張計榮,陸 彬,王 稹,梁 飛,李世軍,吳 波

(1.中國輻射防護研究院環(huán)境工程技術(shù)研究所，太原 030006；2.福建寧德核電有限公司技術(shù)部，福建 寧德 355200)

前 言

核電作為一種清潔能源，正常情況下幾乎不會對環(huán)境造成污染，已成為電力工業(yè)的重要組成部分，積極推進核電建設已成為我國能源建設的一項重要國策。當核電站發(fā)生超設計基準的嚴重事故時，核反應堆安全殼內(nèi)的壓力會不斷升高，有可能使得安全殼完整性受到破壞，導致大量氣載放射性污染物釋放對環(huán)境及人員產(chǎn)生巨大不利影響，如2011年發(fā)生的日本福島核事故，僅向大氣環(huán)境中釋放的放射性131-I就近1.6×1017Bq[1]。安全殼過濾排放系統(tǒng)(Filtered Containment Venting System,簡稱FCVS)是核電站應對嚴重事故的有效緩解措施之一，通過主動泄壓實現(xiàn)反應堆安全殼內(nèi)的壓力不超過承載限值，以維持安全殼的完整性，凈化單元對氣流中的放射性污染物進行凈化以降低其對環(huán)境造成的危害。文丘里洗滌過濾型FCVS因其性能優(yōu)越而被廣泛認可與應用，已成為安全殼過濾排放系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。對國內(nèi)外文丘里洗滌過濾型FCVS性能評價的現(xiàn)狀進行了闡述與比較，指出了國內(nèi)開展性能評價是不全面的，需進一步開展相關(guān)性能評價研究；此外，作為嚴重事故工況的過濾系統(tǒng)，也應開展現(xiàn)場試驗研究，以驗證其功能和性能滿足要求。

1 文丘里洗滌過濾型FCVS簡介

文丘里洗滌過濾型FCVS較成熟的設計制造方有美國Westinghouse公司和法國AREVA公司，美國Westinghouse公司設計的多管文丘里洗滌過濾型FCVS，存在文丘里管數(shù)量多、造價高且不利于維修的弊端，本文不做進一步討論。法國AREVA公司設計的高速滑壓文丘里洗滌過濾型FCVS，不同工況下流經(jīng)文丘里洗滌器的體積流量相對恒定，長短期運行均能對氣載放射性污染物保持較高的過濾效率，被世界上多個國家實際應用或國產(chǎn)化研制。標準高速滑壓文丘里洗滌過濾型FCVS由文丘里洗滌器、金屬纖維過濾器凈化單元組成，其中文丘里洗滌器中是含有一定量NaOH和Na2S2O3成分的水洗液，去除排放氣體中較大粒徑的放射性氣溶膠、單質(zhì)碘和有機碘；而金屬纖維過濾器則用于去除細小粒徑的氣溶膠；后由于安全、環(huán)境、管理等要求的提高，AREVA公司對標準高速滑壓文丘里洗滌過濾型FCVS進行了改進，在金屬纖維過濾器之后又增設了分子篩吸附器凈化單元，使得有機碘的去除效率進一步提高。圖1給出了最先進三模塊組合文丘里洗滌過濾型FCVS的流程示意[2]。

圖1 文丘里洗滌過濾型FCVS(三模塊)Fig.1 Venturi scrubbing and filtration type FCVS

2 國外文丘里洗滌過濾型FCVS性能評價現(xiàn)狀

核反應堆安全殼的完整性分析及應對嚴重事故確保其完整性措施的研究與評估由來已久，核技術(shù)應用領(lǐng)先的法國，在上世紀70年代發(fā)布的核反應堆安全分析報告，認為有潛在的風險導致安全殼破裂從而使其完整性得到破壞[3]；美國三里島核事故后，通過主動泄壓使得安全殼內(nèi)的壓力不超過其承載限值，以緩解和消除其完整性受到破壞的威脅，成為了國際研究機構(gòu)一致的設計理念；前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故造成巨大的不利環(huán)境影響后，對核反應堆FCVS的改進、評價與應用更是引起了世界各國的廣泛關(guān)注；日本福島核事故后，各個國家再次進一步啟動了適用于緩解嚴重事故的FCVS的性能研究與評估工作。

在文丘里洗滌過濾型FCVS性能評價方面，早期AREVA公司僅對文丘里噴嘴進行BaSO4氣溶膠去除效率試驗，參考法國AFNOR NF 44-011標準[4]對金屬纖維過濾器進行熒光素鈉氣溶膠去除效率試驗,并不開展元素碘、有機碘去除效率評價測試。目前AREVA公司具備了在不同壓力(0.02～1.0)MPa、流量、氣體組分條件下，應用寬粒徑范圍的BaSO4、SnO2、CsI、MnO、DOP、熒光素鈉等開展氣溶膠去除效率評價；此外，還可以進行元素碘、有機碘的去除性能評價測試。其標準及改進后的文丘里洗滌過濾型FCVS性能評價后給出的技術(shù)指標[5]見表1。

