楊炯，操豐，高磊，雷春輝，袁會勇

（1.國核電站運行服務技術(shù)有限公司；2.國核示范電站有限責任公司，上海 200235）

AP1000是美國西屋公司設(shè)計的三代先進非能動型壓水堆，三門、海陽一期各建設(shè)了兩臺機組，由于來源于美國，在管理上，借鑒了美國核管會（NRC）的要求。傳統(tǒng)核電廠主控室一般設(shè)計為微正壓，該方法可有效維持主控室壓力邊界完整性，美國三里島事故之后，NRC對美國30%的核電廠主控室執(zhí)行了主控室可居留性內(nèi)漏試驗，發(fā)現(xiàn)只有一座核電廠主控室內(nèi)漏數(shù)值小于執(zhí)照許可，其余均存在不同程度的超標。NRC于2003年發(fā)了通用函件，向美國各核電廠提出了測定主控室內(nèi)漏量的要求。目前，三門、海陽四臺AP1000機組順利完成了主控室區(qū)域內(nèi)漏試驗，為后續(xù)開展華龍一號CAP1400主控室可居留性內(nèi)漏試驗積累了重要的理論和實踐經(jīng)驗。

1 主控室區(qū)域可居留性

1.1 核電廠可居留系統(tǒng)

為保護核電廠工作人員和設(shè)備免受氣載放射性和火災的危害并使相關(guān)區(qū)域的環(huán)境溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，AP1000設(shè)置了相關(guān)系統(tǒng)以保證人員的可居留性和設(shè)備安全可靠運行的條件。

在電廠可居留系統(tǒng)中包括了主控室應急可居留系統(tǒng)（VES），其它可居留系統(tǒng)有核島非放射性通風系統(tǒng)（VBS）、輻射檢測系統(tǒng)（RMS）、主交流電源系統(tǒng)（ECS）和消防系統(tǒng)（FPS）等。

設(shè)計基準事故后，主控室（MCR）的可居留性首先要保護運行人員免受放射性危害。AP1000設(shè)計基準事故的氣載源項來源于安全殼內(nèi)泄漏出來的氣載裂變產(chǎn)物，以及假設(shè)從乏燃料池氣化產(chǎn)生的氣載裂變產(chǎn)物。MCR周圍的氣載裂變產(chǎn)物濃度是裂變產(chǎn)物衰減常數(shù)、安全殼泄漏率和氣象條件的函數(shù)，而MCR內(nèi)的放射量除此之外，還取決于MCR壓力邊界內(nèi)漏量。

1.2 主控室可居留區(qū)域

AP1000主控室可居留區(qū)域包括MCR和技術(shù)支持中心(CSA)，CSA承擔了部分MCR職能，在應急工況下向核電廠操縱員提供核電廠管理和技術(shù)支持；提供評估和診斷核電廠狀態(tài)的場所，避免MCR過于擁擠；解除操縱員承擔的與電廠操作無關(guān)的通信和輔助工作等。因此在執(zhí)行主控室可居留性內(nèi)漏試驗時，把CSA也列入可居留區(qū)域，由VBS系統(tǒng)維持其可居留性，MCR還有專設(shè)的VES系統(tǒng)。

1.3 主控室區(qū)域壓力邊界

MCR和CSA位于輔助廠房117'6"標高上，圖1為主控室壓力邊界示意圖，MCR由主控制區(qū)、運行工作區(qū)、運行休息區(qū)、值長辦公室、廁所等組成，圖1標識了主控室壓力邊界，明確哪些區(qū)域是被排除在邊界以外的。

圖1 主控室壓力邊界示意圖

主控室壓力邊界除了上述所示的實體邊界外，還包括通風系統(tǒng)邊界，在分析主控室可居留性時，通風系統(tǒng)邊界容易被忽略。主控室區(qū)域墻體貫穿件要采用密封設(shè)計，與混凝土接觸的貫穿套管外表面采用環(huán)氧樹脂填縫劑密封；套管內(nèi)部，與管道、電纜等接觸的內(nèi)表面采用密封組件進行密封，密封材料要求可以承受62.2Pa的壓力。圖2為HVAC貫穿件密封示意圖。實踐中，核電廠可能存在貫穿件密封材料使用不規(guī)范、材料不符合防火要求等問題。容易產(chǎn)生泄漏的位置除了貫穿件之外，還有風管焊縫、檢修艙門、空氣處理單元外殼、隔離阻尼器等，要切實組織邊界檢查，否則可能出現(xiàn)試驗不合格情況。

