AP1000機組主控室可居留性內(nèi)漏試驗解析

楊炯，操豐，高磊，雷春輝，袁會勇

（1.國核電站運行服務技術有限公司；2.國核示范電站有限責任公司，上海 200235）

AP1000是美國西屋公司設計的三代先進非能動型壓水堆，三門、海陽一期各建設了兩臺機組，由于來源于美國，在管理上，借鑒了美國核管會（NRC）的要求。傳統(tǒng)核電廠主控室一般設計為微正壓，該方法可有效維持主控室壓力邊界完整性，美國三里島事故之后，NRC對美國30%的核電廠主控室執(zhí)行了主控室可居留性內(nèi)漏試驗，發(fā)現(xiàn)只有一座核電廠主控室內(nèi)漏數(shù)值小于執(zhí)照許可，其余均存在不同程度的超標。NRC于2003年發(fā)了通用函件，向美國各核電廠提出了測定主控室內(nèi)漏量的要求。目前，三門、海陽四臺AP1000機組順利完成了主控室區(qū)域內(nèi)漏試驗，為后續(xù)開展華龍一號CAP1400主控室可居留性內(nèi)漏試驗積累了重要的理論和實踐經(jīng)驗。

1 主控室區(qū)域可居留性

1.1 核電廠可居留系統(tǒng)

為保護核電廠工作人員和設備免受氣載放射性和火災的危害并使相關區(qū)域的環(huán)境溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，AP1000設置了相關系統(tǒng)以保證人員的可居留性和設備安全可靠運行的條件。

在電廠可居留系統(tǒng)中包括了主控室應急可居留系統(tǒng)（VES），其它可居留系統(tǒng)有核島非放射性通風系統(tǒng)（VBS）、輻射檢測系統(tǒng)（RMS）、主交流電源系統(tǒng)（ECS）和消防系統(tǒng)（FPS）等。

設計基準事故后，主控室（MCR）的可居留性首先要保護運行人員免受放射性危害。AP1000設計基準事故的氣載源項來源于安全殼內(nèi)泄漏出來的氣載裂變產(chǎn)物，以及假設從乏燃料池氣化產(chǎn)生的氣載裂變產(chǎn)物。MCR周圍的氣載裂變產(chǎn)物濃度是裂變產(chǎn)物衰減常數(shù)、安全殼泄漏率和氣象條件的函數(shù)，而MCR內(nèi)的放射量除此之外，還取決于MCR壓力邊界內(nèi)漏量。

1.2 主控室可居留區(qū)域

AP1000主控室可居留區(qū)域包括MCR和技術支持中心(CSA)，CSA承擔了部分MCR職能，在應急工況下向核電廠操縱員提供核電廠管理和技術支持；提供評估和診斷核電廠狀態(tài)的場所，避免MCR過于擁擠；解除操縱員承擔的與電廠操作無關的通信和輔助工作等。因此在執(zhí)行主控室可居留性內(nèi)漏試驗時，把CSA也列入可居留區(qū)域，由VBS系統(tǒng)維持其可居留性，MCR還有專設的VES系統(tǒng)。

1.3 主控室區(qū)域壓力邊界

MCR和CSA位于輔助廠房117'6"標高上，圖1為主控室壓力邊界示意圖，MCR由主控制區(qū)、運行工作區(qū)、運行休息區(qū)、值長辦公室、廁所等組成，圖1標識了主控室壓力邊界，明確哪些區(qū)域是被排除在邊界以外的。

圖1 主控室壓力邊界示意圖

主控室壓力邊界除了上述所示的實體邊界外，還包括通風系統(tǒng)邊界，在分析主控室可居留性時，通風系統(tǒng)邊界容易被忽略。主控室區(qū)域墻體貫穿件要采用密封設計，與混凝土接觸的貫穿套管外表面采用環(huán)氧樹脂填縫劑密封；套管內(nèi)部，與管道、電纜等接觸的內(nèi)表面采用密封組件進行密封，密封材料要求可以承受62.2Pa的壓力。圖2為HVAC貫穿件密封示意圖。實踐中，核電廠可能存在貫穿件密封材料使用不規(guī)范、材料不符合防火要求等問題。容易產(chǎn)生泄漏的位置除了貫穿件之外，還有風管焊縫、檢修艙門、空氣處理單元外殼、隔離阻尼器等，要切實組織邊界檢查，否則可能出現(xiàn)試驗不合格情況。

