核設施煙囪氣態(tài)流出物取樣系統(tǒng)氣溶膠穿透效率試驗研究

楊 屹，沈 福，暢 翔，孟 丹，商 潔，馬 弢，楊 柳

(中國輻射防護研究院，太原 03006)

核電站或核設施在運行時，會通過管道或煙囪向大氣環(huán)境中排放氣態(tài)放射性流出物，這些流出物必須經(jīng)過有效地監(jiān)測和控制，以滿足所規(guī)定的排放限值。煙囪氣態(tài)流出物取樣必須經(jīng)過合理的設計，否則會導致取樣失去代表性，使得最終采得的樣品低估甚至嚴重低估實際煙囪排放的活度濃度[1-2]。同時，取樣代表性評估也被列為建設許可證(CP)條件，是核電廠安全審評關注的重要問題之一。國際標準化組織(ISO)標準(ISO 2889—2010)和美國標準(ANSI/HPS N13.1—2011)都對核設施氣態(tài)流出物取樣監(jiān)測的有關性能，提出了詳細的量化指標和判定方法[3-5]。

氣溶膠穿透效率是取樣代表性的關鍵指標之一，氣溶膠粒子在取樣傳輸系統(tǒng)中輸運時，由于重力沉降、慣性碰撞、湍流等多種原因，在傳輸管道內(nèi)表面發(fā)生沉積損失，造成穿透效率(即“經(jīng)取樣管道傳輸前后的粒子質(zhì)量之比”)降低。ISO 2889—2010指出“如果在正常工況下，采用Da為10 μm的單分散顆粒物進行試驗的結(jié)果表明其穿透效率≥50%，就應認為正常工況、異常工況和預計事故工況下氣溶膠顆粒物取樣系統(tǒng)的性能是合格的”[4]。

本文以國內(nèi)某核電站煙囪取樣系統(tǒng)為例，選擇Da=10 μm粒徑的氣溶膠粒子開展了穿透效率試驗，介紹了試驗的過程及要求，并對試驗結(jié)果進行了分析。

1 試驗方法

本文以某核電站煙囪取樣系統(tǒng)為例，對其進行氣溶膠穿透效率驗證試驗，根據(jù)ISO 2889—2010標準[4]推薦，采用Da=10 μm粒子開展試驗。本文采用現(xiàn)場實際安裝的管路系統(tǒng)作為試驗研究對象，該核設施煙囪流出物先后經(jīng)過多嘴取樣頭、一級取樣管線、二級取樣管線和三級取樣管線，最終到達取樣監(jiān)測裝置，即PIG流出物監(jiān)測系統(tǒng)(如圖1所示)。因此，本試驗研究的取樣管路起點為多嘴取樣頭入口，終點為監(jiān)測裝置入口處。表1給出了各段管線的主要規(guī)格及參數(shù)。

圖1 某核電站煙囪取樣系統(tǒng)

表1 取樣系統(tǒng)規(guī)格及參數(shù)說明

核電站或核設施的煙囪取樣系統(tǒng)一般長達幾十米，連接全部取樣管路在全尺寸下開展氣溶膠穿透效率試驗，往往受空間限制無法開展。根據(jù)已有試驗經(jīng)驗，可對整個取樣管路系統(tǒng)進行分段測量，各分段管路的穿透效率之積即為整個系統(tǒng)的穿透效率。

