“華龍一號”安全殼旁通合理性研究

劉 蘊，黃樹明，薛 娜，邱 林

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

安全殼是核反應(yīng)堆的最后一道實體屏障，在運行狀態(tài)和事故工況下包容放射性物質(zhì)以及提供輻射屏蔽。“華龍一號”的安全殼旁通泄漏份額（以下簡稱旁通份額），是指事故后來自內(nèi)層安全殼的泄漏不經(jīng)過環(huán)形空間收集而旁通至外層安全殼外環(huán)境的份額，是評價放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放量的重要計算參數(shù)，對工作人員以及場外公眾與環(huán)境的受照劑量有直接影響。安全殼旁通份額取值的合理與否，一方面關(guān)系非居住區(qū)、規(guī)劃限制區(qū)和應(yīng)急計劃區(qū)劃分的合理性，是選址、設(shè)計及建造階段安全分析與環(huán)境影響評價審查的重點；另一方面也是設(shè)計上保證核與輻射安全的重要因素。歐洲用戶要求[1]、美國核管理委員會（NRC）標(biāo)準(zhǔn)審查大綱（SRP）[2]等國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文件，均要求關(guān)注安全殼的旁通，對旁通份額進(jìn)行合理的估計和分析。

安全殼貫穿件隔離閥調(diào)試試驗需要在建設(shè)尾聲才能進(jìn)行，前期開展大殼類比實驗又需要耗費大量的人力財力和時間。福清核電5、6號機組的設(shè)計中，總體設(shè)計文件《雙層安全殼設(shè)計目標(biāo)與要求》中取內(nèi)殼旁通份額為 10%，但沒有對該取值的合理性開展詳細(xì)分析。

為深化“華龍一號”輻射防護(hù)的設(shè)計優(yōu)化，本研究在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，一方面采用我國二代加改進(jìn)型核電機組的相關(guān)實驗結(jié)果類別分析；另一方面結(jié)合典型設(shè)計基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故源項的計算過程，分析不同旁通份額取值對場外劑量后果的影響，研究“華龍一號”安全殼旁通份額取值的合理性。本研究成果不僅可用于安全審查中相關(guān)問題的解釋或澄清，也可為未來的設(shè)計改進(jìn)提供依據(jù)。

1 設(shè)計思路及理念

研究“華龍一號”的安全殼旁通份額需以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和模型為基礎(chǔ)，本節(jié)對此加以說明。

1.1 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

歐洲用戶要求[1]中對于安全殼的旁通要求：在設(shè)計基準(zhǔn)事故或設(shè)計擴展工況下，不應(yīng)超過一次整體泄漏率的 10%；設(shè)計者估計旁通份額應(yīng)采用合理的現(xiàn)實假設(shè)并參考相關(guān)運行經(jīng)驗；極低的旁通數(shù)值應(yīng)考慮所有可能的途徑，且有足夠的分析支持。

美國核管理委員會（NRC）標(biāo)準(zhǔn)審查大綱（SRP）[2]要求審查人員確定安全殼可能由旁路（或稀釋）泄漏的最大泄漏量。必須識別通過環(huán)廊或輔助廠房區(qū)域的旁通或會直接漏入大氣的潛在泄漏通道。必須規(guī)定泄漏到環(huán)境的安全殼旁路泄漏總量，而且必須將它寫入技術(shù)規(guī)格書。審查人員確認(rèn)試驗措施足以證實所規(guī)定的旁路泄漏率。

我國標(biāo)準(zhǔn)《壓水堆核電廠預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼設(shè)計》（NB/T 20303—2014）[3]要求雙層安全殼的內(nèi)殼的整體泄漏率“24 h內(nèi)不超過事故工況下安全殼氣體總質(zhì)量的0.3%”。福清核電5、6號機組總體設(shè)計文件《雙層安全殼設(shè)計目標(biāo)和要求》規(guī)定，直接旁通整個安全殼從外部匯集到的泄漏率不超過內(nèi)殼總泄漏率的10%。