表1 AREVA公司文丘里洗滌過濾型FCVS及其性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of scrubbing and filtration type FCVS produced by AREVA company

注:S:Standard;P:Plus;a:小粒徑氣溶膠粒子;b:大粒徑氣溶膠粒子。

福島核事故后，日本對將安裝在柏琦-卡里瓦核電站的文丘里洗滌過濾型FCVSP進行了高溫蒸汽流條件下的氣溶膠凈化系數(shù)試驗、輕微過熱條件下的甲基碘凈化系數(shù)試驗；韓國自2013年起啟動了文丘里洗滌過濾類型FCVS的研制工作，性能評價分為凈化組件性能測試、整體測試及第三方驗證[6]，其中在FNC技術(shù)有限公司開展凈化組件性能測試[7]，在韓國原子能研究院(KAERI)開展去除氣溶膠、碘的整體效率測試，最終FCVS的可用性由瑞士保羅謝爾研究院(PSI)開展了第三方驗證試驗；印度也開展了應用于FCVS的實驗室規(guī)模文丘里洗滌器除單質(zhì)碘性能研究[8]。

目前，上述國外研究機構(gòu)建立的文丘里洗滌過濾型FCVS性能評價系統(tǒng)[9]及其可開展的試驗項目見表2，由此可見，國外多家研究機構(gòu)開展了FCVS對氣溶膠、元素碘及有機碘的去除效率性能評價研究，以此判斷FCVS去除放射性氣溶膠、碘的效率是否達到了設計要求。

表2 國外FCVS性能評價實驗系統(tǒng)匯總Tab.2 Summary of foreign FCVS performance evaluation experiment

3 國內(nèi)文丘里洗滌過濾型FCVS性能評價現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)核電站配備的安全殼過濾排放系統(tǒng)以文丘里洗滌過濾型FCVS為主[10]，供貨方即為AREVA公司，除成本高以外，如有國際貿(mào)易爭端等將有可能導致無法采購到該類型產(chǎn)品，且不利于我國核電的自主化與走出去。因此，國內(nèi)有部分科研院所、高校開展了文丘里洗滌過濾型FCVS的國產(chǎn)化研制與性能評價工作，成果較為突出的主要是中船重工第七一八所、哈爾濱工程大學等。

中船重工第七一八所開發(fā)了文丘里洗滌過濾型FCVS[11]，并制定了安全殼過濾排放裝置企業(yè)標準[12]，其性能評價含外觀檢查、去除氣溶膠試驗和過濾容器的壓力試驗，其中去除氣溶膠效率試驗的條件與要求見表3。由此可見，去除氣溶膠效率測試僅局限于大粒徑的氣溶膠去除效率測試，且未在安全殼過濾排放系統(tǒng)實際工況下進行效率測試，此外，也不要求對安全殼過濾排放裝置開展除碘性能評價。

表3 氣溶膠效率試驗條件及要求Tab.3 Conditions and requirements of aerosol efficiency test

哈爾濱工程大學也對文丘里洗滌過濾型FCVS開展了研制與性能評價工作，建立了1/6大尺寸整體性能試驗系統(tǒng)和鼓泡層實驗臺架，用于研究系統(tǒng)的水力學和過濾性能，鼓泡層對CH3I的過濾性能[9]，哈爾濱工程大學在此方面較突出的研究成果如下。

3.1 氣溶膠去除效率性能評價

基于滿足效率試驗驗證結(jié)果的有效性與保守性原則，綜合考慮試驗的安全性與可操作性，確定了試驗用氣溶膠為BaSO4、TiO2，質(zhì)量中值直徑為1μm，粒徑分布的幾何偏差為(1～2)，配送壓力為(0.1～0.65)MPa，主管道配送濃度為(50～900)mg/m3[13]；結(jié)合嚴重事故工況安全殼過濾排放系統(tǒng)的啟動壓力、運行時間，研制了基于氣力輸送原理的固體粉末氣溶膠發(fā)生裝置[14]，可實現(xiàn)在高壓模式下、連續(xù)不間斷、發(fā)生質(zhì)量濃度可調(diào)節(jié)地供給試驗用氣溶膠；在氣溶膠取樣測試技術(shù)研究方面，采用了基于濾膜稱重法原理的氣溶膠過濾效率測試技術(shù)[15]，為了避免采樣濾膜吸濕后對濾膜稱重結(jié)果的影響，采樣濾膜選取了疏水性的聚四氟乙烯濾膜，在200℃條件下將濾膜在采樣前后分別烘干2h至恒重，并采取了措施避免靜電現(xiàn)象對測量結(jié)果的影響。