組織邊界檢查，其中的重點工作就是檢測貫穿件是否按照設(shè)計要求進行密封，執(zhí)行時，首先獲取MCR和CSA貫穿件圖紙，然后標注所有的貫穿件，之后到現(xiàn)場實際查驗，確保在執(zhí)行基準內(nèi)漏試驗前沒有未處理的貫穿件。

1.4 主控室區(qū)域HVAC系統(tǒng)

VES系統(tǒng)是電廠專設(shè)的安全設(shè)施，為MCR提供可居留環(huán)境，以保證主控室工作人員可在事故后72h內(nèi)監(jiān)視事故進程，采取必要的事故緩解和電廠恢復措施，VES系統(tǒng)有4個VES應急空氣儲存模塊，每個模塊有8個儲存箱，共計32個儲存箱，儲存箱供給呼吸用干燥氣體。

圖2 HVAC貫穿件密封示意圖

在電廠正常運行時，不要求VES運行，由VBS系統(tǒng)為MCR、CSA等區(qū)域提供正常或者異常的通風空調(diào)服務，圖3為AP1000核電廠主控室通風系統(tǒng)原理圖。

如果電廠失去正常電源而導致VBS無法運行時，VES即為MCR提供人員呼吸條件，且提供非能動的熱阱功能，在72小時內(nèi)保證這些房間溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。事故工況下，當MCR送風管道中探測到“高-高”粒子或碘放射性，或持續(xù)喪失廠用交流電源超過10min，也將啟動VES系統(tǒng)，為主控室人員提供可居留性環(huán)境。

2 示蹤氣體技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

示蹤氣體測量方法的實質(zhì)是用一定濃度的示蹤氣體標識某一部分氣流，并假定在這一氣流中示蹤氣體濃度均勻一致.則當這一氣流與其它氣流摻混時，示蹤氣體濃度變化即可代表各氣流所占比例，這類釋放方法特別適用于進入控制體的氣流入口很多，且流量不穩(wěn)定可控的試驗中。

示蹤氣體的基本測量方法有三種：濃度衰減法，恒定濃度法和恒定流量法。這三種方法有各自的適用條件及對儀器設(shè)備的不同要求，但其共同之處都是在所研究的控制體內(nèi)釋放示蹤氣體，以使控制體內(nèi)原有空氣區(qū)別于從控制體外進入的空氣，這一特點必然要求示蹤氣體與控制體內(nèi)空氣始終迅速混合均勻，以保證示蹤氣體濃度變化能表征控制體的換氣量，因而在這一類測量方法中，示蹤氣體在空間中的混合均勻性始終是需要關(guān)注的重要問題。目前國內(nèi)的主控室可居留性內(nèi)漏試驗是參照美國標準ASTM E741執(zhí)行的，隨著實踐的積累和理論研究的成熟，國內(nèi)執(zhí)行標準《核電廠主控室可居留性內(nèi)漏試驗》已經(jīng)制定完成。

2.2 示蹤氣體選擇

示蹤氣體一般要求無毒無味，非易燃易爆，空氣中該氣體濃度較低，行業(yè)普遍使用SF6作為示蹤氣體，微量的SF6也能被氣相色譜儀檢測到，是通風系統(tǒng)性能試驗的理想示蹤氣體。

2.3 恒定流量法原理

圖3 AP1000主控室通風系統(tǒng)原理圖

目前示蹤氣體技術(shù)在核電廠主控室內(nèi)漏試驗的應用，國內(nèi)尚處于起步階段，只采用過恒定流量法。AP1000機組主控內(nèi)漏試驗即采用恒定流量法，恒定流量法指的是將示蹤氣體以恒定速率注射到主控室區(qū)域，并測量主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度隨時間的變化。當示蹤氣體濃度達到平衡時，用平衡濃度來計算進入主控室區(qū)域的總氣流量，其計算模型見圖4。

