兩種體系核空氣凈化系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法的融合應(yīng)用

張計(jì)榮，張德山，吳 濤，李永國，王坤俊， 李彥樟，李世軍，韓 明，丘丹圭，孔海霞

(1.中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006； 2.福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

核設(shè)施在正常運(yùn)行及事故工況下，都會(huì)不可避免地產(chǎn)生氣載放射性污染物，主要是放射性氣溶膠和氣體。為防止氣載放射性污染物在核設(shè)施廠內(nèi)形成不可接受的污染擴(kuò)散，嚴(yán)格控制氣載放射性污染物向大氣環(huán)境排放；事故工況下降低主控制室、應(yīng)急指揮中心等特定區(qū)域內(nèi)氣載放射性污染物的濃度，使之符合人員進(jìn)入該區(qū)域的要求,核設(shè)施必須設(shè)置通風(fēng)凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)中通常安裝高效過濾器、碘吸附器[1]用于去除氣載放射性氣溶膠和碘氣體，而安裝的高效過濾器、碘吸附器必須開展竣工驗(yàn)收試驗(yàn)(后文稱調(diào)試試驗(yàn))及在役運(yùn)行中的監(jiān)督試驗(yàn)(后文稱定期試驗(yàn))，以驗(yàn)證其性能是否滿足要求，掌握系統(tǒng)運(yùn)行過程中其性能的變化，以便采取相應(yīng)的措施。

目前，我國開展核空氣凈化系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的工作主要是參考美國[2-4]、法國[5-6]兩種體系的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了國內(nèi)的核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7-10]。核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)于美國、法國兩種體系的標(biāo)準(zhǔn)并且相對獨(dú)立。我國的能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]則將兩種體系的標(biāo)準(zhǔn)做了部分融合。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于歷史原因，調(diào)試大綱、監(jiān)督大綱等傾向于用指定獨(dú)立體系內(nèi)的方法開展性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，如秦山一期、三期及AP1000型核電機(jī)組大都指定參照美國體系標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法；而參照大亞灣M310堆型的核電機(jī)組一般指定參照法國體系標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法開展核空氣凈化系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。采用美國標(biāo)準(zhǔn)體系試驗(yàn)方法開展性能評(píng)價(jià)過程中，曾出現(xiàn)過由于活性炭吸附介質(zhì)樣杯數(shù)量不多，無代表性活性炭樣可開展實(shí)驗(yàn)室除碘性能檢測而必須更換碘吸附器的情況；采用法國標(biāo)準(zhǔn)體系試驗(yàn)方法時(shí)測試結(jié)果不理想，且導(dǎo)致結(jié)果不理想的原因并非凈化部件本身性能問題而是由于系統(tǒng)存在目視檢查不可見的機(jī)械泄漏等導(dǎo)致。我院在開展核空氣凈化系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)時(shí)，將兩種標(biāo)準(zhǔn)體系核空氣凈化系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法進(jìn)行了融合應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。本文結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐，對兩種標(biāo)準(zhǔn)體系試驗(yàn)方法的融合應(yīng)用進(jìn)行了探討，并提出了建議，認(rèn)為將美國、法國兩種標(biāo)準(zhǔn)體系試驗(yàn)方法進(jìn)行靈活融合應(yīng)用、互相補(bǔ)充是必要和可行的。

1 兩種標(biāo)準(zhǔn)體系試驗(yàn)項(xiàng)目與方法介紹

美國標(biāo)準(zhǔn)體系方法在調(diào)試試驗(yàn)中，要進(jìn)行系統(tǒng)和部件的外觀檢查、小室和風(fēng)道的承壓試驗(yàn)、小室和風(fēng)道的檢漏試驗(yàn)、安裝排架壓力檢漏試驗(yàn)、風(fēng)量和氣流分布試驗(yàn)、氣溶膠混合均勻度試驗(yàn)、旁通風(fēng)閥的檢漏試驗(yàn)、高效粒子空氣過濾器(HEPA過濾器)排檢漏試驗(yàn)、碘吸附器排檢漏試驗(yàn)、吸附劑實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等；而定期試驗(yàn)時(shí)，只要系統(tǒng)未有大改造，一般只是執(zhí)行風(fēng)量試驗(yàn)、旁通風(fēng)閥的檢漏試驗(yàn)、高效粒子空氣過濾器排檢漏試驗(yàn)、碘吸附器排檢漏試驗(yàn)及吸附劑實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)；由此可以看出，美國標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試試驗(yàn)期間的其他試驗(yàn)項(xiàng)目，可以認(rèn)為是開展定期試驗(yàn)項(xiàng)目的前提條件與保證。而法國標(biāo)準(zhǔn)體系方法在調(diào)試試驗(yàn)及定期試驗(yàn)階段，均是只開展高效粒子空氣過濾器排、碘吸附器排的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，其它項(xiàng)目則認(rèn)為在設(shè)計(jì)、制造和安裝過程中已經(jīng)給予了充分的考慮和保證或已包括在該兩項(xiàng)試驗(yàn)中。美國標(biāo)準(zhǔn)、法國標(biāo)準(zhǔn)兩種體系高效粒子空氣過濾器與碘吸附器的試驗(yàn)方法及特征列于表1。

