核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)理論計算模型及對核電事故緩解研究

陶舒暢 賴建永 秦婧 葉竹 蘇桐

摘 要

針對核反應(yīng)堆的特殊性，總結(jié)了核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)遵循的導(dǎo)則、規(guī)范、設(shè)計準則等，給出了理論計算模型;參考已有的核反應(yīng)堆設(shè)計經(jīng)驗，綜合考慮給出了通風(fēng)系統(tǒng)的基本設(shè)計參數(shù)。由于事故工況下核電放射性對環(huán)境會產(chǎn)生巨大危害，因此建立了事故工況下核素活度計算模型，定量分析了通風(fēng)系統(tǒng)對核電事故緩解的作用。

關(guān)鍵詞

核反應(yīng)堆;通風(fēng)系統(tǒng);事故緩解

中圖分類號： TL351.6-18 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 61

0 前言

核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)屬于核島輔助系統(tǒng)，除承擔(dān)一般工業(yè)及民用通風(fēng)系統(tǒng)的功能外，核島通風(fēng)系統(tǒng)還承擔(dān)著控制和消除放射性物質(zhì)對環(huán)境污染的責(zé)任，也是保障核電廠工作人員和周圍公眾健康的重要設(shè)施。

核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)主要承擔(dān)三個功能：（1）確保工作人員健康安全。為工作人員提供舒適的、符合環(huán)境標準及衛(wèi)生標準的空氣，保障人員健康安全;（2）消除余熱、余濕及有害氣體，確保設(shè)備儀器運行安全;（3）事故通風(fēng)。在發(fā)生事故的情況下，最大限度降低放射性的釋放與擴散，有效降低核事故后果。本文首先介紹了核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循的導(dǎo)則、規(guī)范、設(shè)計準則，針對核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)不同的功能要求，給出了不同的計算理論模型，同時參考德國FRM Ⅱ反應(yīng)堆及國內(nèi)已有的核反應(yīng)堆的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合理論分析給出了針對研究型池式反應(yīng)堆不同房間通風(fēng)要求的具體參數(shù)。由于事故工況對社會和環(huán)境會產(chǎn)生重大的影響，因此最后定量分析了通風(fēng)系統(tǒng)對核電事故工況的緩解作用[1-3]。

1 通風(fēng)系統(tǒng)分級及相關(guān)設(shè)計規(guī)范

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)分級

核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)安全等級為非安全級（NC）、抗震分類為非核抗震類（NA），質(zhì)保等級為質(zhì)保3級（QA3）。但與安全有關(guān)的密封廠房邊界貫穿件和邊界兩側(cè)的密閉隔離閥安全等級為安全級（SC）、抗震分類為Ⅰ類，質(zhì)保等級為質(zhì)保2級。

1.2 相關(guān)設(shè)計規(guī)范

應(yīng)當(dāng)遵循的通用標準、規(guī)范：

（1）GB50019-2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》

（2）GB50016-2014（2018年版）《建筑設(shè)計防火規(guī)范》

（3）GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》

（4）GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》

（5）GB50243-2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》

（6）GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》

應(yīng)當(dāng)遵循的涉核專用標準、規(guī)范：

（1）HAF ?003《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》

（2）EJ514-90《研究性反應(yīng)堆建筑物采暖、通風(fēng)與空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》

（3）HAF ?201《研究堆設(shè)計安全規(guī)定》

（4）EJ/T1082-2005《核電廠防火準則》

（5）HAD ?102/11《核電廠防火》

（6）EJ/T938-1995《核燃料后處理廠通風(fēng)與空氣凈化設(shè)計規(guī)定》

2 核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 參數(shù)要求

對于工作人員生活工作區(qū)（非廠房部分），相關(guān)參數(shù)可參考GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》選取，如表1所示。

對于核反應(yīng)堆廠房，根據(jù)廠房的工藝特點、是否有工作人員及工作人員停留時間等因素，對核反應(yīng)堆廠房室內(nèi)設(shè)計參數(shù)提出如下要求（如表2所示）。

2.2 工作人員生活工作區(qū)（非廠房部分）通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

對于該部分的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)當(dāng)以人員的舒適、健康、安全為原則進行設(shè)計。設(shè)計的目標是讓室內(nèi)環(huán)境滿足環(huán)境衛(wèi)生標準的基本上，兼顧舒適性要求。環(huán)境衛(wèi)生標準的主要指標包括：