1.2 放射性源項計算模型

以大破口失水類事故為例，事故工況下放射性核素由安全殼向環(huán)境釋放的典型過程如圖1所示。

內(nèi)殼中裂變產(chǎn)物的活度變化率同兩個因素相關(guān)，一是裂變產(chǎn)物向安全殼大氣釋放的速率，二是裂變產(chǎn)物被去除的速率。假設(shè)堆芯釋放的裂變產(chǎn)物在釋放的瞬間立即混合并均勻分布于內(nèi)層安全殼的大氣空間。同時，裂變產(chǎn)物將在多種去除機理的共同作用下有所減少，包括放射性衰變、內(nèi)殼泄漏以及自然去除作用和噴淋系統(tǒng)所引起的氣載放射性的降低等。內(nèi)殼泄漏過程中，內(nèi)層安全殼中的裂變產(chǎn)物一部分泄漏至環(huán)形空間，一部分直接釋放到環(huán)境，泄漏到環(huán)境的部分在計算過程中以旁通份額表示，即是本文所討論的安全殼旁通份額。

圖1 事故后放射性核素的釋放模型Fig.1 Modeling of radionuclide release after accident

泄漏至環(huán)形空間的放射性物質(zhì)一部分經(jīng)由過濾器過濾后釋放進(jìn)入環(huán)境，另一部分則旁路過濾器直接釋放到環(huán)境中，前者中碘和氣溶膠的放射性活度被大幅降低。雖然大多數(shù)的放射性物質(zhì)均經(jīng)環(huán)形空間向環(huán)境釋放，但其對劑量的貢獻(xiàn)被大量削弱，使得內(nèi)殼直接旁通到環(huán)境的貢獻(xiàn)在一定程度上凸顯出來。這是安全殼旁通份額成為源項計算中重要參數(shù)的直接原因。

放射性核素從安全殼向環(huán)境的釋放量可由下述微分方程組求解得出[4]：

2 具體設(shè)計內(nèi)容

俄羅斯彼得格勒二號 VVER-1200核電機組[5]和臺山EPR機組安全分析報告中均顯示，其設(shè)計措施能保證安全殼完好的嚴(yán)重事故條件下，內(nèi)殼能維持內(nèi)部負(fù)壓，源項計算中取旁通份額1%甚至不考慮旁通。這一結(jié)論是在詳細(xì)的數(shù)值分析及必要的實驗的基礎(chǔ)上得到的。

本研究采用二代加改進(jìn)型類比“華龍一號”，從實驗角度討論旁通份額10%的合理性。同時對安全殼泄漏率不同取值下，典型設(shè)計基準(zhǔn)事故以及嚴(yán)重事故的放射性后果開展評價與分析，討論安全殼旁通份額的合理性。

2.1 類比實驗分析

福清核電 3號機組為二代加改進(jìn)型、單層安全殼設(shè)計，與“華龍一號”內(nèi)層安全殼具有一定相似性。參考福清核電3號機組調(diào)試試驗，B類試驗（對安全殼貫穿件的密封部件如電氣貫穿件、人員閘門和設(shè)備閘門等加壓進(jìn)行的局部密封試驗）與C類試驗（對安全殼隔離閥加壓進(jìn)行的局部密封性試驗）結(jié)果之和小于10%。證明：即使不考慮周圍廠房對于旁通泄漏的包容，在設(shè)計上旁通份額取值10%仍是保守的。

2.2 放射性后果評價及討論

為了評估旁通份額對放射性釋放量以及場外劑量后果的影響，在此分別選取典型的設(shè)計基準(zhǔn)事故以及嚴(yán)重事故源項進(jìn)行分析。對于設(shè)計基準(zhǔn)事故，選取設(shè)計基準(zhǔn)大破口失水事故（DBALOCA）[6]，對于嚴(yán)重事故，選取在設(shè)備鑒定、場內(nèi)外應(yīng)急等工作中廣泛采用的全堆芯熔化嚴(yán)重事故（NUREG-1465）[7]。根據(jù)1.2節(jié)給出的安全殼釋放模型，計算福清核電5、6號機組內(nèi)殼旁通份額從0（即沒有旁通）～10%典型放射性核素的釋放量結(jié)果，并結(jié)合福清廠址的氣象數(shù)據(jù)[8]計算相應(yīng)的場外劑量后果。

2.2.1設(shè)計基準(zhǔn)大破口失水事故

圖2～圖4給出DBALOCA事故后由安全殼釋放到環(huán)境中的典型放射性核素的量。

圖2 不同旁通份額情況下137Cs的釋放量（DBALOCA）Fig.2 Total release of 137Cs with different bypass values(DBALOCA)

圖3 不同旁通份額情況下131I的釋放量（DBALOCA）Fig.3 Total release of 131I with different bypass values (DBALOCA)

圖4 不同旁通份額情況下85Kr的釋放量（DBALOCA）Fig.4 Total release of 85Kr with different bypass values（DBALOCA）

