碘吸附器樣品外部取樣技術(shù)可行性分析研究

梁 飛，呂 陽(yáng)，張 淵，王 稹，吳 波，張雪平，張昭辰，高琳鋒，丘丹圭，侯建榮

(1.中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006； 2.防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

在核電廠、研究堆、后處理廠等核設(shè)施中會(huì)有含放射性的碘、氣溶膠、惰性氣體等放射性氣態(tài)污染物，其中放射性碘的危害性最大[1-2]。碘吸附器是核空氣凈化系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備[3]，以過(guò)濾并去除其中的放射性碘和其他污染物。為確保其正常運(yùn)行，在調(diào)試及運(yùn)行過(guò)程中需分別對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)與定期試驗(yàn)[4-6]。在按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行核電廠現(xiàn)場(chǎng)碘吸附器除碘性能的評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行兩部分缺一不可且互相補(bǔ)足的實(shí)驗(yàn)：1)使用氟利昂法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)艋∈摇⒌馕狡靼惭b框架及碘吸附器自身缺陷的機(jī)械泄漏率；2)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)碘吸附器中的浸漬活性炭具有同一性的活性炭樣品的放射性甲基碘去除效率。碘吸附器取樣裝置正是提供具有同一性的活性炭樣品的裝置。

本文探討了國(guó)內(nèi)外碘吸附器取樣技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了碘吸附器取樣代表性影響因素并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)碘吸附器外部取樣技術(shù)進(jìn)行了可行性分析。

1 碘吸附器取樣技術(shù)分類及特點(diǎn)

1.1 直接取樣

對(duì)于沒(méi)有設(shè)置取樣裝置的除碘凈化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其檢測(cè)方法一般為法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系的放射性甲基碘法[7-8]。若用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系方法檢測(cè)碘吸附器可用性時(shí)，則需要提供核級(jí)活性炭除碘效率評(píng)價(jià)所需的樣品。對(duì)于這樣的除碘系統(tǒng)，用多點(diǎn)開(kāi)槽管取樣器從碘吸附器內(nèi)直接取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室除碘性能測(cè)試(示于圖1)。

圖1 多點(diǎn)開(kāi)槽管取樣器示意圖

這種從碘吸附器內(nèi)部直接取樣會(huì)造成原本合格的碘吸附器不可用，需對(duì)該碘吸附器進(jìn)行活性炭的重新填裝或者更換新的碘吸附器，進(jìn)而導(dǎo)致放射性廢物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)成本的增加。

1.2 內(nèi)部取樣技術(shù)

國(guó)內(nèi)外較常見(jiàn)的碘吸附器取樣裝置是以Ⅱ型碘吸附器為凈化單元除碘凈化系統(tǒng)，取樣樣杯設(shè)置在碘吸附器凈化小室的排架上[9-10]，示于圖2。

圖2 Ⅱ型碘吸附器樣杯示意圖

目前在建的華龍一號(hào)、AP1000等為代表的第三代堆型多采用以Ⅲ型碘吸附器為凈化裝置的除碘系統(tǒng)，其取樣樣杯大多數(shù)也設(shè)置在凈化小室內(nèi)部，示于圖3。

圖3 Ⅲ型碘吸附器樣杯示意圖

該技術(shù)除碘系統(tǒng)的取樣裝置多為焊接在碘吸附器小室的排架上，不可分離；有些情況下取樣樣杯的數(shù)量和體積受空間所限，同時(shí)取樣空間狹小，不利于樣杯拆裝工作進(jìn)行，工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，存在一定的放射性污染風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 外部取樣技術(shù)

澳大利亞Luis等提出碘吸附器外部取樣技術(shù)[11]，在凈化小室外設(shè)置獨(dú)立的外部取樣裝置，取樣裝置形成與碘吸附器并聯(lián)的取樣回路，在取樣回路中設(shè)有隔離閥、流量/壓差測(cè)量口。

外部取樣包括橫向取樣技術(shù)和縱向取樣技術(shù)。美國(guó)核電廠采用外部橫向取樣技術(shù)，橫向樣杯制造方便、容易安裝，但需要在安裝前進(jìn)行樣杯取樣代表性的驗(yàn)證試驗(yàn)或者理論計(jì)算，其結(jié)構(gòu)原理示于圖4。

