安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)專利技術(shù)綜述

周桂芳

摘 要：核電站安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)（Containment Filtration and Exhaust System）是防止放射性產(chǎn)物釋放到環(huán)境中的最后一道屏障，它的完整性對(duì)環(huán)境保護(hù)具有相當(dāng)大的作用。本文對(duì)CFES專利申請(qǐng)從申請(qǐng)量、區(qū)域分布、技術(shù)主題和主要申請(qǐng)人等方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：安全殼；卸壓；過(guò)濾

當(dāng)發(fā)生堆芯熔融事故后，堆芯熔融物與水及混凝土底板發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量的不凝結(jié)氣體，使安全殼內(nèi)壓力升高，若達(dá)到安全殼壓力承載限值，會(huì)導(dǎo)致放射性物質(zhì)逸出。對(duì)此，核電站配有安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)，通過(guò)主動(dòng)卸壓使安全殼內(nèi)壓力不超過(guò)承載限值，同時(shí)在卸壓管線上安裝過(guò)濾系統(tǒng)和輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

一、數(shù)據(jù)庫(kù)選擇和檢索

為了解安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)的專利申請(qǐng)狀況，在CNABS、VEN檢索獲得統(tǒng)計(jì)分析的樣本。檢索關(guān)鍵詞為：安全殼，containment；過(guò)濾，水洗，洗滌，凈化，filter，filtration，scrubbing，wash，purify；排放，排氣，exhaust，discharge，vent；泄壓，卸壓，降壓， pressure release， pressure relief。檢索分類號(hào)為G21C、G21D、G21F。

二、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

安全殼過(guò)濾器排放系統(tǒng)大致歷經(jīng)了三個(gè)階段：砂床過(guò)濾排放，金屬纖維過(guò)濾排放，濕式過(guò)濾排放。

1.申請(qǐng)量趨勢(shì)

年度申請(qǐng)量如圖1所示，從1958年至1981年全球申請(qǐng)量徘徊在較低水平，年均不到20件；經(jīng)過(guò)前期數(shù)十年的技術(shù)積累，1981年之后迎來(lái)一個(gè)短暫的申請(qǐng)量增長(zhǎng)期，至1993年達(dá)到一個(gè)小高峰，為67件；從1993年之后，盡管全球申請(qǐng)量在1999年至2011年有一個(gè)小回落，但仍然呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，尤其是2012年至今申請(qǐng)量陡增，這主要得益于中國(guó)近年來(lái)重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)的投入。

2.區(qū)域分布

申請(qǐng)量區(qū)域分布如圖2所示，日本申請(qǐng)量為174件，占比53.5%，這一點(diǎn)也可從表1看出。位居其次的是美國(guó)和中國(guó)，二者總申請(qǐng)量不相上下。盡管最早在核電站采用安全殼過(guò)濾器的是法國(guó)：砂床過(guò)濾器，但是其專利申請(qǐng)量卻位居第四，且集中在早期。同樣，金屬纖維過(guò)濾器的最早開(kāi)發(fā)者和使用者均屬于德國(guó)，該方面的專利申請(qǐng)量仍增長(zhǎng)不足。

3.技術(shù)主題分析

安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)主要部件為過(guò)濾器，因此其大部分申請(qǐng)是過(guò)濾器本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。其次，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器的放射性氣體需要經(jīng)過(guò)放射性活度監(jiān)測(cè)達(dá)標(biāo)后才可排放至大氣，該系統(tǒng)的主要功能是為安全殼卸壓，因此樣本中涉及有放射性活度監(jiān)測(cè)、安全殼卸壓策略、預(yù)防氫氣爆炸以及放射性物質(zhì)的過(guò)濾方式等技術(shù)主題，下面分別就以上幾個(gè)方面對(duì)有關(guān)安全殼過(guò)濾系統(tǒng)的專利申請(qǐng)進(jìn)行分析。

（1）過(guò)濾器本體改造

在過(guò)濾器本體結(jié)構(gòu)改造的專利申請(qǐng)中，大多集中在濕式過(guò)濾排放系統(tǒng)，例如其需不間斷地向過(guò)濾器容器中添加濾碘溶液，如DE102013205524A1、US2006/0188055A1；例如增大放射性氣體與濾碘溶液的接觸面積，以使二者充分混合，提高過(guò)濾效率，如CN104412328A將文丘里管的噴嘴設(shè)計(jì)為V型；安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)還肩負(fù)著排出放射性氣體的衰變熱的功能，如CN103111211A中將從安全殼排出的氣體首先通過(guò)浸沒(méi)在冷卻池中的螺旋型的紫銅管移除衰變熱，然后再進(jìn)入過(guò)濾器；過(guò)濾器中的金屬纖維需要定期更換，而金屬纖維中聚集大量放射性物質(zhì)，因此更換金屬纖維會(huì)使工作人員遭受輻照，CN203750313U提出的過(guò)濾器裝配簡(jiǎn)單省時(shí)，減少了工作人員受輻照的時(shí)間。

（2）放射性物質(zhì)活度監(jiān)測(cè)

經(jīng)過(guò)過(guò)濾器的放射性氣體在排放到大氣之前，需要測(cè)量其放射性活度，以確保不會(huì)造成環(huán)境污染。排入大氣的氣體中含有的放射性元素包括131Xe、90Sr、137Cs、131I等，上述放射性核素會(huì)對(duì)人體器官造成傷害。因此，需要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)排入大氣的氣體放射性活度。有關(guān)核素放射性活度監(jiān)測(cè)方式的專利申請(qǐng)主要集中在提高監(jiān)測(cè)的精度及監(jiān)測(cè)效率上，如DE102013207595B3、DE0523396A1及CN203338771U中所述。

（3）卸壓策略

需要合理設(shè)計(jì)安全殼排放系統(tǒng)的啟動(dòng)壓力，以確保安全殼失效概率很低；在確保安全殼失效概率很低的前提下，又需要推遲安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，以減少放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中。中國(guó)專利申請(qǐng)CN201310293436.X通過(guò)調(diào)節(jié)打開(kāi)安全殼排放系統(tǒng)的開(kāi)啟壓力、開(kāi)啟的時(shí)間間隔及開(kāi)啟次數(shù)，既可以確保安全殼不會(huì)超壓失效，又可以盡量減少放射性物質(zhì)排放量。

（4）降低H2濃度

核電廠發(fā)生事故時(shí)，生長(zhǎng)的氧化鋯與反應(yīng)堆內(nèi)的水反應(yīng)生成氫氣，隨氫氣濃度升高，可能使安全殼內(nèi)爆炸。因此，在堆芯熔毀時(shí)安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)除了主動(dòng)降壓和排放放射性氣體，還需及時(shí)降低氫氣濃度。通常的方法是向安全殼內(nèi)輸送惰性氣體，如CO2、N2等，但是這使得安全殼內(nèi)壓力增大，導(dǎo)致超壓失效。一種方式是將混合有氫氣的氣體排到過(guò)濾器容器中，然后向過(guò)濾器容器中輸入惰性氣體，如專利CN1195419A 及CN204407019U中所述。

4.主要申請(qǐng)人分布

主要申請(qǐng)人申請(qǐng)量及排名分布如表1所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]付嫚，董強(qiáng)等，核電站安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究概況[J]，船艦防化，2011（4）.