新風(fēng)量對主控室可居留性的影響分析及優(yōu)化

王夢溪，劉新建，邱 林

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840;2.國家核應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)支持中心，北京 100071)

主控室和應(yīng)急控制中心等場內(nèi)應(yīng)急設(shè)施作為核電廠重要的應(yīng)急場所，必須采取適當(dāng)措施和提供足夠的信息保護(hù)室內(nèi)工作人員，防止事故工況下形成的過量照射、放射性物質(zhì)的釋放或有毒氣體之類險情的繼發(fā)性危害，以保持其采取必要行動的能力?！逗藙恿S設(shè)計安全規(guī)定》、《核電廠營運單位的應(yīng)急準(zhǔn)備與應(yīng)急響應(yīng)》、《核動力廠場內(nèi)應(yīng)急設(shè)施設(shè)計準(zhǔn)則》[1-3]等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)均針對應(yīng)急設(shè)施可居留性提出了較明確的設(shè)計要求。應(yīng)急審評過程也對相關(guān)問題進(jìn)行了持續(xù)關(guān)注[4-5]。除了設(shè)施的位置、布局外，可居留性系統(tǒng)特別是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)的設(shè)計，對事故條件下人員受照劑量的影響是最直接的。本文暫不研究有毒有害氣體對主控室可居留性的影響，僅關(guān)注放射性方面。

目前國內(nèi)核應(yīng)急設(shè)施的可居留性評價主要依據(jù)美國核管會(US NRC)發(fā)布的技術(shù)導(dǎo)則RG 1.195和NUREG/CR-6210[6-7]。圖1給出了主控室可能被放射性污染的途徑。影響人員受照劑量的因素很多，設(shè)計人員在方案設(shè)計階段也努力從各方面進(jìn)行嘗試和改進(jìn)，以提高其可居留性。如隔離增壓過濾、隔離再循環(huán)過濾、隔離增壓再循環(huán)過濾、雙進(jìn)風(fēng)口和采用罐裝空氣等[8]。

圖1 主控室放射性污染途徑Fig.1 Schematic diagram of air flowinto the control room

我國核電站起步較晚，在早期的大亞灣和秦山核電廠設(shè)計中，主要沿用了法國M310機組的方案，采用較為簡單的新風(fēng)過濾(隔離過濾)系統(tǒng)方案，未設(shè)置內(nèi)部循環(huán)過濾裝置。在后來機組的設(shè)計和評審過程中，發(fā)現(xiàn)其中存在的一些不足，如非過濾滲入考慮不夠保守，正壓不能夠有效維持等。這些現(xiàn)象在美國電廠的實際測試后[9]更加受到重視。于是在后續(xù)的機組設(shè)計中努力進(jìn)行改進(jìn)，包括設(shè)置事故工況下的雙進(jìn)風(fēng)口、重新布局可居留區(qū)域(CRE)、提高可居留區(qū)域的密閉性、優(yōu)化系統(tǒng)的新風(fēng)量等[10]。

不同的主控室設(shè)計參數(shù)均對人員受照劑量有直接的影響，且這些參數(shù)之間也相互影響制約，限于篇幅，本文將主要的研究方向集中在新風(fēng)量的優(yōu)化?？紤]到由于新風(fēng)量不僅直接影響放射性物質(zhì)的引入和排出速率，在設(shè)施建造完成后(縫隙等影響非過濾滲入的特征已經(jīng)定型)又影響CRE區(qū)域內(nèi)的正壓值，進(jìn)而影響非過濾滲入風(fēng)量的多少。另外風(fēng)量的改變和優(yōu)化在工程上具有經(jīng)濟(jì)性強和易于實施等優(yōu)勢。通過新風(fēng)量的優(yōu)化分析，能夠為主控室和應(yīng)急控制中心等場內(nèi)應(yīng)急設(shè)施HVAC系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供一定參考。

本文首先對主控室內(nèi)人員受照劑量的計算方法進(jìn)行了簡單的討論，分別分析了環(huán)境釋放源項以惰性氣體為主、以氣溶膠和碘為主以及兩者并存三種情況下主控室人員受照劑量的基本特征及其隨新風(fēng)量的變化情況。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合典型的冷卻劑喪失事故(LOCA)源項和主控室的設(shè)計特征，分析了最優(yōu)風(fēng)量是否存在，并討論了相關(guān)參數(shù)的不確定性。

