核電廠通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)量對(duì)碘吸附器性能的影響

中國輻射防護(hù)研究院 陳建利

福建福清核電有限公司 陳榮添

中國輻射防護(hù)研究院 高琳鋒 李永國 韓麗紅 梁 飛 李彥樟 張治權(quán)

0 引言

核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置碘吸附器，用于去除氣流中的氣態(tài)放射性碘物質(zhì)，以確保氣體的達(dá)標(biāo)排放和事故工況下主控室的可居留性[1]。系統(tǒng)的性能除了受碘吸附器自身凈化能力和系統(tǒng)的泄漏量影響外，還受到氣流相對(duì)濕度、溫度、運(yùn)行風(fēng)量等參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[2-4]對(duì)氣流相對(duì)濕度、溫度的影響進(jìn)行了研究，但運(yùn)行風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能影響的報(bào)道較少。

含碘吸附器系統(tǒng)在運(yùn)行和定期試驗(yàn)時(shí)一般要求運(yùn)行風(fēng)量與額定風(fēng)量的偏離小于額定風(fēng)量的10%[5]。但有時(shí)為了保證廠房的負(fù)壓要求，通風(fēng)系統(tǒng)需在偏離額定風(fēng)量較大條件下運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)的性能該如何評(píng)價(jià)，能否滿足核電廠放射性碘的排放要求？在某些特殊情況下又需要考慮在低風(fēng)量條件下進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，此時(shí)所獲取的試驗(yàn)結(jié)果該如何轉(zhuǎn)化為額定風(fēng)量下的數(shù)據(jù)？因此探討運(yùn)行風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

含碘吸附器系統(tǒng)的現(xiàn)場性能常用凈化系數(shù)(效率)或泄漏率表示，凈化系數(shù)一般用放射性甲基碘法進(jìn)行測量，泄漏率采用氟利昂法測量[6]。本文推導(dǎo)了碘吸附器單體凈化系數(shù)性能、系統(tǒng)凈化系數(shù)和泄漏率三者之間的關(guān)系，用放射性甲基碘法[7]實(shí)測了不同運(yùn)行風(fēng)量下碘吸附器自身凈化系數(shù)和存在泄漏時(shí)系統(tǒng)的凈化系數(shù)，并用公式計(jì)算了對(duì)應(yīng)風(fēng)量下的泄漏率，分析了風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響趨勢和原因。

1 理論推導(dǎo)

碘吸附器安裝不當(dāng)、通風(fēng)小室墻體缺陷或者某些貫穿件密封不嚴(yán)等情況將可能導(dǎo)致少量氣體直接經(jīng)泄漏孔洞進(jìn)入到下游風(fēng)管，即系統(tǒng)存在一定的泄漏，見圖1。泄漏率η的定義式為

(1)

式中q為經(jīng)泄漏孔洞流過的氣流體積流量，m3/h；Q為系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)量(體積流量)，m3/h。

圖1 碘吸附器系統(tǒng)性能影響示意圖

假定系統(tǒng)的凈化系數(shù)為CE，碘吸附器自身的凈化系數(shù)為Ce，泄漏率為η，則泄漏的氣體體積流量為Qη，碘吸附器的流量為Q-Qη。

下游氣體中活度由泄漏及碘吸附器的不完全吸附兩部分疊加產(chǎn)生，則下游的總活度為

γdQ=Qηγu+Q(1-η)γ′d

(2)

式中γd、γu分別為系統(tǒng)上、下游單位體積放射性活度，Bq/m3；γ′d為經(jīng)碘吸附器凈化后單位體積放射性活度，Bq/m3。

根據(jù)碘吸附器自身凈化系數(shù)Ce的定義式：

(3)

則式(2)可簡化為

(4)

根據(jù)系統(tǒng)凈化系數(shù)CE的定義，可將式(4)整理為

(5)

系統(tǒng)的泄漏率可表示為

(6)