根據(jù)濾膜稱重法的原理，影響氣溶膠過濾效率計算的另外一個參數(shù)是氣體取樣體積，而對于空氣與水蒸氣混合介質(zhì)的取樣，目前沒有可用于混合氣體積測量的流量計，基于氣溶膠在載氣中均勻分布、進入氣體流量計前水蒸氣被完全冷凝的前提，氣溶膠濃度則僅與空氣的取樣體積有關(guān)。因此，在滿足取樣段的保溫、進入氣體流量計前水蒸氣的充分冷凝條件下，科學地設計了圖2所示的氣溶膠取樣系統(tǒng)，實現(xiàn)了氣體體積的準確計量。

1.采樣器;2.壓力變送器;3.數(shù)據(jù)采集板;4.凝液罐;5.換熱器;6.減壓閥;7.加熱帶;8.溫控儀圖2 氣溶膠取樣系統(tǒng)Fig.2 Aerosol sampling system

3.2 放射性碘去除效率性能評價

嚴重事故工況下，事故安全殼內(nèi)釋放的氣體中不僅僅攜帶有放射性氣溶膠，還有放射性元素碘、有機碘等物質(zhì)。哈爾濱工程大學在開展文丘里洗滌過濾型FCVS研制時，開展了文丘里洗滌器凈化單元對元素碘、甲基碘去除效率的影響因素及改進等方面做了研究，主要是引射量、氣相流量、碘濃度、溫度、喉部氣流速度及淹沒層深度等因素對碘過濾性能的影響[16-17]。氣態(tài)元素碘的采樣通過KI溶液將其吸收，然后用分光光度法測量，并開展了放置時間、方式及溫度[18]對吸收液吸光度的變化規(guī)律研究；對于有機碘代表性的甲基碘去除性能測試研究方面，以去離子水和堿性硫代硫酸鈉溶液為吸收液，在吸收液溫度、濃度不同條件下開展了甲基碘的去除效率研究，對物理傳質(zhì)、化學反應等[19]不同甲基碘去除機理及影響做了研究；此外，哈爾濱工程大學曾申請了一個專利，提及了元素碘、有機碘的配送及取樣[20]；設計了一體式安全殼過濾排放系統(tǒng)[21]，增設銀沸石過濾器凈化單元用于改善有機碘過濾效率，但調(diào)研到的現(xiàn)有公開文獻并沒有最終的整體除碘性能評價結(jié)果報告。

從目前調(diào)研到的公開資料來看，我國在文丘里洗滌過濾型FCVS性能評價方面已經(jīng)取得了相當不錯的進展，但在某些性能評價方面仍未開展，特別是與AREVA公司相比仍有一定的差距。中船重工七一八所起草的企業(yè)標準，僅局限于大粒徑的氣溶膠去除效率測試，且未在安全殼過濾排放系統(tǒng)實際工況下進行效率測試，此外，也不要求對安全殼過濾排放裝置開展除碘性能評價；哈爾濱工程大學以文丘里洗滌過濾型FCVS中的文丘里洗滌器凈化單元性能研究為主，開展了文丘里洗滌器凈化單元去除大粒徑氣溶膠、去除碘效率評價研究。所有調(diào)研到的公開資料，未表明開展過金屬纖維過濾器凈化單元去除小粒徑氣溶膠粒子效率評價技術(shù)研究。

4 開展FCVS現(xiàn)場試驗評價技術(shù)研究的必要性分析

安裝到現(xiàn)場的FCVS，安裝質(zhì)量如何，隨著時間的推移其性能變化如何，是有必要通過現(xiàn)場試驗驗證其性能和功能的。中國國家核安全局發(fā)布修訂的HAF102-2016第6.9.5條指出：為使氣載放射性物質(zhì)向環(huán)境的釋放保持在規(guī)定的限值以內(nèi)，凈化設備必須具備必需的滯留因子，過濾系統(tǒng)必須具有測試其效率的條件，能夠在壽期內(nèi)定期監(jiān)測其性能和功能；作為嚴重事故工況下的過濾排放系統(tǒng)，理應定期監(jiān)測其性能和功能；但制約于目前評價技術(shù)不全面、現(xiàn)場模擬嚴重事故工況不可行性，我國現(xiàn)有的行業(yè)標準[22]對FCVS的試驗和檢查做了相關(guān)規(guī)定，不要求對整個系統(tǒng)的過濾性能進行評價；管理部門已經(jīng)逐漸意識到了該工作的必要性，國內(nèi)已有多家核動力廠就FCVS現(xiàn)場性能評價技術(shù)提出了需求。因此，開展FCVS現(xiàn)場試驗評價技術(shù)研究是必要的。

5 結(jié)論與建議

國內(nèi)文丘里洗滌過濾型FCVS性能評價研究尚不全面，需進一步開展相關(guān)性能評價研究，以完善安全殼過濾排放系統(tǒng)的性能評價技術(shù)；此外，目前所開展的評價技術(shù)研究僅僅局限于安全殼過濾排放系統(tǒng)的出廠驗收試驗，建議進一步探討實施現(xiàn)場性能評價的可行性，并研究切實可行的現(xiàn)場試驗評價技術(shù)，以便定期對其功能及性能進行驗證以掌握系統(tǒng)性能的變化，以便采取相應的措施維持其應有的功能及性能。