1 計算原理

RG1.195[6]給出了主控室僅通過氣載途徑從外界引入放射性物質(zhì)情況下的室內(nèi)核素濃度變化過程，用式(1)表示：

Ri-(λr1+λr2+λr3)·Ai

(1)

下文分別討論事故源項以惰性氣體為主、以氣溶膠和碘為主以及兩者并存三種情況下主控室人員受照劑量的基本特征及其隨新風(fēng)量的變化情況。

1.1 惰性氣體

過濾器一般不能有效地去除惰性氣體，即新風(fēng)過濾和循環(huán)過濾對惰性氣體均不起作用。忽略核素衰變，僅考慮一種進(jìn)氣途徑，式(1)可以簡化為：

(2)

容易看出，對于惰性氣體，當(dāng)進(jìn)氣口處新風(fēng)濃度與控制室內(nèi)的核素濃度相同時，達(dá)到平衡狀態(tài)。但進(jìn)氣速率越大，室內(nèi)外的濃度會越快到達(dá)平衡狀態(tài)，人員所受照射劑量也越大。

對于一些雙層安全殼并帶有過濾器的機組，主控室和應(yīng)急控制中心對應(yīng)的事故源項以惰性氣體為主，可以看出簡單地減少新風(fēng)量是一種相對可行的方式。

1.2 氣溶膠和碘

對于放射性碘和氣溶膠，由于過濾器和非過濾滲入途徑的影響，情況將會有所不同。參考我國核電廠主控室和應(yīng)急控制中心HVAC系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，新風(fēng)量一般為幾百至幾千m3/h，多數(shù)設(shè)施缺少非過濾滲入途徑的實測數(shù)據(jù)，一般參照美國SRP6.4節(jié)和相關(guān)技術(shù)文件的推薦，認(rèn)為開關(guān)門引起的非過濾滲入量為17 m3/h[3,11]。而新風(fēng)過濾器(暫不考慮循環(huán)回風(fēng)過濾)對氣溶膠和碘的過濾效率較高，典型值為1000倍和100倍，筆者了解到相關(guān)實驗測定(2016—2017年)表明，即使受到老化等因素的影響，實際設(shè)施中的過濾器也能夠較好地滿足上述過濾效率。即新風(fēng)量為1 000 m3/h時，對于氣溶膠(碘，銫等)有效引入風(fēng)量僅為1 m3/h，遠(yuǎn)小于非過濾滲入量，即非過濾滲入途徑起主導(dǎo)作用。這還是在設(shè)施的非過濾滲入量滿足設(shè)計要求的前提下，如果非過濾滲入量更大(根據(jù)國內(nèi)外的實驗結(jié)果，這種現(xiàn)象普遍存在)，這種趨勢將更加明顯。而放射性物質(zhì)的排出速率，仍然是新風(fēng)量占據(jù)主導(dǎo)地位。

將式(1)進(jìn)行適當(dāng)簡化，可以得到：

(3)

從這個方程不難看出，在上述假設(shè)條件下，設(shè)施內(nèi)放射性氣溶膠濃度的增加速率，可近似認(rèn)為是一個定值，而其去除速率，與新風(fēng)速率成正比。增加新風(fēng)量將有助于降低設(shè)施內(nèi)的放射性污染物平均濃度和人員受照劑量。

對于后處理廠等設(shè)施的主控室和應(yīng)急控制中心，由于處理的乏燃料經(jīng)過多年的貯存，除了臨界事故外，基本上以氣溶膠為主，因此適當(dāng)增加新風(fēng)量可有效降低人員受照劑量。