圖4 恒定流量法原理示意圖

根據(jù)示蹤氣體質(zhì)量守恒定律計算：

式中，V為主控室區(qū)域體積（m3）；C(t)為主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度（m3/m3）；S(t)為示蹤氣體釋放速率（m3/h）；Qinput(t)為待測區(qū)域與外界的空氣交換總量（m3/h）；C0為外界的示蹤氣體濃度（m3/m3）；t為時間（h）。

恒定流量法，S(t)=const，忽略外界示蹤氣體濃度，假設(shè)Qinput(t)為常數(shù)，得出：

經(jīng)過足夠長時間后，指數(shù)衰減為零，C(t)達到平衡，即可得出：

可以看出，主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度先隨時間增加而增加，最終達到穩(wěn)定，如圖5所示。根據(jù)ASTM E741，達到平衡的時間大約是3/A的時間，A是主控室區(qū)域換氣次數(shù)，見公式（4），此時主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度達到了最終平衡濃度的95%。

圖5 濃度增長曲線

達到平衡的時間Teq=3/A，

式中，A換氣次數(shù)（1/h）。

如果主控室區(qū)域新風量很低，對應的換氣次數(shù)也很低，則主控室區(qū)域示蹤氣體達到平衡濃度的時間會很長，這對試驗執(zhí)行將是一個重大挑戰(zhàn)，這時可使用濃度衰減法進行試驗，恒定濃度法在操作上存在較大難度，實際使用較少。但工程實踐中，不推薦使用濃度衰減法，濃度衰減法雖然操作簡單，但在其計算過程中，需要以主控室區(qū)域自由體積為輸入?yún)?shù)，而自由體積通常較難估計，會給試驗結(jié)果帶來較大的不確定度。

新風量Qm測量可以使用通風系統(tǒng)原設(shè)計的流量測量設(shè)備，例如皮托管或者風速儀等，在AP1000機組實踐中，為了獲得更高的精度，依照標準ASTM E2029采用了示蹤氣體方法，其原理是通過在新風管上游連續(xù)的引入已知濃度的示蹤氣體，然后測量注入點下游的示蹤氣體濃度，該濃度值與管道流量成反比，圖6為其計算原理圖。

圖6 新風量計算原理圖

內(nèi)漏量即為：

3 試驗執(zhí)行

3.1 試驗準備

在執(zhí)行AP1000主控室內(nèi)漏試驗時，無論是VBS系統(tǒng)試驗還是VES系統(tǒng)試驗，都有眾多先決條件，試驗執(zhí)行前，應按照設(shè)計文件、試驗技術(shù)規(guī)格書要求把主控室區(qū)域及相鄰區(qū)域HVAC系統(tǒng)配置到適當?shù)膮?shù)上。

在首次執(zhí)行主控室內(nèi)漏試驗前需進行主控室區(qū)域邊界檢查，識別邊界或組件上的會產(chǎn)生內(nèi)漏的缺陷，以進行試驗前維修或者設(shè)計變更。

首次執(zhí)行主控室內(nèi)漏試驗前允許采取行動使主控室區(qū)域和相關(guān)系統(tǒng)性能表現(xiàn)與執(zhí)照基礎(chǔ)一致，但執(zhí)行后續(xù)定期試驗時，可采取的措施是有限的。

定期試驗執(zhí)行前允許采取永久性行動，例如永久性密封管道、外殼或空氣處理單元；不應對主控室區(qū)域和相關(guān)通風系統(tǒng)進行預調(diào)節(jié)，例如更換門密封條或臨時性修復、或在執(zhí)行試驗之前采取強化主控室區(qū)域邊界完整性的活動。因為采取這些措施意味著核電廠主控室可居留性程序沒有發(fā)揮應有的作用，也可能是主控室區(qū)域維修和可居留性評估間隔太長。只有真實的內(nèi)漏測量，才能對主控室區(qū)域和相關(guān)通風系統(tǒng)的完整性進行評估，并確定主控室可居留性程序的有效性。