由圖2～圖4可知，在事故釋放初始時刻，不考慮旁通的釋放量要明顯低于 10%旁通份額的釋放量，在2 h時刻，10%旁通份額計算結(jié)果約為不考慮旁通的5倍，然而隨著事故的發(fā)展，這種差異有變小的趨勢。主要原因在于：DBALOCA不發(fā)生熔堆，燃料包殼間隙內(nèi)的放射性物質(zhì)在前0.5 h內(nèi)均釋放至內(nèi)殼中，使得殼內(nèi)放射性物質(zhì)總量在事故開始不久達(dá)到峰值，之后隨著不斷地向環(huán)境釋放逐漸下降；考慮10%旁通份額時，旁通的放射性物質(zhì)會在初期迅速釋放到環(huán)境中，剩下的放射性物質(zhì)則通過環(huán)形空間通風(fēng)過濾緩慢釋放到環(huán)境中；完全不考慮旁通的情況下，殼內(nèi)放射性全部通過環(huán)形空間向環(huán)境緩慢釋放；對比來看，釋放至環(huán)境的放射性活度在事故初期差異明顯，在較長的時間段下會變得不顯著。對于720 h的總釋放，考慮 10%旁通份額的結(jié)果約為不考慮旁通的 2倍。而對于惰性氣體（以85Kr為例），由于不能被通風(fēng)過濾系統(tǒng)過濾，考慮旁通與否對釋放總量并無明顯差異，旁通的影響只體現(xiàn)在初期的釋放速率上，并遠(yuǎn)小于氣溶膠的差異。

圖5給出了DBALOCA事故后，不同旁通份額情況下非居住區(qū)邊界（EAB）處放射性劑量后果的變化情況。

圖5 DBALOCA后2 h內(nèi)EAB（500 m）處公眾劑量Fig.5 Exposure dose at the EAB (500 m) within 2 hours after DBALOCA

由圖5可知，在各種情況下，EAB處公眾在事故后2 h受到的有效劑量均遠(yuǎn)低于GB 6249—2011[9]中給出的劑量驗收準(zhǔn)則（小于100 mSv）。隨著所考慮的旁通份額的增加，對應(yīng)的劑量結(jié)果也逐漸變大，然而變化并不呈現(xiàn)線性增長趨勢。內(nèi)殼旁通份額取值 10%的劑量結(jié)果與取值1%的結(jié)果在一個量級之內(nèi)，與安全分析中后果評價模型的保守度相比并不顯著。主要原因分析如下。如上面針對137Cs、131I、85Kr這幾種典型核素的分析可知，其釋放量與內(nèi)殼旁通份額就不呈線性關(guān)系，而劑量結(jié)果又受多種核素的綜合影響。137Cs、131I等氣溶膠是內(nèi)照射劑量的主要貢獻(xiàn)者，85Kr等惰性氣體是外照射劑量的主要貢獻(xiàn)者。在總的有效劑量中，由惰性氣體產(chǎn)生的煙羽浸沒外照射占很大一部分比例，約為45%，而其釋放量在考慮10%旁通情況下與不考慮旁通情況的結(jié)果是相差不大的，因此EAB處公眾所受總劑量的差異量并不如137Cs、131I這類氣溶膠核素2 h釋放量的差異這樣顯著。

2.2.2全堆芯熔化嚴(yán)重事故

圖6～圖8給出了NUREG-1465事故后由安全殼釋放到環(huán)境中典型放射性核素的量。可以看出，NUREG-1465由安全殼向環(huán)境釋放的放射性核素，在不同內(nèi)殼旁通份額情況下的釋放量變化趨勢與DBALOCA類似，在此不再贅述。

圖6 不同旁通份額情況下137Cs的釋放量（NUREG-1465）Fig.6 Total release of 137Cs with different bypass values (NUREG-1465)

圖7 不同旁通份額情況下131I的釋放量（NUREG-1465）Fig.7 Total release of 131I with different bypass values (NUREG-1465)

圖8 不同旁通份額情況下85Kr的釋放量（NUREG-1465）Fig.8 Total release of 85Kr with different bypass values (NUREG-1465)

針對嚴(yán)重事故的場外劑量后果，目前國內(nèi)尚沒有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)給出明確的量化驗收準(zhǔn)則，考慮到NUREG-1465源項在國內(nèi)壓水堆核電廠場外應(yīng)急計劃區(qū)（EPZ）測算中的廣泛應(yīng)用，在此以EPZ內(nèi)區(qū)邊界（5 km）處公眾所受的劑量不超過GB 18871—2002[10]附錄E中給出的撤離行動的通用優(yōu)化干預(yù)水平（50 mSv）為例，分析不同旁通份額情況下的場外公眾劑量。