組織邊界檢查，其中的重點工作就是檢測貫穿件是否按照設計要求進行密封，執(zhí)行時，首先獲取MCR和CSA貫穿件圖紙，然后標注所有的貫穿件，之后到現(xiàn)場實際查驗，確保在執(zhí)行基準內(nèi)漏試驗前沒有未處理的貫穿件。

1.4 主控室區(qū)域HVAC系統(tǒng)

VES系統(tǒng)是電廠專設的安全設施，為MCR提供可居留環(huán)境，以保證主控室工作人員可在事故后72h內(nèi)監(jiān)視事故進程，采取必要的事故緩解和電廠恢復措施，VES系統(tǒng)有4個VES應急空氣儲存模塊，每個模塊有8個儲存箱，共計32個儲存箱，儲存箱供給呼吸用干燥氣體。

圖2 HVAC貫穿件密封示意圖

在電廠正常運行時，不要求VES運行，由VBS系統(tǒng)為MCR、CSA等區(qū)域提供正?；蛘弋惓５耐L空調(diào)服務，圖3為AP1000核電廠主控室通風系統(tǒng)原理圖。

如果電廠失去正常電源而導致VBS無法運行時，VES即為MCR提供人員呼吸條件，且提供非能動的熱阱功能，在72小時內(nèi)保證這些房間溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。事故工況下，當MCR送風管道中探測到“高-高”粒子或碘放射性，或持續(xù)喪失廠用交流電源超過10min，也將啟動VES系統(tǒng)，為主控室人員提供可居留性環(huán)境。

2 示蹤氣體技術

2.1 技術原理

示蹤氣體測量方法的實質(zhì)是用一定濃度的示蹤氣體標識某一部分氣流，并假定在這一氣流中示蹤氣體濃度均勻一致.則當這一氣流與其它氣流摻混時，示蹤氣體濃度變化即可代表各氣流所占比例，這類釋放方法特別適用于進入控制體的氣流入口很多，且流量不穩(wěn)定可控的試驗中。

示蹤氣體的基本測量方法有三種：濃度衰減法，恒定濃度法和恒定流量法。這三種方法有各自的適用條件及對儀器設備的不同要求，但其共同之處都是在所研究的控制體內(nèi)釋放示蹤氣體，以使控制體內(nèi)原有空氣區(qū)別于從控制體外進入的空氣，這一特點必然要求示蹤氣體與控制體內(nèi)空氣始終迅速混合均勻，以保證示蹤氣體濃度變化能表征控制體的換氣量，因而在這一類測量方法中，示蹤氣體在空間中的混合均勻性始終是需要關注的重要問題。目前國內(nèi)的主控室可居留性內(nèi)漏試驗是參照美國標準ASTM E741執(zhí)行的，隨著實踐的積累和理論研究的成熟，國內(nèi)執(zhí)行標準《核電廠主控室可居留性內(nèi)漏試驗》已經(jīng)制定完成。

2.2 示蹤氣體選擇

示蹤氣體一般要求無毒無味，非易燃易爆，空氣中該氣體濃度較低，行業(yè)普遍使用SF6作為示蹤氣體，微量的SF6也能被氣相色譜儀檢測到，是通風系統(tǒng)性能試驗的理想示蹤氣體。

2.3 恒定流量法原理

圖3 AP1000主控室通風系統(tǒng)原理圖

目前示蹤氣體技術在核電廠主控室內(nèi)漏試驗的應用，國內(nèi)尚處于起步階段，只采用過恒定流量法。AP1000機組主控內(nèi)漏試驗即采用恒定流量法，恒定流量法指的是將示蹤氣體以恒定速率注射到主控室區(qū)域，并測量主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度隨時間的變化。當示蹤氣體濃度達到平衡時，用平衡濃度來計算進入主控室區(qū)域的總氣流量，其計算模型見圖4。