通過實(shí)驗(yàn)測得CE和Ce，用式(6)計(jì)算系統(tǒng)的泄漏率η。

式(5)、(6)未體現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)量對(duì)凈化系數(shù)、泄漏率的影響，下面通過實(shí)驗(yàn)測量的方式研究系統(tǒng)性能隨風(fēng)量的變化。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用放射性甲基碘法，以放射性碘131作為示蹤劑，注入到系統(tǒng)中，并分別在碘吸附器上/下游合適位置取樣，并用γ譜儀分析上/下游樣品的放射性活度，進(jìn)而計(jì)算得到碘吸附器或系統(tǒng)的凈化系數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在碘吸附器整機(jī)性能系統(tǒng)上進(jìn)行，其流程圖見圖2。該裝置主要由過濾器、加熱器、混合器、測試臺(tái)架、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、后備碘吸附器及風(fēng)機(jī)等組成，在風(fēng)管相應(yīng)位置設(shè)計(jì)有放射性甲基碘的注入、采樣口及測風(fēng)口。實(shí)驗(yàn)用碘吸附器安裝在測試臺(tái)架中，后備碘吸附器用于去除氣流中剩余的放射性碘。運(yùn)行風(fēng)量通過風(fēng)量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

該實(shí)驗(yàn)裝置在碘吸附器整機(jī)檢驗(yàn)中使用多年，其可靠性、取樣代表性、氣流穩(wěn)定性等均滿足要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

所用儀器設(shè)備均滿足標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 1183—2005《核空氣凈化系統(tǒng)碘吸附器凈化系數(shù)的測定 放射性甲基碘法》的要求，主要儀器設(shè)備有：甲基碘氣體發(fā)生器、上下游采樣設(shè)備、折疊式碘吸附器、HPGe多道γ譜儀、風(fēng)速儀、溫濕度儀。

2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)選擇了1臺(tái)折疊式碘吸附器(該碘吸附器在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中大量使用)，模擬泄漏點(diǎn)示意圖見圖3，額定風(fēng)量為1 200 m3/h，核電廠通風(fēng)系統(tǒng)一般采用多臺(tái)碘吸附器并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)滿足不同運(yùn)行風(fēng)量的要求。實(shí)驗(yàn)在額定風(fēng)量20%～140%的范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有以下2個(gè)方面：

圖3 模擬泄漏點(diǎn)示意圖

1) 測量不同風(fēng)量下碘吸附器凈化系數(shù)，代表無泄漏條件下的凈化系數(shù)：選取合適的折疊式碘吸附器，將其安裝在測試臺(tái)架內(nèi)，注意檢查碘吸附器的密封圈與接觸面的形變量，以排除可能存在的機(jī)械泄漏。啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的風(fēng)量，并分別控制為碘吸附器額定風(fēng)量的20%、40%、60%、80%、90%、100%、110%、120%、140%，用放射性甲基碘法分別測定對(duì)應(yīng)風(fēng)量下的凈化系數(shù)。

2) 測量有泄漏時(shí)不同風(fēng)量條件下的系統(tǒng)凈化系數(shù)：該泄漏通過在碘吸附器密封圈與臺(tái)架接觸面之間添加內(nèi)徑為2 mm的不銹鋼管，以模擬核電廠系統(tǒng)中存在的微小機(jī)械泄漏，如圖3所示。不銹鋼管在碘吸附器上、下游之間形成了通路，使得少量氣體未經(jīng)碘吸附器的凈化而直接進(jìn)入到下游氣流中。然后改變風(fēng)量，按照上述條件再次進(jìn)行凈化系數(shù)的測量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)測定了在20%～140%額定風(fēng)量范圍內(nèi)碘吸附器的凈化系數(shù)和添加泄漏點(diǎn)后系統(tǒng)的凈化系數(shù)，并利用式(6)計(jì)算了各風(fēng)量下的泄漏率，結(jié)果見表1。下面分別對(duì)碘吸附器凈化系數(shù)Ce、系統(tǒng)的凈化系數(shù)CE及泄漏率進(jìn)行討論。

