蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏的輻射防護響應(yīng)

何李源

摘 要：介紹了APA1000蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏的運行工況?；谡羝l(fā)生器傳熱管泄漏運行工況下輻射影響的分析，提出了AP1000核電廠在蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏工況下的輻射防護措施。

關(guān)鍵詞：AP1000；蒸汽發(fā)生器；傳熱管；泄漏；輻射防護

中圖分類號：TL33 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）23-0125-03

蒸汽發(fā)生器其主要功能是將一回路冷卻劑的熱量傳遞給二回路的水，并使之變?yōu)檎羝?。同時蒸汽發(fā)生器作為一回路與二回路的邊界，也承擔著隔離一回路放射性的功能。

在蒸汽發(fā)生器一/二回路之間沒有發(fā)生泄漏的情況下，二回路的系統(tǒng)或設(shè)備沒有放射性。在運行過程中，蒸汽發(fā)生器傳熱管在運行過程中不可避免地會出現(xiàn)如一回路應(yīng)力腐蝕、二回路應(yīng)力腐蝕、微振磨損、凹痕、高周疲勞、點蝕和耗蝕等傳熱管降質(zhì)，傳熱管的降質(zhì)將會導致一/二回路的放射性屏障受到破壞，進而引起一回路冷卻劑向二回路泄漏，使得二回路的系統(tǒng)和設(shè)備帶有放射性。

本文針對三門核電可能存在的蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏的工況，分析在蒸汽發(fā)生器泄漏工況下二回路可能的放射性水平和汽輪機廠房受影響的區(qū)域，并提出了蒸汽發(fā)生器泄漏工況應(yīng)采取的輻射防護措施，為蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏的輻射防護響應(yīng)提供參考。

1 AP1000蒸汽發(fā)生器介紹

三門核電采用的是西屋公司的AP1000壓水堆核電技術(shù)，其蒸汽發(fā)生器為Δ125型立式殼體U型傳熱管自然循環(huán)式的蒸汽發(fā)生器，每臺機組兩臺。每臺蒸汽發(fā)生器傳熱管的數(shù)量為10025，總換熱面積為11477m2。正常運行情況下，反應(yīng)堆冷卻劑由熱段管嘴進入蒸汽發(fā)生器一次側(cè)水室，經(jīng)倒置的U型管返回一次側(cè)水室，最后返回堆芯。反應(yīng)堆冷卻劑在U型管內(nèi)將熱量傳遞給二次側(cè)，將二次側(cè)的水加熱為蒸汽，蒸汽進入汽輪機做工后在凝汽器內(nèi)凝結(jié)成水，最后返回蒸汽發(fā)生器。

參與二回路的水汽循環(huán)的主要系統(tǒng)為蒸汽系統(tǒng)、給水系統(tǒng)（FWS）、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)（BDS）、凝結(jié)水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)（CPS）等，水汽循環(huán)如圖1所示。在設(shè)計基準情況下，一回路冷卻劑向二回路發(fā)生泄漏，泄漏期間這些系統(tǒng)將帶放射性，而蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)和凝結(jié)水精處理系統(tǒng)中的樹脂則會有一定的放射性累積[1]。

2 SG傳熱管泄漏的輻射影響分析

2.1 泄漏運行工況

在EPRI（美國電力研究院，下同）的導則-《PWR PRIMARY TO SECONDARY LEAK GUIDELINE》中規(guī)定[2]，單臺蒸汽發(fā)生器允許的最大泄漏為568升/天（150加侖/天：gpd），并規(guī)定了不同泄漏率情況下電廠需要采取的行動。