圖9給出了NUREG-1465事故后，不同旁通份額情況下EPZ內(nèi)區(qū)邊界公眾所受的放射性劑量后果的變化情況。在此需要說明的是，此處給出的是整個事故持續(xù)期間（計算中取30 d）的劑量后果，而撤離行動的通用優(yōu)化干預(yù)水平對應(yīng)事故后 7 d的可防止劑量，因此本計算具有足夠的保守性。

圖9 NUREG-1465源項EPZ內(nèi)區(qū)邊界（5 000 m）處公眾劑量Fig.9 Exposure dose at the EPZ boundary（5 000 m）after NUREG-1465

由圖 9可知，10%旁通份額情況下，5 km處公眾可能受到的劑量結(jié)果最大，約為1.28 mSv，遠(yuǎn)低于撤離行動的通用優(yōu)化干預(yù)水平，也低于隱蔽的通用優(yōu)化干預(yù)水平（10 mSv）。隨著所考慮的旁通份額的增加，對應(yīng)的劑量結(jié)果也逐漸變大，但劑量隨旁通份額的變化亦不呈現(xiàn)線性增長趨勢。其原因與 DBALOCA的劑量后果變化趨勢分析是相似的。該現(xiàn)象說明，即使按貫穿件和各種閥門與閘門的泄漏率實驗，累積得到旁通份額的真實值，其劑量結(jié)果和旁通份額取 10%僅有 50%以下的差異。事實上，堆芯狀況、氣象條件、大氣擴散模型及劑量模型等對劑量結(jié)果的敏感性均在這之上。

綜上所述，在核電廠安全分析中，是否考慮安全殼旁通對釋放源項有重要影響，但旁通份額取值 10%或以下，均能使劑量結(jié)果在合理的范圍內(nèi)，且不會對非居住區(qū)、規(guī)劃限制區(qū)和應(yīng)急計劃區(qū)的劃分產(chǎn)生顯著差異。除非要求源項計算盡可能貼近真實情況，否則 10%即可為旁通份額的合理取值。

3 優(yōu)化及創(chuàng)新

本研究分析并討論了“華龍一號”核電機型內(nèi)殼旁通份額取值對事故源項和事故后果的影響程度，證明了安全分析中“華龍一號”內(nèi)殼旁通份額取值 10%的合理性。具體結(jié)論如下：

（1） 安全殼旁通對事故向環(huán)境釋放的放射性源項有顯著影響，旁通份額越大，事故源項越大；

（2） 隨著事故的發(fā)展，旁通份額對源項的影響逐漸降低；考慮 10%旁通份額與不考慮旁通相比，典型核素釋放總量的差異由事故開始時的數(shù)個量級，逐漸降至2倍左右；

（3） 劑量后果隨旁通份額的變化不成線性關(guān)系，旁通份額取值10%與1%的劑量后果在一個量級之內(nèi)，與安全分析中后果評價模型的保守度相比并不顯著。

本研究對“華龍一號”安全殼旁通泄漏份額取值的探討，可用于選址與設(shè)計階段的安全分析，也對核安全與輻射防護(hù)設(shè)計的進(jìn)一步優(yōu)化提供了背景基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究以國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對于核電廠安全殼旁通份額的要求為基礎(chǔ)，結(jié)合工程設(shè)計需要和實際情況，從實驗類比和事故后果分析這兩個方面，探究了“華龍一號”雙層安全殼設(shè)計中內(nèi)殼旁通泄漏份額的合理性。與二代加改進(jìn)型核電機組調(diào)試試驗的類比分析表明：“華龍一號”內(nèi)殼旁通份額應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的10%，取值具有保守性。事故后果分析則證實：內(nèi)殼旁通至環(huán)境是放射性物質(zhì)泄漏的重要途徑，對源項和劑量的貢獻(xiàn)不可忽視，但不同旁通份額取值對場外劑量后果的影響并不明顯，安全分析中取旁通份額為 10%對放射性后果評價具備合理性。

后續(xù)可基于事故下殼內(nèi)溫度壓力變化以及周圍廠房和通風(fēng)系統(tǒng)的滯留作用，考慮適當(dāng)降低安全殼旁通份額的設(shè)計值，進(jìn)一步體現(xiàn)“華龍一號”機組的設(shè)計安全性。