楊 屹，沈 福，暢 翔，孟 丹，商 潔，馬 弢，楊 柳

(中國輻射防護研究院，太原 03006)

核電站或核設施在運行時，會通過管道或煙囪向大氣環(huán)境中排放氣態(tài)放射性流出物，這些流出物必須經過有效地監(jiān)測和控制，以滿足所規(guī)定的排放限值。煙囪氣態(tài)流出物取樣必須經過合理的設計，否則會導致取樣失去代表性，使得最終采得的樣品低估甚至嚴重低估實際煙囪排放的活度濃度[1-2]。同時，取樣代表性評估也被列為建設許可證(CP)條件，是核電廠安全審評關注的重要問題之一。國際標準化組織(ISO)標準(ISO 2889—2010)和美國標準(ANSI/HPS N13.1—2011)都對核設施氣態(tài)流出物取樣監(jiān)測的有關性能，提出了詳細的量化指標和判定方法[3-5]。

氣溶膠穿透效率是取樣代表性的關鍵指標之一，氣溶膠粒子在取樣傳輸系統(tǒng)中輸運時，由于重力沉降、慣性碰撞、湍流等多種原因，在傳輸管道內表面發(fā)生沉積損失，造成穿透效率(即“經取樣管道傳輸前后的粒子質量之比”)降低。ISO 2889—2010指出“如果在正常工況下，采用Da為10 μm的單分散顆粒物進行試驗的結果表明其穿透效率≥50%，就應認為正常工況、異常工況和預計事故工況下氣溶膠顆粒物取樣系統(tǒng)的性能是合格的”[4]。

本文以國內某核電站煙囪取樣系統(tǒng)為例，選擇Da=10 μm粒徑的氣溶膠粒子開展了穿透效率試驗，介紹了試驗的過程及要求，并對試驗結果進行了分析。

1 試驗方法

本文以某核電站煙囪取樣系統(tǒng)為例，對其進行氣溶膠穿透效率驗證試驗，根據ISO 2889—2010標準[4]推薦，采用Da=10 μm粒子開展試驗。本文采用現場實際安裝的管路系統(tǒng)作為試驗研究對象，該核設施煙囪流出物先后經過多嘴取樣頭、一級取樣管線、二級取樣管線和三級取樣管線，最終到達取樣監(jiān)測裝置，即PIG流出物監(jiān)測系統(tǒng)(如圖1所示)。因此，本試驗研究的取樣管路起點為多嘴取樣頭入口，終點為監(jiān)測裝置入口處。表1給出了各段管線的主要規(guī)格及參數。

圖1 某核電站煙囪取樣系統(tǒng)

表1 取樣系統(tǒng)規(guī)格及參數說明

核電站或核設施的煙囪取樣系統(tǒng)一般長達幾十米，連接全部取樣管路在全尺寸下開展氣溶膠穿透效率試驗，往往受空間限制無法開展。根據已有試驗經驗，可對整個取樣管路系統(tǒng)進行分段測量，各分段管路的穿透效率之積即為整個系統(tǒng)的穿透效率。

1.1 試驗裝置及設備

取樣管路分段后，分別將分段后的待測取樣管路連接至氣溶膠穿透效率試驗裝置(如圖2所示[6])，氣流方向保持與原取樣系統(tǒng)一致。

圖2 試驗裝置示意圖

氣溶膠穿透效率試驗裝置主要由標準粒子發(fā)生裝置、粒子彌散室、取樣裝置、損失測量設備以及試驗管路組成。其中標準粒子發(fā)生器要求可發(fā)生穩(wěn)定的單分散氣溶膠粒子，發(fā)生粒徑(空氣動力學直徑)在1.0 μm～10 μm范圍。穿透效率試驗由標準粒子產生器產生標準粒子輸送到粒子彌散室中，在抽氣泵作用下，彌散室中的粒子經過待測取樣管道發(fā)生管道沉積損失。氣溶膠粒子一部分在測試管道內部沉積造成質量損失，另一部分經測試管道后被高效濾紙收集，試驗中得到這兩部分值即可計算其穿透效率。流量計(含控制器)用于調節(jié)和控制整個試驗裝置的流量，使其與原系統(tǒng)取樣流量保持一致。

1.2 試驗過程及要求

試驗過程分為三個階段：標準粒子發(fā)生、取樣管路沉積、質量測量。

(1)標準粒子產生及要求

本試驗采用TSI 3450作為標準粒子發(fā)生器，通過控制發(fā)生溶液濃度和粒子產生器振動頻率、注入速度等參數，發(fā)生試驗所需的10 μm氣溶膠粒子。產生的氣溶膠粒子應滿足以下要求：(a)粒子符合單分散性的要求，且為標準球形粒子；(b)粒子靜電中和(一般采用靜電中和器進行處理)。

為了保證試驗過程中的一致性，需要多次對產生的氣溶膠粒子進行采集，并測量其粒徑大小，結果如圖3所示。經測量，最大粒徑值為 10.42 μm，最小粒徑值為 9.11 μm，發(fā)生粒子的平均粒徑大小為 9.74 μm，標準差為0.28 μm，氣溶膠粒子粒徑在試驗前后保持一致。

圖3 粒子形態(tài)(500倍)及粒徑分布

一般而言，在發(fā)生溶液濃度、發(fā)生器參數和環(huán)境條件不變的情況下，發(fā)生粒子的粒徑大小基本不發(fā)生變化。

(2)取樣管路沉積

根據圖2所示，搭建測試管路系統(tǒng)，在標準粒子發(fā)生滿足測試要求后，即可進行穿透效率試驗。取樣管路沉積過程應滿足以下要求：(1)取樣流量穩(wěn)定；(2)采樣時間合理。