1.1 試驗裝置及設備

取樣管路分段后，分別將分段后的待測取樣管路連接至氣溶膠穿透效率試驗裝置(如圖2所示[6])，氣流方向保持與原取樣系統(tǒng)一致。

圖2 試驗裝置示意圖

氣溶膠穿透效率試驗裝置主要由標準粒子發(fā)生裝置、粒子彌散室、取樣裝置、損失測量設備以及試驗管路組成。其中標準粒子發(fā)生器要求可發(fā)生穩(wěn)定的單分散氣溶膠粒子，發(fā)生粒徑(空氣動力學直徑)在1.0 μm～10 μm范圍。穿透效率試驗由標準粒子產(chǎn)生器產(chǎn)生標準粒子輸送到粒子彌散室中，在抽氣泵作用下，彌散室中的粒子經(jīng)過待測取樣管道發(fā)生管道沉積損失。氣溶膠粒子一部分在測試管道內(nèi)部沉積造成質(zhì)量損失，另一部分經(jīng)測試管道后被高效濾紙收集，試驗中得到這兩部分值即可計算其穿透效率。流量計(含控制器)用于調(diào)節(jié)和控制整個試驗裝置的流量，使其與原系統(tǒng)取樣流量保持一致。

1.2 試驗過程及要求

試驗過程分為三個階段：標準粒子發(fā)生、取樣管路沉積、質(zhì)量測量。

(1)標準粒子產(chǎn)生及要求

本試驗采用TSI 3450作為標準粒子發(fā)生器，通過控制發(fā)生溶液濃度和粒子產(chǎn)生器振動頻率、注入速度等參數(shù)，發(fā)生試驗所需的10 μm氣溶膠粒子。產(chǎn)生的氣溶膠粒子應滿足以下要求：(a)粒子符合單分散性的要求，且為標準球形粒子；(b)粒子靜電中和(一般采用靜電中和器進行處理)。

為了保證試驗過程中的一致性，需要多次對產(chǎn)生的氣溶膠粒子進行采集，并測量其粒徑大小，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)測量，最大粒徑值為 10.42 μm，最小粒徑值為 9.11 μm，發(fā)生粒子的平均粒徑大小為 9.74 μm，標準差為0.28 μm，氣溶膠粒子粒徑在試驗前后保持一致。

圖3 粒子形態(tài)(500倍)及粒徑分布

一般而言，在發(fā)生溶液濃度、發(fā)生器參數(shù)和環(huán)境條件不變的情況下，發(fā)生粒子的粒徑大小基本不發(fā)生變化。

(2)取樣管路沉積

根據(jù)圖2所示，搭建測試管路系統(tǒng)，在標準粒子發(fā)生滿足測試要求后，即可進行穿透效率試驗。取樣管路沉積過程應滿足以下要求：(1)取樣流量穩(wěn)定；(2)采樣時間合理。

為了保證測量的準確度，首先通過預試驗確定測試管路的取樣時間和沖洗量范圍。取樣時間的長短由所產(chǎn)生的粒子大小及其后進行質(zhì)量分析測量的精度而定，為了提高質(zhì)量分析測量的精度，原則上取樣時間應盡可能長。大粒徑的取樣時間無需過長，根據(jù)采樣流量、管路規(guī)格等一般在60 min以內(nèi)即可；對小粒子試驗，取樣時間需要幾個小時甚至更長。

經(jīng)預實驗測試，多嘴取樣頭取樣時間為20 min，最大沖洗溶液量200 mL；其他管路取樣時間為60 min，試驗管路沖洗溶液量200 mL。

(3)質(zhì)量測量

每次取樣完成后，拆卸下測試管道、濾紙，采用定量溶液(粒子發(fā)生溶液的溶劑)沖洗測試管道得到沉積損失部分溶液(沉積損失部分Ml：測試管路氣溶膠沉積損失部分的質(zhì)量)，濾紙采用定量溶液浸泡得到收集部分溶液(收集部分Mc：收集部分的質(zhì)量，即取樣管道總透過量)。根據(jù)分光光度計測量的溶液濃度(采用扣除本底后的吸光度值替代真實的質(zhì)量濃度)和溶液體積計算得出其對應的質(zhì)量。其中Ml+Mc為氣溶膠總質(zhì)量。

損失測量過程應滿足以下要求：(1)溶液量精確；(2)操作嚴謹細致。

1.3 穿透效率的計算

通過試驗得到各分段管道的沉積損失部分M1(i)和收集部分Mc(i)，通過公式(1)計算整個取樣管道的氣溶膠穿透效率P：

(1)