1.3 混合源項

以上分別討論了惰性氣體和氣溶膠占主導(dǎo)地位時的情況。盡管現(xiàn)實中也有很多實例，但更普遍的情形是兩者同時存在。特別是對于壓水堆核電廠而言，設(shè)計中一般要考慮LOCA事故，假定堆芯發(fā)生大規(guī)模熔化，全部惰性氣體和大部分鹵素、部分銫和其他氣溶膠釋放到安全殼內(nèi)。向環(huán)境釋放的核素包含了惰性氣體和大量的放射性氣溶膠。從理論上講，在適當(dāng)條件下，如果惰性氣體和氣溶膠對設(shè)施內(nèi)人員造成的劑量具有可比性，那么由于惰性氣體造成的外照射劑量隨風(fēng)量的增加而增加，氣溶膠造成的吸入內(nèi)照射劑量隨風(fēng)量的增加而降低，應(yīng)該可以找到一個最佳的風(fēng)量，使人員在事故期間受到的總有效劑量最小，這也是本文研究的重點。這里必須指出，這個結(jié)果受到多方面因素的影響，與事故源項核素組成有關(guān)，同時與設(shè)施的具體HVAC設(shè)計方案和參數(shù)密切相關(guān)。下一節(jié)將以LOCA事故為例，嘗試尋找這個最優(yōu)風(fēng)量。

2 LOCA事故算例分析

2.1 模型建立

本文以LOCA事故為例，采用NUREG-1465報告中給出的安全殼內(nèi)源項釋放份額[12]，假定噴淋與自然沉積作用使碘和氣溶膠在安全殼內(nèi)濃度降低1 000倍，分子碘和氣溶膠的過濾效率為0.999，有機碘的過濾效率為0.99，安全殼以設(shè)計基準(zhǔn)泄漏率(前24 h基準(zhǔn)泄漏率為0.3%/d，24 h后減半)向環(huán)境泄漏。從釋放點至新風(fēng)口處的彌散因子，保守取表1中的數(shù)值。

如前文所述，非過濾途徑的滲入速率，是一個相對較難確定的參數(shù)，工程實踐中一般假定對開關(guān)門引起的非過濾滲入速率為17 m3/h。而考慮到隨著新風(fēng)量(換氣次數(shù))的變化，整個區(qū)域內(nèi)的正壓也將隨之變化，理論上非過濾滲入量將會減少，但目前很難有一個很準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系，粗略地假定非過濾滲入量隨風(fēng)量的變化滿足如下關(guān)系：主控室自由容積取3 000 m3，在新風(fēng)量為0時，非過濾滲入量為60 m3/h，風(fēng)量為9 000 m3/h時，非過濾滲入量降低至10 m3/h，中間進(jìn)行簡單線性插值[13-14]?；贜UREG-1465中給定的嚴(yán)重事故源項，計算事故后主控室人員受照劑量隨新風(fēng)量的變化曲線如圖2所示。

表1 大氣彌散因子 (s/m3)Tab.1 Atmospheric dispersion factors (s/m3)

圖2 事故后主控室人員受照劑量隨新風(fēng)量的變化(氣溶膠和碘去除1 000倍，Qin線性插值)Fig.2 Evolution of control room operator doseversus filtered intake flow rate (1 000 reductionfactor for aerosols and iodine)

可以看出，對于惰性氣體起主導(dǎo)作用的外照射，人員受照劑量隨著新風(fēng)量的增加而增加。而對于碘和氣溶膠占主導(dǎo)作用的吸入內(nèi)照射，人員受照劑量整體上隨著新風(fēng)量的增加而降低。在新風(fēng)量大約為400 m3/h時，外照射途徑對人員造成的有效劑量與吸入內(nèi)照射基本相等。而對于總有效劑量，呈現(xiàn)一個預(yù)想中的U型，即開始隨風(fēng)量的增加而降低，之后隨著風(fēng)量的增加而升高。

對于圖2而言，風(fēng)量在大約800～1 000 m3/h時人員受照劑量最低。在上述模型中，設(shè)計上選取約1 000 m3/h的新風(fēng)量是較為適宜的。

2.2 敏感性分析

如前面1.3節(jié)所述，上節(jié)中LOCA事故模擬計算存在最優(yōu)風(fēng)量，是諸多因素共同作用的結(jié)果，具有一定的偶然性。影響因素主要包括源項核素比例、非過濾滲入量和是否考慮循環(huán)回風(fēng)過濾等，本節(jié)分別針對上述因素進(jìn)行敏感性與不確定性分析。