表1 兩種標(biāo)準(zhǔn)體系高效空氣粒子過濾器與碘吸附器的試驗(yàn)方法及特征Tab.1 Features of two systematic standards for HEPA filters and iodine adsorbers

2 融合應(yīng)用實(shí)例

某核電廠核輔助廠房DVN除碘回路，采用法國標(biāo)準(zhǔn)體系的放射性CH3131I法開展碘吸附器性能試驗(yàn)，而調(diào)試試驗(yàn)及定期試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)碘吸附器排凈化系數(shù)雖然滿足驗(yàn)收指標(biāo)要求，但凈化系數(shù)較低，而影響系統(tǒng)碘吸附器排架凈化系數(shù)的因素除碘吸附器本身性能外，還與系統(tǒng)是否存在機(jī)械泄漏等相關(guān)。為了確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、使氣載放射性污染物排放濃度合理盡可能低、保護(hù)環(huán)境與公眾，對DVN除碘回路采用美國標(biāo)準(zhǔn)體系方法開展了安裝排架檢漏試驗(yàn)。

在開展安裝排架檢漏前，首先依據(jù)EJ/T 791標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行了詳細(xì)的外觀目視檢查，但由于該核電廠DVN除碘回路并非參照美國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與建造的，因此，設(shè)備與部件的布置、密閉處理等細(xì)節(jié)只要與原設(shè)計(jì)相符，且后續(xù)安裝排架檢漏結(jié)果滿足要求則是可以接受的。

表2 目視檢查缺陷及處理措施Tab.2 Visual inspection of defects and treatment measures

將目視檢查出的缺陷處理后，將DVN除碘回路高效空氣粒子過濾器排、碘吸附器排臨時(shí)封堵，應(yīng)用壓力降法對排架的泄漏率進(jìn)行了測試。試驗(yàn)流程示于圖1。

泄漏率按公式(1)計(jì)算：

(1)

如果計(jì)算的泄漏率超過了規(guī)定的驗(yàn)收值，應(yīng)找出泄漏點(diǎn)，在現(xiàn)場及圖紙上注明其位置，再次處理缺陷，重新試驗(yàn)直至滿足驗(yàn)收指標(biāo)要求。安裝排架壓力檢漏試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的主要缺陷及處理措施列于表3。處理缺陷后，該核電廠DVN除碘回路安裝排架檢漏試驗(yàn)壓力隨時(shí)間變化示于圖2，依據(jù)泄漏率公式計(jì)算得知DVN001PI、DVN002PI排架的泄漏率分別為13.57 m3/h、16.05 m3/h，相比于系統(tǒng)的額定風(fēng)量28 800 m3/h，滿足每小時(shí)泄漏量小于額定風(fēng)量0.1%的驗(yàn)收指標(biāo)要求。

圖1 壓力降法泄漏率試驗(yàn)流程圖Fig.1 Flowchart of leakage test with a pressure-decay method

表3 壓力檢漏試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)缺陷及處理措施Tab.3 Defect detection with a pressure-decay leakage test and treatment measures

一般情況下，核輔助廠房DVN除碘回路處于備用狀態(tài)，但在核電站已經(jīng)商運(yùn)的情況下，備用回路的不可用時(shí)間也是受限的。因此，如能在調(diào)試試驗(yàn)期間進(jìn)行安裝排架檢漏試驗(yàn)，把所有的缺陷在調(diào)試期間加以處理，則是更理想的。