AP1000電廠根據(jù)導則規(guī)定，設(shè)定單臺蒸汽發(fā)生器允許的最大泄漏率（以下如無特殊說明均為單臺）為150gpd，并通過主蒸汽管線N-16輻射監(jiān)測通道SGS-JS-26B/27B（通道布置如圖2所示，參數(shù)如表1所示）直接顯示判斷其泄漏率。一旦泄漏率大于150gpd，需要在6小時內(nèi)將電廠置于模式3（熱備用狀態(tài)）。泄漏率在75～150gpd且泄漏率增加率大于30gpd/h，電廠需要在1小時內(nèi)將功率降至50%以下，并在接下來的2小時內(nèi)將電廠置于模式3；如果泄漏率增加率小于30gpd/h，需要在24小時內(nèi)將電廠置于模式3。當泄漏率在30～75gpd時，每15分鐘通過SGS-JS-26B/27B確定傳熱管泄漏率，每4小時取樣一次定量確定泄漏率。當泄漏率在5～30gpd，需要每15分鐘通過SGS-JS-26B/27B確定傳熱管泄漏率，如果傳熱管的泄漏率在1小時內(nèi)維持穩(wěn)定，需要每2小時確定泄漏率并將SGS-JS-26B/27B報警值重置高于當前讀數(shù)但不低于75gpd。當泄漏率小于5gpd時，重置SGS-JS-26B/27B報警值，使其高于當前讀數(shù)但不高于30gpd。

除了SGS-JS-26B/27B外，電廠在二次側(cè)布置了多個輻射監(jiān)測通道用以指示和探測一次側(cè)向二次側(cè)是否存在泄漏，一旦這些監(jiān)測通道探測出放射性異常，電廠進入蒸發(fā)器傳熱管泄漏規(guī)程，使電廠保持在技術(shù)規(guī)格書的限值內(nèi)運行。

在蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)（BDS）設(shè)置了EDI（電離除鹽單元）凈水出口輻射監(jiān)測器（BDS-JS-010）和EDI濃水排污輻射監(jiān)測器（BDS-JS-011），兩個監(jiān)測通道的報警值設(shè)置相同。當BDS-JS-010輻射水平達到3.7×104Bq/m3時，控制排污導向閥將EDI的凈水出口將直接導向WLS的流出物排放監(jiān)測箱；達到7.4×104Bq/m3時，關(guān)閉排污隔離閥和排污流量控制閥，旁路EDI模塊，避免放射性在除鹽單元上持續(xù)累積達到不可接受的水平。

對于凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，在上述設(shè)計基準情況下，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)僅有當二回路水質(zhì)不滿足技術(shù)規(guī)格書的要求時才投入運行，因此CPS除鹽床將不會累積太高的放射性。

2.2 泄漏后二次側(cè)源項

在進行二回路的輻射屏蔽計算時，基于偏保守考慮，使用的是在泄漏率為AP1000允許的最大泄漏率300gpd、單臺蒸發(fā)器最大泄漏率為150gpd且燃料包殼破損率達到0.25%情況下的源項[3]。

在上述設(shè)計基準條件下，二次側(cè)蒸汽源項如表2所示。

在對EDI模塊進行屏蔽計算時，假定流入EDI單元的排污流中的放射性物質(zhì)都滯留在EDI的樹脂中，且不會釋放到EDI單元的凈水和濃水中。同時基于技術(shù)規(guī)格書中的規(guī)定，當蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生泄漏時，電廠將會在24小時內(nèi)進入模式3。因此本文選取的是電廠在泄漏工況下運行24小時的源項數(shù)據(jù)進行討論。在此基礎(chǔ)上，分別得到EDI單元樹脂內(nèi)主要核素活度濃度，如表3所示。

蒸發(fā)器排污系統(tǒng)熱交換器源項使用的是二次側(cè)液相源項數(shù)據(jù)，其源項數(shù)據(jù)如表4所示。

2.3 可能受影響區(qū)域分析

蒸汽發(fā)生器發(fā)生一回路向二回路泄漏的情況時，二次側(cè)可能受到放射性影響的區(qū)域包括BDS排污熱交換器房間、EDI除鹽單元隔間、排污過濾器間、凝結(jié)水精處理單元隔間、凝結(jié)水泵房等區(qū)域[4]。endprint