圖4 碘吸附器外部橫向樣杯示意圖

澳大利亞核科學(xué)和技術(shù)組織(ANSTO)[11]則提出了外部縱向取樣技術(shù)，該取樣裝置留有風(fēng)量和壓差測(cè)量口。設(shè)置有獨(dú)立的隔離閥門(mén)，取樣時(shí)可以延遲取樣時(shí)間進(jìn)而有效的降低輻照風(fēng)險(xiǎn)?？v向設(shè)置的活性炭樣杯可以防止發(fā)生穿透的問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)原理示于圖5。

圖5 碘吸附器外部縱向樣杯示意圖

2 碘吸附器取樣技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外不同堆型核電站采用的碘吸附器取樣技術(shù)也不盡相同。如美國(guó)和加拿大都采用外部取樣技術(shù)進(jìn)行活性炭樣品的取樣，國(guó)內(nèi)核電站碘吸附器取樣技術(shù)應(yīng)用情況，綜合列于表1。

3 碘吸附器取樣代表性影響因素及驗(yàn)證

3.1 代表性影響因素

盡管?chē)?guó)內(nèi)外核電廠采用不同的碘吸附器取樣技術(shù)，但每種取樣技術(shù)均應(yīng)確保取出的活性炭樣品具有代表性。從碘吸附器取樣裝置中取出的活性炭樣品，應(yīng)該能夠代表碘吸附器中活性炭。要滿足這一要求，活性炭樣品應(yīng)與所代表的整個(gè)炭床暴露于同樣的污染物中。

3.1.1直接取樣代表性影響因素

直接取樣是從碘吸附器內(nèi)部直接取用活性炭樣品。對(duì)于這種取樣技術(shù)來(lái)說(shuō)，應(yīng)確保在碘吸附器內(nèi)部各個(gè)部位的均勻取樣。因此直接取樣代表性影響因素主要考慮取樣的均勻性。

表1 國(guó)內(nèi)核電站碘吸附器取樣技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1)NA表示不適用。

3.1.2取樣裝置取樣代表性影響因素

對(duì)于用取樣裝置進(jìn)行取樣來(lái)說(shuō)，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)核空氣與氣體處理規(guī)范(ASME AG-1)規(guī)定[4]：“試驗(yàn)罐流速應(yīng)在業(yè)主設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)規(guī)定的平均吸附器設(shè)計(jì)流速的±10%內(nèi)”，這是取樣裝置取樣代表性的基本要求。

設(shè)計(jì)取樣裝置時(shí)必須考慮所有對(duì)流量有影響的因素，主要有炭床厚度及阻力部件。粗短管路、閥門(mén)、連接頭、連接件、彎管、噴嘴及類似阻力部件會(huì)增加氣流通道阻力，從而使得取樣裝置不具有代表性[12]。相關(guān)計(jì)算表明，相對(duì)于炭床的阻力來(lái)說(shuō)，連接管路的阻力可忽略不計(jì)[11]。為此進(jìn)行了取樣代表性影響因素的試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1試驗(yàn)方法

為了研究及驗(yàn)證碘吸附器取樣代表性的影響因素，在實(shí)驗(yàn)室做了相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)。在碘吸附器(主回路)前端和后端并入獨(dú)立的取樣回路，構(gòu)建碘吸附器取樣模擬裝置，通過(guò)回路增加彎頭、炭床厚度等阻力部件進(jìn)而改變?nèi)踊芈纷枇?，測(cè)量主回路和取樣回路的氣流比速，流程示于圖6。

圖6 試驗(yàn)流程圖

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中所用的主要試驗(yàn)設(shè)備列于表2。

表2 試驗(yàn)中所用的設(shè)備

注：(1)圓筒型碘吸附器炭床厚度為3.5 cm，折疊式碘吸附器炭床厚度為5 cm；(2)流速差為主回路與取樣回路氣流速度差的絕對(duì)值。

3.2.3結(jié)果與討論

表3為試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果。

從表3中第1、2組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相對(duì)于炭床阻力對(duì)流速差的影響程度來(lái)說(shuō)，彎頭等連接管路可忽略不計(jì)。