2.2.1源項核素比例變化的敏感性分析

特定的源項核素組成發(fā)生變化，可能導(dǎo)致吸入內(nèi)照射和外照射綜合作用的結(jié)果也不同。仍采用NUREG-1465中給定的嚴(yán)重事故源項，假定噴淋與自然沉積作用使碘和氣溶膠在安全殼內(nèi)濃度僅降低100倍，即氣溶膠和碘的核素份額增加，惰性氣體、氣溶膠和碘的核素組成比例發(fā)生了變化，其他假定與2.1節(jié)一致，分別給出了非過濾風(fēng)量隨新風(fēng)量線性變化、非過濾風(fēng)量恒定(敏感性分析分別取1.7 m3/h 、17 m3/h 、170 m3/h)四種情形下主控室人員受照劑量，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 事故后主控室人員劑量隨新風(fēng)量的變化曲線(氣溶膠和碘去除100倍)Fig.3 Evolution of control room operator dose versus filtered intake flow rate(reduction factor 100 for aerosols and iodine)

可以看出，由于去除倍數(shù)降低后，氣溶膠和碘在源項核素組成中所占比例更高，吸入內(nèi)照射途徑對劑量結(jié)果起主導(dǎo)作用。導(dǎo)致在新風(fēng)量較小時，總有效劑量明顯超過0.1 Sv，且隨新風(fēng)量的增加迅速降低。當(dāng)非過濾滲入風(fēng)量增大時，總有效劑量也隨之增大(如圖3中(c)和(d))，但總體來說新風(fēng)量小于1 000 m3/h時，總有效劑量隨著新風(fēng)量的增加而迅速降低，新風(fēng)量高于1 000 m3/h后劑量趨于穩(wěn)定。

為盡可能地降低事故后主控室內(nèi)的人員受照劑量，對于以上假設(shè)，設(shè)計中保證1 000 m3/h以上的新風(fēng)量似乎是必要的。針對其他事故源項的進(jìn)一步分析表明，核電廠多數(shù)事故源項對應(yīng)急設(shè)施內(nèi)人員受照劑量的貢獻(xiàn)主要來自吸入內(nèi)照射。

但這里有一個前提，就是前文所取的較大的非過濾風(fēng)量與較高的過濾器效率，導(dǎo)致吸入內(nèi)照射的主要來源是非過濾滲入途徑。如果設(shè)計上能夠保證非過濾風(fēng)量小到可以忽略(敏感性分析取降低10倍即1.7 m3/h)，那么應(yīng)急設(shè)施HVAC系統(tǒng)的新風(fēng)量在保證人員正常呼吸的前提下，應(yīng)該盡量降低(如圖3(b))，但在實際工程上實現(xiàn)起來難度極大。非過濾滲入風(fēng)量是很難降低和消除的，除了密封性本身的問題，還有事故期間人員進(jìn)入CRE區(qū)域開關(guān)門動作帶來的影響。

2.2.2循環(huán)回風(fēng)過濾的影響

增加循環(huán)風(fēng)過濾系統(tǒng)，可持續(xù)有效去除設(shè)施內(nèi)的放射性氣溶膠，可有效降低事故后人員所受劑量。循環(huán)回風(fēng)過濾系統(tǒng)能將區(qū)域內(nèi)所有來源的氣溶膠和碘保持在一個相對穩(wěn)定的快速去除速率。典型的循環(huán)過濾帶來的內(nèi)部換氣速率為0.1～1/h，這樣的去除速率能夠在很大程度上彌補非過濾滲入途徑的影響，對CRE區(qū)域內(nèi)正壓的維持要求會進(jìn)一步降低。仍然以NUREG-1465中給定的嚴(yán)重事故源項為例，假定噴淋與自然沉積作用使碘和氣溶膠在安全殼內(nèi)濃度降低100倍，設(shè)施內(nèi)持續(xù)存在1 000 m3/h的循環(huán)過濾風(fēng)量，其他計算參數(shù)不變，結(jié)果如圖4所示。與圖3相比可以看出，設(shè)置循環(huán)過濾系統(tǒng)時人員有效劑量與未設(shè)置循環(huán)過濾系統(tǒng)相比有顯著降低。

圖4 循環(huán)過濾對劑量結(jié)果的影響氣溶膠和碘去除100倍(循環(huán)過濾風(fēng)量Qr=1 000 m3/h)Fig.4 Evolution of control room operator dose versus filtered intake flow rate with recirculation filters(reduction factor 100, recirculation rate Qr as 1 000 m3/h)