3.2 濃度均勻措施

使用示蹤氣體技術(shù)的一個重要假設(shè)是示蹤氣體與被測區(qū)域內(nèi)空氣充分混合均勻，這個過程美國多數(shù)核電站需要0.5～2小時，在AP1000機組上，這一時間要長，因此需要采用風扇輔助混合，主控室區(qū)域也需要適當?shù)牟贾?。通過主控室區(qū)域內(nèi)不同位置的取樣，可以判斷出混合情況，主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度相對標準偏差可以容易的達到在±10%，達到±2%也是有可能的。

3.3 濃度分析

試驗時在HVAC系統(tǒng)適當位置上注入示蹤氣體，為了確保主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度快速接近平衡濃度，可先進行高濃度示蹤氣體注射、然后切換到低濃度示蹤氣體，需要精確把握高濃度示蹤氣體注射時間，高濃度示蹤氣體一旦注射過量，可能需要較長時間主控室區(qū)域示蹤氣體濃度才能衰減到平衡濃度，導致試驗超期。

平衡之后，開始正式取樣，可使用一次性聚丙烯注射器作為取樣容器，MCR和CSA房間內(nèi)的樣品可以直接手動收集，HVAC管道上的樣品可以使用專為現(xiàn)場研發(fā)的取樣系統(tǒng)進行取樣。取樣期間不允許開關(guān)主控室邊界門。

取得的樣品用專門為現(xiàn)場試驗研制的氣相色譜儀進行分析，氣相色譜儀使用前需要用標準氣體進行標定，以確保把儀器基線漂移和靈敏度改變降到最低。

3.4 不確定度計算

內(nèi)漏量測量和管道流量測量結(jié)果的不確定度計算是根據(jù)ANSI/ASME Standard PTC 19.1完成的，使用置信區(qū)間法，因為基于成本和操作上的考慮，一般不可能重復進行試驗，來獲得足夠的內(nèi)漏量數(shù)值進行統(tǒng)計分析，因此僅進行基于標準差計算的不確定性分析。

3.5 試驗結(jié)果與問題分析

由于試驗執(zhí)行經(jīng)驗、試驗準備、主控室區(qū)域HVAC設(shè)計等原因，可能會出現(xiàn)內(nèi)漏量數(shù)值超過驗收標準的情況，這時往往需要采取相應的措施，例如進行設(shè)計變更、系統(tǒng)組件維修等，然后重新進行試驗。由于試驗期間需要進行MCR、CSA區(qū)域管制，對正常全面開展核電廠調(diào)試或運行工作有一定影響，因此試驗前要進行充分的條件準備。

試驗中，多項數(shù)據(jù)測量的精確性對于試驗結(jié)果影響較大，因此要重點關(guān)注，例如示蹤氣體注射時使用的質(zhì)量流量控制器，準確度應在±2%以內(nèi)。

要提前考慮MCR、CSA區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度分布均勻問題，要采取必要的空氣混合措施，并合理布置取樣測量點。

3.6 壓差測量

測量主控室可居留區(qū)域相對于其相鄰區(qū)域壓差，以評估主控室內(nèi)漏來源和相關(guān)通風系統(tǒng)的運行情況。

壓差測量一般在平衡之前，在MCR、CSA房間放置一臺絕壓表，每分鐘記錄一次壓力數(shù)值，然后用另一臺絕壓表測量周圍區(qū)域或房間壓力，最后需進行數(shù)值漂移和壓差修正。

4 結(jié)語

綜上所述，AP1000機組采用恒定流量法，以SF6作為示蹤氣體，進行主控室內(nèi)漏試驗，取得了良好的實踐結(jié)果，恒定流量法理論和實踐成熟，且計算過程中，不需要以主控室自由體積為參數(shù)，應作為國內(nèi)執(zhí)行主控室內(nèi)漏試驗的首選方案。在執(zhí)行主控室內(nèi)漏試驗前，應制定詳細的邊界檢查方案，仔細確認壓力邊界完整性，否則可能出現(xiàn)超出預期的試驗結(jié)果。AP1000機組主控內(nèi)漏試驗推動了國內(nèi)主控室可居留性標準化體系建設(shè)，為后續(xù)CAP1400機組、華龍一號機組主控內(nèi)漏試驗提供了充分的理論和經(jīng)驗指導，具有十分重要的意義。