（1）物理性。如溫度、濕度、空氣流速、新風(fēng)量等。

（2）化學(xué)性。如二氧化碳、可吸入顆粒PM10、總揮發(fā)性有機物TVOC等。

（3）生物性。例如菌落總數(shù)。

（4）放射性。如氡22Rn。

對于該部分指標的具體值，可參考GB/T 18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》、GB 50325-2010《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》等。

新風(fēng)是該部分通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的核心參數(shù)之一。新風(fēng)主要有兩個用途：一是稀釋室內(nèi)有害物質(zhì)的濃度，滿足人員的衛(wèi)生要求;二是補充室內(nèi)排風(fēng)和保持室內(nèi)正壓。前者的指示性物質(zhì)是CO2，使其日平均值保持在0.1%以內(nèi);后者通常根據(jù)風(fēng)平衡計算確定。

參考美國采暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會標準ASHRAE 62-2001《Ventilation for acceptable indoor air quality》以及國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，主要空間的設(shè)計新風(fēng)量可采用下表的值（如表3所示）。

2.3 核反應(yīng)堆廠房區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)理論計算模型

廠房區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)，主要起提供溫度、濕度、潔凈度滿足設(shè)備運行要求的環(huán)境條件，保障設(shè)備運行安全的作用，即主要作用包括消除余熱、余濕以及有害物。下面詳述不同作用的計算模型。

2.3.1 消除有害物

2.4 理論計算結(jié)果

由于不同的反應(yīng)堆型通風(fēng)系統(tǒng)容量差別很大，故計算出的絕對數(shù)值不具有普適性的參考意義。為了讓計算結(jié)果更有借鑒意義，將結(jié)果統(tǒng)一換算成換氣次數(shù)。最終不同房間的通風(fēng)換氣次數(shù)結(jié)果如表4所示。

3 事故通風(fēng)理論計算模型及對事故緩解研究

3.1 事故通風(fēng)理論計算模型

本部分內(nèi)容是假設(shè)反應(yīng)堆發(fā)生了嚴重事故，放射性核素被釋放。放射性核素通常以氣體或氣溶膠形態(tài)存在，若不通風(fēng)，則會不斷積聚。因此需要通風(fēng)系統(tǒng)將核素排出。

從上式可以看出，f0/V0與放射性活度間呈指數(shù)負相關(guān)關(guān)系，是活度的最主要的影響因素。圖2給出了f0/V0=11.5h-1和f0/V0=4.5h-1情況下二者的變化曲線關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）本文總結(jié)了核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循的設(shè)計原則以及應(yīng)當(dāng)遵守的相應(yīng)的國家標準、規(guī)范;

（2）核反應(yīng)堆通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)分成工作人員工作生活區(qū)及廠房區(qū)分別進行設(shè)計，不同區(qū)域設(shè)計原則也不同;

（3）針對不同的情況，給出了新風(fēng)系統(tǒng)、排出余熱、排出余濕、排出有害氣體以及事故工況等不同情況的理論計算模型;

（4）經(jīng)過理論計算，給出了不同房間的通風(fēng)換氣次數(shù);

（5）研究了事故工況下事故通風(fēng)系統(tǒng)對緩解事故的作用?？梢钥闯觯篴、當(dāng)f0/V0=11.5h-1時，事故通風(fēng)運行4min可將核素放射性降低50%，運行30min，可降低99%以上;b、當(dāng)f0/V0=4.5h-1時，事故通風(fēng)運行9min可將核素放射性降低50%，運行30min，可降低90%以上。從而可以看出，事故通風(fēng)系統(tǒng)能夠有效防止放射性物質(zhì)的擴散。

參考文獻

[1]林曉玲.應(yīng)急排風(fēng)對緩解核事故輻射后果的理論計算[J].核動力工程，2013（4），2：42.

[2]中核清原環(huán)境技術(shù)工程公司.放射性廢物管理規(guī)定：GB 14500-2002[S].北京：中國標準出版社，2002.

[3]李建敏.CARR堆反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計[J].核動力工程，2007（2），2：28.