對循環(huán)過濾風(fēng)量進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，非過濾滲入隨新風(fēng)量變化或者非過濾滲入量較大時(圖5(a),5(c))，回風(fēng)過濾風(fēng)量越高，主控室人員的受照劑量越小；但若密閉性較好，如非過濾滲入量極小(1.7 m3/h，圖5(b))、沒有循環(huán)風(fēng)過濾的情形下，隨著新風(fēng)量的增加，室內(nèi)人員受照劑量先減小后增加，存在最優(yōu)風(fēng)量(300 m3/h)。

表2給出了非過濾滲入隨新風(fēng)量變化情形下，設(shè)置循環(huán)回風(fēng)過濾與未設(shè)置循環(huán)過濾時人員受照劑量之比。新風(fēng)量取600 m3/h、循環(huán)過濾風(fēng)量取1 000 m3/h時，人員受照劑量約為未設(shè)置循環(huán)過濾系統(tǒng)時的一半；新風(fēng)量一定時，循環(huán)風(fēng)量越大，人員受照劑量則越?。坏?dāng)新風(fēng)量提高到一定值以后，人員受照劑量的降低越來越不顯著。

圖5 循環(huán)過濾風(fēng)量敏感性分析(其他相關(guān)參數(shù)同圖3)Fig.5 Sensitivity analysis for recirculation rate of recirculation filters (other parameters are same as in Figer 3)

3 結(jié)論

本文結(jié)合典型的主控室設(shè)計特征和事故源項(基于NUREG-1465報告給定的安全殼內(nèi)源項份額)，對可居留性系統(tǒng)的新風(fēng)量進(jìn)行了敏感性分析，同時分析了非過濾滲入隨新風(fēng)量變化以及非過濾滲入固定時對主控室受照人員劑量的影響。

表2 不同循環(huán)過濾風(fēng)量與未設(shè)置循環(huán)過濾時人員受照劑量之比Tab.2 Ratio of control room operator doses withrecirculation filters to without recirculation filters

本文的主要結(jié)論如下：

(1)新風(fēng)量小于1 000 m3/h時可居留系統(tǒng)的新風(fēng)量對應(yīng)急設(shè)施內(nèi)人員的可居留性影響較大。

(2)事故源項的核素組成不同，對主控室人員受照劑量的影響是完全不同的。對于放射性碘等氣溶膠，由于高效過濾器的存在，控制室內(nèi)的濃度增加主要是非過濾滲入途徑的影響，而新風(fēng)量的增加可以提高氣溶膠的排出速率，并且進(jìn)一步降低非過濾滲入的速率，在未設(shè)置循環(huán)回風(fēng)過濾系統(tǒng)的情況下，適當(dāng)增加新風(fēng)量是有利的；但對于惰性氣體，過濾器和非過濾滲入的影響都處于次要地位，提高新風(fēng)量將會導(dǎo)致室內(nèi)惰性氣體濃度的增加，進(jìn)而增加人員受照劑量；如果既有惰性氣體，又有放射性碘和氣溶膠，那么就有必要進(jìn)行系統(tǒng)的分析，盡量找到最優(yōu)新風(fēng)量的平衡點，使人員在事故條件下的受照劑量最低。

(3)在非過濾滲入速率相對固定或者很難進(jìn)一步降低的條件下，增加循環(huán)回風(fēng)過濾系統(tǒng)，對于降低設(shè)施內(nèi)氣溶膠的含量是較為有效的方法。且適當(dāng)增加回風(fēng)過濾，效果更加明顯。非過濾滲入量隨新風(fēng)量變化時，若新風(fēng)量一定，適當(dāng)增加循環(huán)風(fēng)過濾有利于降低室內(nèi)工作人員的受照劑量，但新風(fēng)量高于一定值后，劑量降低越來越不顯著。若密閉性較好，非過濾滲入量極小，如取1.7 m3/h，沒有循環(huán)風(fēng)過濾的情形下，隨著新風(fēng)量的增加，室內(nèi)工作人員的受照劑量先減小后增加，存在最優(yōu)新風(fēng)量(300 m3/h)；非過濾滲入量的增加，使得室內(nèi)工作人員的受照劑量顯著增加，因此提高密閉性是減少劑量的有效手段。

本文分析了新風(fēng)量的優(yōu)化以及非過濾滲入與新風(fēng)量的相互制約對人員受照劑量的影響，能夠為核電廠主控室可居留性系統(tǒng)設(shè)計方案的改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。