為了保證測量的準確度，首先通過預試驗確定測試管路的取樣時間和沖洗量范圍。取樣時間的長短由所產生的粒子大小及其后進行質量分析測量的精度而定，為了提高質量分析測量的精度，原則上取樣時間應盡可能長。大粒徑的取樣時間無需過長，根據采樣流量、管路規(guī)格等一般在60 min以內即可；對小粒子試驗，取樣時間需要幾個小時甚至更長。

經預實驗測試，多嘴取樣頭取樣時間為20 min，最大沖洗溶液量200 mL；其他管路取樣時間為60 min，試驗管路沖洗溶液量200 mL。

(3)質量測量

每次取樣完成后，拆卸下測試管道、濾紙，采用定量溶液(粒子發(fā)生溶液的溶劑)沖洗測試管道得到沉積損失部分溶液(沉積損失部分Ml：測試管路氣溶膠沉積損失部分的質量)，濾紙采用定量溶液浸泡得到收集部分溶液(收集部分Mc：收集部分的質量，即取樣管道總透過量)。根據分光光度計測量的溶液濃度(采用扣除本底后的吸光度值替代真實的質量濃度)和溶液體積計算得出其對應的質量。其中Ml+Mc為氣溶膠總質量。

損失測量過程應滿足以下要求：(1)溶液量精確；(2)操作嚴謹細致。

1.3 穿透效率的計算

通過試驗得到各分段管道的沉積損失部分M1(i)和收集部分Mc(i)，通過公式(1)計算整個取樣管道的氣溶膠穿透效率P：

(1)

式中，P為氣溶膠穿透效率；Mc(i)為第i段試驗管路收集部分質量,即取樣管路透過量；Ml(i)為第i段試驗管路氣溶膠沉積損失部分質量；n為取樣管路分段總數。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

通過試驗數據得到了該核設施煙囪取樣管路系統(tǒng)各管線的穿透效率(取三次試驗均值)，同時，利用標準推薦方法自主開發(fā)的“氣溶膠管路損失計算軟件”進行了理論計算[7]，各管線試驗值與計算值的對比列于表2。

表2 各管線穿透效率試驗值與計算值的對比

由表2可以看出，氣溶膠總穿透效率試驗值(48.42%)略大于計算值(44.88%)，但小于標準[4]規(guī)定的50%的要求。

經分析，三級取樣管線中間設置了兩個90°彎頭(圖1中①和②所示)，在一定程度上增加了損失率。為了提高穿透效率，可取消彎頭，采用直管連接，改進取樣系統(tǒng)性能。試驗測得改進后的三級取樣管線穿透效率由90.73%提高至99.70%(見表3)。改進后，煙囪取樣系統(tǒng)總穿透效率可由原來的48.42%提高至53.21%，滿足了標準規(guī)定的大于50%的要求。

表3 三級取樣管線改進前后穿透效率對比

2.2 試驗誤差

氣溶膠的沉積損失是十分復雜的，需要長期積累的大量試驗經驗。沉積損失率試驗一般都具有較好的重復性，最大試驗偏差(經驗值)一般不會超過±15%。本試驗的主要誤差(經驗值)來源于粒子大小測量、沉積損失測量等，表4列出了誤差來源及大小。

表4 誤差來源及大小

3 討論

本研究通過試驗得到了該核電站煙囪氣態(tài)流出物取樣系統(tǒng)在Da=10 μm粒徑下的氣溶膠穿透效率試驗結果為48.42%，略低于標準要求(≥50%)。經過對其三級取樣管線改進，穿透效率可提升至53.21%，改進后的煙囪取樣系統(tǒng)在氣溶膠穿透效率指標上滿足標準要求。在本試驗中，下述幾點應引起注意：

(1)針對本文中的核設施，其煙囪流出物中氣溶膠粒徑分布尚不明確，根據ISO 2889—2010標準[4]推薦，采用了推薦的10 μm粒子開展試驗，可以滿足最小穿透效率的測定。對于粒徑分布相對明確的核設施，以實際的粒徑分布開展試驗最佳。

(2)由三級取樣管線改進前后的對比，可以看出，彎頭對穿透效率的影響很大。因此，煙囪取樣系統(tǒng)應盡量減少彎頭的數量，且彎頭曲率半徑盡可能大(R≥5D)；同時，水平直管也應盡可能地短。

(3)相比大多數采用單一管徑的煙囪取樣系統(tǒng)，試驗管路采用的三級取樣管線，有效減少了沉積損失。尤其對于長度超過60 m且包含8個彎頭的一級取樣管線，穿透效率能夠高達近80%，一般單一管徑的取樣系統(tǒng)很難做到。因此，合理設計的多級取樣管線能夠有效提升整個取樣系統(tǒng)的性能。

根據國內現實，核設施氣態(tài)流出物的取樣管線一般都較長，ISO 2889—2010標準[4]中關于10 μm粒子的穿透系數不小于50%的要求，對新建核設施的取樣系統(tǒng)設計提出了更高要求，同時為舊設施的升級改造提供了依據。從監(jiān)管角度，如何理解和執(zhí)行該標準，也是當下所面臨的一大問題。因此，有必要進一步開展此方面的研究。