2.3.1 第一跨的影響

在設(shè)計基準工況下，利用設(shè)計基準源項計算得到EDI單元設(shè)備表面30cm處最大劑量率水平將達到8.96mSv/h，即其輻射水平將達到AP1000設(shè)計分區(qū)V區(qū)（1～10mSv/h）的輻射水平，對應(yīng)于《壓水堆核動力廠廠內(nèi)輻射分區(qū)設(shè)計準則》（NB/T 20185-2012）中規(guī)定的橙區(qū)的輻射水平，即屬于高輻射區(qū)[5]。AP1000在設(shè)計上基于10CFR20的要求[7]，對于輻射水平在1～10mSv/h的區(qū)域需要考慮通過設(shè)置路障等措施對其進行管控，例如采取設(shè)置鏈條或者設(shè)置隔離柵欄等方式。

利用設(shè)計基準源項計算得到BDS熱交換器表面30cm處的劑量率達到10μSv/h而BDS熱交換器間，其輻射水平已達到了設(shè)計分區(qū)II區(qū)的上限，對應(yīng)于《壓水堆核動力廠廠內(nèi)輻射分區(qū)設(shè)計準則》標準規(guī)定的綠區(qū)。

2.3.2 常規(guī)島其它區(qū)域

凝結(jié)水精處理系統(tǒng)僅有當二回路水質(zhì)不滿足技術(shù)規(guī)格書的要求時才投入運行，因此凝結(jié)水精處理單元預計不會累積太高的放射性，這些區(qū)域的輻射水平仍維持在設(shè)計分區(qū)I區(qū)的水平內(nèi)。對于主蒸汽管線區(qū)域，利用Mercurad軟件使用二次側(cè)蒸汽源項計算得到主蒸汽管線區(qū)域附近的輻射水平將維持在設(shè)計分區(qū)的I區(qū)水平（0.5～2.5μSv/h）[6]。

由于傳熱管的泄漏，二回路水汽相關(guān)系統(tǒng)均含有放射性物質(zhì)，一旦系統(tǒng)存在泄漏，汽輪機廠房存在放射性空氣污染的可能性比較大，從2.2節(jié)分析的結(jié)果來看，這些區(qū)域主要污染的核素為惰性氣體和碘。

3 SG傳熱管泄漏輻射防護響應(yīng)分析

3.1 輻射調(diào)查

正常情況下，輔助廠房蒸汽管線區(qū)域（主蒸汽隔離閥間）及常規(guī)島區(qū)域的第一跨作為監(jiān)督區(qū)進行控制，監(jiān)督區(qū)通常的調(diào)查頻度為每月一次。在監(jiān)測到蒸發(fā)器存在一次側(cè)向二次側(cè)泄漏的情況時，需要提高主蒸汽隔離閥間、第一跨區(qū)域和凝結(jié)水精處理間的輻射調(diào)查頻率，同時可以利用電廠已有的無線電話系統(tǒng)，將無線探頭布置到相應(yīng)區(qū)域的房間內(nèi)，對這些區(qū)域?qū)嵤┻B續(xù)的環(huán)境劑量率水平監(jiān)測，即利用三門核電開發(fā)的無線輻射監(jiān)測系統(tǒng)（RMT）對這些區(qū)域進行連續(xù)監(jiān)測?？紤]相關(guān)到區(qū)域存在可能的空氣污染風險，也需要對第一跨、汽輪機廠房等區(qū)域進行空氣采樣測量，以評估這些區(qū)域的空氣污染風險[7]。

3.2 區(qū)域隔離控制

在一次側(cè)向二次側(cè)的泄漏情況下，預期BDS排污熱交換器房間、EDI除鹽單元隔間的輻射水平會超出原有的輻射分區(qū)-I區(qū)（0.5～2.5μSv/h），且有可能會使周邊房間的劑量率水平上升而超過原設(shè)計分區(qū)的輻射水平。因此，為了降低源項對區(qū)域外的影響，在設(shè)計上采取了對EDI除鹽單元所在房間的東南北三面墻體采用永久性混凝土形式，EDI西側(cè)則采用臨時混凝土塊進行屏蔽；對于BDS熱交換器所在房間，則在原有設(shè)計基礎(chǔ)上增加混凝土屏蔽墻體。