式中，P為氣溶膠穿透效率；Mc(i)為第i段試驗管路收集部分質(zhì)量,即取樣管路透過量；Ml(i)為第i段試驗管路氣溶膠沉積損失部分質(zhì)量；n為取樣管路分段總數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

通過試驗數(shù)據(jù)得到了該核設施煙囪取樣管路系統(tǒng)各管線的穿透效率(取三次試驗均值)，同時，利用標準推薦方法自主開發(fā)的“氣溶膠管路損失計算軟件”進行了理論計算[7]，各管線試驗值與計算值的對比列于表2。

表2 各管線穿透效率試驗值與計算值的對比

由表2可以看出，氣溶膠總穿透效率試驗值(48.42%)略大于計算值(44.88%)，但小于標準[4]規(guī)定的50%的要求。

經(jīng)分析，三級取樣管線中間設置了兩個90°彎頭(圖1中①和②所示)，在一定程度上增加了損失率。為了提高穿透效率，可取消彎頭，采用直管連接，改進取樣系統(tǒng)性能。試驗測得改進后的三級取樣管線穿透效率由90.73%提高至99.70%(見表3)。改進后，煙囪取樣系統(tǒng)總穿透效率可由原來的48.42%提高至53.21%，滿足了標準規(guī)定的大于50%的要求。

表3 三級取樣管線改進前后穿透效率對比

2.2 試驗誤差

氣溶膠的沉積損失是十分復雜的，需要長期積累的大量試驗經(jīng)驗。沉積損失率試驗一般都具有較好的重復性，最大試驗偏差(經(jīng)驗值)一般不會超過±15%。本試驗的主要誤差(經(jīng)驗值)來源于粒子大小測量、沉積損失測量等，表4列出了誤差來源及大小。

表4 誤差來源及大小

3 討論

本研究通過試驗得到了該核電站煙囪氣態(tài)流出物取樣系統(tǒng)在Da=10 μm粒徑下的氣溶膠穿透效率試驗結(jié)果為48.42%，略低于標準要求(≥50%)。經(jīng)過對其三級取樣管線改進，穿透效率可提升至53.21%，改進后的煙囪取樣系統(tǒng)在氣溶膠穿透效率指標上滿足標準要求。在本試驗中，下述幾點應引起注意：

(1)針對本文中的核設施，其煙囪流出物中氣溶膠粒徑分布尚不明確，根據(jù)ISO 2889—2010標準[4]推薦，采用了推薦的10 μm粒子開展試驗，可以滿足最小穿透效率的測定。對于粒徑分布相對明確的核設施，以實際的粒徑分布開展試驗最佳。

(2)由三級取樣管線改進前后的對比，可以看出，彎頭對穿透效率的影響很大。因此，煙囪取樣系統(tǒng)應盡量減少彎頭的數(shù)量，且彎頭曲率半徑盡可能大(R≥5D)；同時，水平直管也應盡可能地短。

(3)相比大多數(shù)采用單一管徑的煙囪取樣系統(tǒng)，試驗管路采用的三級取樣管線，有效減少了沉積損失。尤其對于長度超過60 m且包含8個彎頭的一級取樣管線，穿透效率能夠高達近80%，一般單一管徑的取樣系統(tǒng)很難做到。因此，合理設計的多級取樣管線能夠有效提升整個取樣系統(tǒng)的性能。

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)實，核設施氣態(tài)流出物的取樣管線一般都較長，ISO 2889—2010標準[4]中關于10 μm粒子的穿透系數(shù)不小于50%的要求，對新建核設施的取樣系統(tǒng)設計提出了更高要求，同時為舊設施的升級改造提供了依據(jù)。從監(jiān)管角度，如何理解和執(zhí)行該標準，也是當下所面臨的一大問題。因此，有必要進一步開展此方面的研究。