圖4 恒定流量法原理示意圖

根據(jù)示蹤氣體質(zhì)量守恒定律計算：

式中，V為主控室區(qū)域體積（m3）；C(t)為主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度（m3/m3）；S(t)為示蹤氣體釋放速率（m3/h）；Qinput(t)為待測區(qū)域與外界的空氣交換總量（m3/h）；C0為外界的示蹤氣體濃度（m3/m3）；t為時間（h）。

恒定流量法，S(t)=const，忽略外界示蹤氣體濃度，假設Qinput(t)為常數(shù)，得出：

經(jīng)過足夠長時間后，指數(shù)衰減為零，C(t)達到平衡，即可得出：

可以看出，主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度先隨時間增加而增加，最終達到穩(wěn)定，如圖5所示。根據(jù)ASTM E741，達到平衡的時間大約是3/A的時間，A是主控室區(qū)域換氣次數(shù)，見公式（4），此時主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度達到了最終平衡濃度的95%。

圖5 濃度增長曲線

達到平衡的時間Teq=3/A，

式中，A換氣次數(shù)（1/h）。

如果主控室區(qū)域新風量很低，對應的換氣次數(shù)也很低，則主控室區(qū)域示蹤氣體達到平衡濃度的時間會很長，這對試驗執(zhí)行將是一個重大挑戰(zhàn)，這時可使用濃度衰減法進行試驗，恒定濃度法在操作上存在較大難度，實際使用較少。但工程實踐中，不推薦使用濃度衰減法，濃度衰減法雖然操作簡單，但在其計算過程中，需要以主控室區(qū)域自由體積為輸入?yún)?shù)，而自由體積通常較難估計，會給試驗結(jié)果帶來較大的不確定度。

新風量Qm測量可以使用通風系統(tǒng)原設計的流量測量設備，例如皮托管或者風速儀等，在AP1000機組實踐中，為了獲得更高的精度，依照標準ASTM E2029采用了示蹤氣體方法，其原理是通過在新風管上游連續(xù)的引入已知濃度的示蹤氣體，然后測量注入點下游的示蹤氣體濃度，該濃度值與管道流量成反比，圖6為其計算原理圖。

圖6 新風量計算原理圖

內(nèi)漏量即為：

3 試驗執(zhí)行

3.1 試驗準備

在執(zhí)行AP1000主控室內(nèi)漏試驗時，無論是VBS系統(tǒng)試驗還是VES系統(tǒng)試驗，都有眾多先決條件，試驗執(zhí)行前，應按照設計文件、試驗技術規(guī)格書要求把主控室區(qū)域及相鄰區(qū)域HVAC系統(tǒng)配置到適當?shù)膮?shù)上。

在首次執(zhí)行主控室內(nèi)漏試驗前需進行主控室區(qū)域邊界檢查，識別邊界或組件上的會產(chǎn)生內(nèi)漏的缺陷，以進行試驗前維修或者設計變更。

首次執(zhí)行主控室內(nèi)漏試驗前允許采取行動使主控室區(qū)域和相關系統(tǒng)性能表現(xiàn)與執(zhí)照基礎一致，但執(zhí)行后續(xù)定期試驗時，可采取的措施是有限的。

定期試驗執(zhí)行前允許采取永久性行動，例如永久性密封管道、外殼或空氣處理單元；不應對主控室區(qū)域和相關通風系統(tǒng)進行預調(diào)節(jié)，例如更換門密封條或臨時性修復、或在執(zhí)行試驗之前采取強化主控室區(qū)域邊界完整性的活動。因為采取這些措施意味著核電廠主控室可居留性程序沒有發(fā)揮應有的作用，也可能是主控室區(qū)域維修和可居留性評估間隔太長。只有真實的內(nèi)漏測量，才能對主控室區(qū)域和相關通風系統(tǒng)的完整性進行評估，并確定主控室可居留性程序的有效性。