表1 凈化系數(shù)、泄漏率隨風(fēng)量的變化(額定風(fēng)量Q0為1 200 m3/h)

3.1 碘吸附器凈化系數(shù)隨運(yùn)行風(fēng)量的變化

由表1可以看出，本實(shí)驗(yàn)風(fēng)量范圍內(nèi)，碘吸附器自身的凈化系數(shù)Ce普遍較高，碘吸附器的凈化系數(shù)隨風(fēng)量增大而減小。原因?yàn)轱L(fēng)量增大使得氣流在碘吸附器中的停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致碘吸附器不能有效吸附氣流中的放射性碘物質(zhì)，引起凈化系數(shù)的減小。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)凈化系數(shù)隨運(yùn)行風(fēng)量的變化

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的泄漏點(diǎn)尺寸固定不變，獲得的系統(tǒng)凈化系數(shù)見表1中的CE。相比不泄漏工況，各風(fēng)量下的凈化系數(shù)均有顯著減小，這是因?yàn)樾孤┑拇嬖谑沟蒙倭繗饬魑唇?jīng)碘吸附器的凈化而直接進(jìn)入到了下游。

試驗(yàn)條件下隨風(fēng)量的增大，系統(tǒng)的凈化系數(shù)增大，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[8]提到的穿透率變化趨勢相一致。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)泄漏率的變化

在實(shí)驗(yàn)風(fēng)量范圍內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)的泄漏率小于0.1%，而凈化系數(shù)均明顯減小，表明微小的泄漏即可對(duì)系統(tǒng)凈化系數(shù)造成顯著的不利影響。對(duì)于固定尺寸的泄漏點(diǎn)，其泄漏率并不是固定不變的，而是隨著風(fēng)量的增大，泄漏率減小。另外，本文又用氟利昂法測量了另一含碘吸附器通風(fēng)系統(tǒng)的泄漏率數(shù)據(jù)，其泄漏率隨風(fēng)量的變化趨勢相同，結(jié)果見表2。

表2 氟利昂法測量的系統(tǒng)的泄漏率(額定風(fēng)量Q0為1 200 m3/h)

泄漏率含義為機(jī)械泄漏的氣體體積流量除以系統(tǒng)風(fēng)量，一般來講系統(tǒng)風(fēng)量(流速)增大，碘吸附器的阻力呈線性增長[9]，而泄漏點(diǎn)的阻力與流速的平方呈線性關(guān)系[10]。當(dāng)系統(tǒng)流速(流量)增大時(shí)，系統(tǒng)泄漏點(diǎn)處的阻力應(yīng)等于碘吸附器的阻力，但泄漏引起的流速增加值小于碘吸附器的流速增加值，導(dǎo)致系統(tǒng)的泄漏率降低。

盡管碘吸附器自身凈化系數(shù)隨風(fēng)量增大而減小，但泄漏影響超過了碘吸附器自身性能對(duì)系統(tǒng)凈化系數(shù)減小的影響，造成系統(tǒng)凈化系數(shù)隨風(fēng)量的增大而變大。

4 結(jié)論

1) 碘吸附器凈化系數(shù)、通風(fēng)系統(tǒng)的凈化系數(shù)與泄漏率之間存在關(guān)系η=(Ce-CE)/[CE(Ce-1)]，可利用該公式計(jì)算系統(tǒng)的泄漏率。

2) 在實(shí)驗(yàn)風(fēng)量范圍內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)的凈化系數(shù)隨運(yùn)行風(fēng)量的增加而變大，凈化系數(shù)越大表明系統(tǒng)對(duì)放射性氣體的去除效果越好，因而更有利于系統(tǒng)運(yùn)行。

3) 在實(shí)驗(yàn)條件下，通風(fēng)系統(tǒng)的泄漏率隨風(fēng)量增加而降低，即低風(fēng)量下的泄漏率偏大。若降風(fēng)量(低于額定風(fēng)量)進(jìn)行泄漏率實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果偏大。