第2、3、4組試驗(yàn)結(jié)果可知，取樣回路與碘吸附器中炭層厚度越接近，其取樣回路與主回路的壓力降也越接近，進(jìn)而氣流比速也越接近。

表中4組試驗(yàn)說(shuō)明，取樣回路彎頭的增加，取樣回路阻力增加，流速變小，從而使得取樣裝置不具有代表性。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了炭床厚度和阻力部件對(duì)于取樣代表性的影響，可知當(dāng)取樣裝置中的炭床厚度和經(jīng)過(guò)取樣裝置的壓力降分別與通過(guò)吸附器排架的炭床厚度和壓力降相同時(shí)，才能保證取出的樣品具有代表性。這將對(duì)于設(shè)計(jì)取樣裝置具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

4 外部取樣技術(shù)可行性分析

目前碘吸附器取樣裝置多設(shè)置在工作人員可進(jìn)入碘吸附器小室內(nèi)，定期進(jìn)行活性炭的裝取。對(duì)于在碘吸附器小室外部設(shè)置的活性炭取樣裝置，通過(guò)取樣裝置與除碘凈化系統(tǒng)的可分離，實(shí)現(xiàn)了碘吸附器小室外部在線取樣的技術(shù)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域還不具備這種碘吸附器外部在線取樣技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了兩種外部取樣裝置，并對(duì)其可行性進(jìn)行分析。

4.1 取樣裝置的結(jié)構(gòu)形式

所設(shè)計(jì)的兩種取樣裝置空間結(jié)構(gòu)示于圖7，一種為活性炭樣杯豎直安裝，另一種為活性炭樣杯水平安裝。這兩種取樣裝置都是集活性炭樣杯于取樣箱內(nèi)，進(jìn)氣口與出氣口分別與碘吸附器前后端連接，同時(shí)還采用了靜壓箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。橫向安裝的樣杯中活性炭因重力因素的影響有可能導(dǎo)致其下沉進(jìn)而被穿透的風(fēng)險(xiǎn)，本文推薦采用外部縱向取樣裝置進(jìn)行取樣。

圖7 兩種取裝置的空間結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 取樣裝置的氣流分布特性

設(shè)計(jì)取樣裝置每個(gè)平行樣杯在結(jié)構(gòu)形式上具有一致性。根據(jù)靜壓不變的均勻送風(fēng)管設(shè)計(jì)原理[13]，在進(jìn)入平行樣杯之前箱體內(nèi)靜壓是均勻的[14]，且樣杯結(jié)構(gòu)形式上是一致的，從而確保所設(shè)計(jì)的取樣裝置具有將氣流平均分配到每個(gè)活性炭樣杯的特性，防止通過(guò)某個(gè)樣杯的氣流偏差過(guò)大，導(dǎo)致取樣不具有代表性。

4.3 取樣裝置的取樣代表性

根據(jù)本文3.2.3節(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果“取樣回路與碘吸附器中炭層厚度越接近，其取樣回路與主回路的壓力降也越接近，進(jìn)而氣流比速也越接近”，設(shè)置活性炭樣杯中炭層厚度與碘吸附器的相同，進(jìn)而使取樣裝置引起的壓力降接近于碘吸附器排架的壓力降，實(shí)現(xiàn)“試驗(yàn)罐流速應(yīng)在業(yè)主設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)規(guī)定的平均吸附器設(shè)計(jì)流速的±10%內(nèi)”這一驗(yàn)收準(zhǔn)則，確保取出的活性炭樣品具有代表性。

綜上所述，通過(guò)取樣裝置結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，進(jìn)而控制氣流分配特性和壓力降可以實(shí)現(xiàn)取樣裝置的代表性取樣。

5 思考與建議

外部縱向取樣裝置將所需取樣樣杯集于取樣箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了小型化、模塊化，實(shí)際使用過(guò)程中節(jié)省了安裝空間。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果“相對(duì)于炭床阻力對(duì)流速差的影響程度來(lái)說(shuō)，彎頭等連接管路可忽略不計(jì)”可知，連接管路連接的靈活性增加了該取樣裝置現(xiàn)場(chǎng)適用性。

該外部取樣技術(shù)使取樣樣杯數(shù)量及體積不再受空間所限，改善了取樣時(shí)的工作環(huán)境，減少了拆裝取樣器時(shí)的工作量，降低了輻照風(fēng)險(xiǎn)和防止表面污染。

外部取樣裝置最好設(shè)有參數(shù)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)取樣代表性進(jìn)行定期評(píng)價(jià)。