待安裝排架檢漏試驗(yàn)結(jié)果滿足要求后，再次采用放射性CH3131I法開展了該核電廠DVN001PI、DVN002PI碘吸附器排凈化系數(shù)的測定。為了驗(yàn)證如有旁通機(jī)械泄漏導(dǎo)致碘吸附器排凈化系數(shù)下降，開展了旁通驗(yàn)證試驗(yàn)。調(diào)試試驗(yàn)、定期試驗(yàn)、旁通驗(yàn)證試驗(yàn)及缺陷消除后試驗(yàn)(簡稱消缺后試驗(yàn))的碘吸附器排的凈化系數(shù)測試結(jié)果示于圖3。

圖2 檢漏試驗(yàn)壓力隨時(shí)間變化圖Fig.2 Pressure variation with time in leakage tests

圖3 碘吸附器排凈化系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results for removal coefficients of iodine adsorber banks

由圖3調(diào)試試驗(yàn)和定期試驗(yàn)的結(jié)果可以得出，隨著時(shí)間的推移，碘吸附器性能有所下降，因此開展碘吸附器定期試驗(yàn)評(píng)價(jià)是必要的；對于安裝相同碘吸附器的旁通驗(yàn)證試驗(yàn)與消缺后試驗(yàn)，在安裝排架開展壓力檢漏試驗(yàn)并消除缺陷后，碘吸附器排的凈化系數(shù)有了大幅度提升，由該系統(tǒng)排往大氣環(huán)境中的放射性碘氣體的濃度將進(jìn)一步降低，有利于保護(hù)環(huán)境、公眾。

3 其他方面融合應(yīng)用分析

3.1 移動(dòng)式核空氣凈化小車的現(xiàn)場檢驗(yàn)

安裝有碘吸附器的移動(dòng)式核空氣凈化小車，在出廠驗(yàn)收時(shí)，一般采用法國標(biāo)準(zhǔn)體系放射性CH3131I法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)；而在現(xiàn)場開展定期性能檢驗(yàn)時(shí)，由于碘吸附器下游氣體直接排往環(huán)境空氣中，如果碘吸附器性能下降或安裝不到位形成機(jī)械泄漏時(shí)，采用放射性CH3131I法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)高，可采用放射性CH3131I法在實(shí)驗(yàn)室對出廠的碘吸附器進(jìn)行除碘性能評(píng)價(jià)，確保其除碘性能滿足要求，而安裝到凈化小車上后，再進(jìn)行泄漏率檢測，判斷碘吸附器在運(yùn)輸中是否導(dǎo)致活性炭層塌陷或安裝不到位而造成不可接受的機(jī)械泄漏。當(dāng)然，為了保證碘吸附器自身的除碘性能滿足要求，應(yīng)盡可能將離廠驗(yàn)收試驗(yàn)合格的碘吸附器在短期內(nèi)安裝到移動(dòng)式核空氣凈化小車上進(jìn)行泄漏率試驗(yàn)。

3.2 旁通回路的壓力檢漏或示蹤劑法檢漏

當(dāng)核空氣凈化系統(tǒng)中安裝的碘吸附器處于備用狀態(tài)，正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)氣流在經(jīng)過高效空氣粒子過濾器后，會(huì)通過旁路直接排放而不經(jīng)過后面設(shè)置的碘吸附器；在事故工況下，將系統(tǒng)的旁通回路關(guān)閉，系統(tǒng)氣流再流經(jīng)碘吸附器凈化后排放。而應(yīng)用實(shí)例表明，系統(tǒng)旁路的泄漏對碘吸附器除碘性能的影響很大。因此，對于設(shè)置有旁通回路的核空氣凈化系統(tǒng)，可對旁通回路開展壓力檢漏或示蹤劑法檢漏，確保旁通回路關(guān)閉后自身的泄漏率在允許的范圍內(nèi)，可有效避免因旁通回路密封性差，導(dǎo)致采用法國標(biāo)準(zhǔn)體系放射性CH3131I法開展性能評(píng)價(jià)時(shí)示蹤氣體未經(jīng)充分凈化排放的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 無代表性吸附介質(zhì)樣品