3.2 濃度均勻措施

使用示蹤氣體技術的一個重要假設是示蹤氣體與被測區(qū)域內(nèi)空氣充分混合均勻，這個過程美國多數(shù)核電站需要0.5～2小時，在AP1000機組上，這一時間要長，因此需要采用風扇輔助混合，主控室區(qū)域也需要適當?shù)牟贾?。通過主控室區(qū)域內(nèi)不同位置的取樣，可以判斷出混合情況，主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度相對標準偏差可以容易的達到在±10%，達到±2%也是有可能的。

3.3 濃度分析

試驗時在HVAC系統(tǒng)適當位置上注入示蹤氣體，為了確保主控室區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度快速接近平衡濃度，可先進行高濃度示蹤氣體注射、然后切換到低濃度示蹤氣體，需要精確把握高濃度示蹤氣體注射時間，高濃度示蹤氣體一旦注射過量，可能需要較長時間主控室區(qū)域示蹤氣體濃度才能衰減到平衡濃度，導致試驗超期。

平衡之后，開始正式取樣，可使用一次性聚丙烯注射器作為取樣容器，MCR和CSA房間內(nèi)的樣品可以直接手動收集，HVAC管道上的樣品可以使用專為現(xiàn)場研發(fā)的取樣系統(tǒng)進行取樣。取樣期間不允許開關主控室邊界門。

取得的樣品用專門為現(xiàn)場試驗研制的氣相色譜儀進行分析，氣相色譜儀使用前需要用標準氣體進行標定，以確保把儀器基線漂移和靈敏度改變降到最低。

3.4 不確定度計算

內(nèi)漏量測量和管道流量測量結(jié)果的不確定度計算是根據(jù)ANSI/ASME Standard PTC 19.1完成的，使用置信區(qū)間法，因為基于成本和操作上的考慮，一般不可能重復進行試驗，來獲得足夠的內(nèi)漏量數(shù)值進行統(tǒng)計分析，因此僅進行基于標準差計算的不確定性分析。

3.5 試驗結(jié)果與問題分析

由于試驗執(zhí)行經(jīng)驗、試驗準備、主控室區(qū)域HVAC設計等原因，可能會出現(xiàn)內(nèi)漏量數(shù)值超過驗收標準的情況，這時往往需要采取相應的措施，例如進行設計變更、系統(tǒng)組件維修等，然后重新進行試驗。由于試驗期間需要進行MCR、CSA區(qū)域管制，對正常全面開展核電廠調(diào)試或運行工作有一定影響，因此試驗前要進行充分的條件準備。

試驗中，多項數(shù)據(jù)測量的精確性對于試驗結(jié)果影響較大，因此要重點關注，例如示蹤氣體注射時使用的質(zhì)量流量控制器，準確度應在±2%以內(nèi)。

要提前考慮MCR、CSA區(qū)域內(nèi)示蹤氣體濃度分布均勻問題，要采取必要的空氣混合措施，并合理布置取樣測量點。

3.6 壓差測量

測量主控室可居留區(qū)域相對于其相鄰區(qū)域壓差，以評估主控室內(nèi)漏來源和相關通風系統(tǒng)的運行情況。

壓差測量一般在平衡之前，在MCR、CSA房間放置一臺絕壓表，每分鐘記錄一次壓力數(shù)值，然后用另一臺絕壓表測量周圍區(qū)域或房間壓力，最后需進行數(shù)值漂移和壓差修正。

4 結(jié)語

綜上所述，AP1000機組采用恒定流量法，以SF6作為示蹤氣體，進行主控室內(nèi)漏試驗，取得了良好的實踐結(jié)果，恒定流量法理論和實踐成熟，且計算過程中，不需要以主控室自由體積為參數(shù)，應作為國內(nèi)執(zhí)行主控室內(nèi)漏試驗的首選方案。在執(zhí)行主控室內(nèi)漏試驗前，應制定詳細的邊界檢查方案，仔細確認壓力邊界完整性，否則可能出現(xiàn)超出預期的試驗結(jié)果。AP1000機組主控內(nèi)漏試驗推動了國內(nèi)主控室可居留性標準化體系建設，為后續(xù)CAP1400機組、華龍一號機組主控內(nèi)漏試驗提供了充分的理論和經(jīng)驗指導，具有十分重要的意義。