必須秉持嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、具有熟練的工作技能,嚴格執(zhí)行作業(yè)文件,操作時采取必要的防護措施。②人員可居留區(qū)的新風凈化系統(tǒng)和工藝尾氣處理及排氣正壓系統(tǒng)試驗前通風管路需進行嚴格的密封性檢查。③在延緩、避免除碘回路失效方面,定期排查碘吸附器安裝壓緊裝置和密封孔洞形成的機械泄漏,避免有機試劑在除碘回路運行期間大量使用,增加必要的核清潔次數(shù),從而延長碘吸附器的使用時間。