采用美國標(biāo)準(zhǔn)體系方法對核空氣凈化系統(tǒng)中安裝的碘吸附器開展性能評(píng)價(jià)時(shí)，必須將碘吸附器排的現(xiàn)場泄漏率試驗(yàn)結(jié)果與代表性吸附介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室除碘性能結(jié)果相結(jié)合。如果碘吸附器的排架上吸附介質(zhì)的樣杯設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致流經(jīng)吸附介質(zhì)樣杯的氣流與系統(tǒng)排架的氣流不一致，吸附介質(zhì)無代表性；或者由于吸附介質(zhì)樣杯的數(shù)量不足，導(dǎo)致無代表性吸附介質(zhì)可用于實(shí)驗(yàn)室除碘性能試驗(yàn)，單純的現(xiàn)場泄漏率試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，不足以保證系統(tǒng)上安裝的碘吸附器除碘性能滿足要求，可引入針對性強(qiáng)、結(jié)果表征直觀的放射性CH3131I法對碘吸附器排進(jìn)行除碘性能評(píng)價(jià)。

3.4 大風(fēng)量系統(tǒng)高效粒子過濾器性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

采用美國標(biāo)準(zhǔn)體系方法開展高效粒子空氣過濾器性能評(píng)價(jià)時(shí)，對于大風(fēng)量的系統(tǒng)，應(yīng)用氣動(dòng)壓力噴霧方式產(chǎn)生的氣溶膠量較少。基于氣溶膠檢測儀探測限及測量準(zhǔn)確度的要求，需要應(yīng)用加熱蒸發(fā)方式產(chǎn)生氣溶膠。如果發(fā)生裝置距離注入口位置較遠(yuǎn)，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣溶膠在注入過程中會(huì)發(fā)生冷凝，導(dǎo)致注入量減少從而影響測量；且如果發(fā)生冷凝液倒流接觸加熱的發(fā)生器時(shí)存在一定的著火風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)可引入熒光素鈉氣溶膠法開展高效粒子空氣過濾器性能評(píng)價(jià)。

4 建議

法國標(biāo)準(zhǔn)體系試驗(yàn)方法對核空氣凈化系統(tǒng)排架、旁通回路的密封性等并不現(xiàn)場開展驗(yàn)證，如果系統(tǒng)存在泄漏，會(huì)導(dǎo)致采用放射性CH3131I法對碘吸附器性能的誤判及放射性CH3131I氣體未經(jīng)充分凈化而排放。參照大亞灣M310堆型建造的核電站空氣凈化系統(tǒng)，多為建筑物小室安裝排架，存在貫穿件多、墻體與安裝排架密封情況不易判斷等問題，建議將美國標(biāo)準(zhǔn)體系方法的部分試驗(yàn)融入到調(diào)試試驗(yàn)期間，開展排架檢漏試驗(yàn)、旁通回路檢漏試驗(yàn)等。當(dāng)然，已經(jīng)商運(yùn)的核電站作為后續(xù)補(bǔ)充改進(jìn)措施也是可行的。

當(dāng)核空氣凈化系中設(shè)置的吸附介質(zhì)樣杯的數(shù)量較少，導(dǎo)致無代表性吸附介質(zhì)樣品可用于實(shí)驗(yàn)室除碘性能評(píng)價(jià)時(shí)，定期試驗(yàn)后期可采用放射性CH3131I法開展碘吸附器性能評(píng)價(jià)；當(dāng)然，采用該方法對系統(tǒng)中的碘吸附器進(jìn)行性能評(píng)價(jià)時(shí)，需制定一個(gè)合理的驗(yàn)收指標(biāo)，如果系統(tǒng)中安裝的碘吸附器性能滿足驗(yàn)收指標(biāo)要求，則可以延長碘吸附器的使用壽命，并有效減少放射性廢物的產(chǎn)生量。

我國已經(jīng)制定了結(jié)合美國、法國兩種標(biāo)準(zhǔn)體系試驗(yàn)方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只是在實(shí)際工作中的推廣應(yīng)用尚不理想。文中雖然對可能的融合應(yīng)用進(jìn)行了分析探討，但實(shí)際應(yīng)用并不僅限于此。綜合考慮核空氣凈化系統(tǒng)的特征、管理的要求及人員防護(hù)的需要等，對兩種標(biāo)準(zhǔn)體系的試驗(yàn)方法進(jìn)行合理可行的融合應(yīng)用、互為補(bǔ)充，確保核空氣凈化系統(tǒng)的安全可靠性，保護(hù)環(huán)境與人員是必要和可行的。