在上述已有屏蔽的基礎(chǔ)上，可以降低BDS設(shè)備對常規(guī)島其它區(qū)域的影響，但BDS設(shè)備本身所在房間的輻射水平并沒有因此而降低。從2.3節(jié)的分析可以看出，BDS設(shè)備所在的區(qū)域房間，在可能存在蒸汽發(fā)生器一次側(cè)向二次側(cè)泄漏的情況時，需要予以特別關(guān)注，提升輻射防護管理等級。針對EDI除鹽單元所在房間，在正常運行工況下，機組存在少量的泄漏，而機組仍然維持長時間的運行，會使EDI單元樹脂長期累積放射性，因此對第一跨區(qū)域的監(jiān)測頻率應(yīng)當提高，以及時發(fā)現(xiàn)EDI單元區(qū)域的輻射水平達到了輻射控制區(qū)的輻射水平并區(qū)別于其它監(jiān)督區(qū)的調(diào)查。一旦達到輻射控制區(qū)II區(qū)的水平，需要為這些房間的出入口加設(shè)污染監(jiān)測設(shè)備，將該房間按照輻射控制區(qū)進行管理等。僅當這些房間的輻射水平小于2.5μSv/h且連續(xù)三次的EDI及BDS排污的取樣結(jié)果顯示低于MDA時，才可以對這些區(qū)域進行解除輻射防護控制。

3.3 廢物處理及去污

當常規(guī)島的系統(tǒng)或設(shè)備，在此設(shè)計基準工況下存在泄漏時。輻射防護人員需要對泄漏區(qū)域進行表面污染取樣測量，確認污染水平是否超過表面污染的控制值。一旦超過表面污染控制值，則需要對這些區(qū)域采取去污措施。

電廠在長期運行后，需要更換電離除鹽裝置。由于存在EDI潛在的放射性累積，對于更換下來的電離除鹽裝置，如果其放射性水平超出清潔解控水平，那么EDI單元的樹脂需要作為放射性廢物來進行后續(xù)處理。若可以達到清潔解控的水平，那么應(yīng)當遵照國內(nèi)法規(guī)標準的規(guī)定，申請清潔解控。在清潔解控之前需要將這些樹脂暫存到待解控廢物庫。如果電解裝置未受放射性污染，則不需要特殊包裝處理而可以作為潔凈固體廢物處理。其余更換部件可在進行去污處理后，申請清潔解控。

4 結(jié)語

AP1000核電廠在設(shè)計上已經(jīng)充分考慮了蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏運行工況下的輻射影響和傳熱管泄漏的運行應(yīng)對措施，并對蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備和區(qū)域做出了屏蔽改進設(shè)計。然而，這些也僅是從物理防御的角度去考慮蒸汽發(fā)生器一/二回路之間泄漏的輻射影響問題，并不能完全解決現(xiàn)實運行過程中的輻射防護問題，如第一跨區(qū)域相關(guān)工作的輻射防護控制問題和BDS產(chǎn)生廢物處理問題。作者基于蒸汽發(fā)生器傳熱管泄漏工況下的輻射影響和現(xiàn)有的運行應(yīng)對措施，提出了易于操作的輻射防護措施。后續(xù)隨著電廠的運行，將逐步檢驗并改進針對蒸汽發(fā)生傳熱管泄漏的輻射防護措施，實現(xiàn)輻射防護最優(yōu)化和放射性廢物最小化。

參考文獻

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[2]Westinghouse Electric Company， LLC. AP1000 Steam Generator Secondary Side Sources[Z].2015.

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[5]中華人民共和國能源行業(yè)標準.壓水堆核動力廠廠內(nèi)輻射分區(qū)設(shè)計準則[S].NB/T 20185-2012.

[6]NRC，10CFR20，Standards for Protection Against Radiation.

[7]中華人民共和國核工業(yè)標準.電離輻射工作場所監(jiān)測的一般規(guī)定[S].EJ381-1989.endprint