核電廠的放射性廢液收集設(shè)計(jì)與優(yōu)化

□楊夢倩 林佳逸 葉欣楠

一、引言

安全性尤其是輻射安全是核電廠與其他常規(guī)電廠的主要區(qū)別之一，因此核電廠內(nèi)各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都應(yīng)圍繞確保輻射安全、避免輻射污染危害的角度開展。在此過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、輻射防護(hù)、管道布置、土建結(jié)構(gòu)等專業(yè)溝通配合，以實(shí)現(xiàn)可靠的放射性污染防治措施，縮小放射性污染范圍，保證公眾和環(huán)境的安全。

核電廠在正常運(yùn)行及大修期間，由于管道的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”以及檢修時(shí)設(shè)備疏排和清洗等原因，導(dǎo)致一定量帶有放射性的廢液排放到房間地面上。放射性廢液長期滯留在地面，在妨礙人員通行的同時(shí)，也給運(yùn)行人員帶來受輻射的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于放射性液體的蒸發(fā)是最常見的大氣污染源，因此放射性廢液在地面上滯留也可能導(dǎo)致房間空氣污染，對(duì)運(yùn)行人員帶來危害[1]。

為了有效收集地面排水，核電廠設(shè)置地漏將滯留在地面上的放射性廢液進(jìn)行收集后疏排[2]，由于目前核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，地面地漏在收集過程中，存在地面放射性廢液滯留的問題，可能影響運(yùn)行人員的正常操作。因此合理的地漏設(shè)置，能夠針對(duì)地漏所在核電廠的功能區(qū)域以及輻射分區(qū)，最大程度地避免地漏的重復(fù)設(shè)置、空氣串通而導(dǎo)致的污染以及由于疏水不暢導(dǎo)致放射性廢液的滯留。從而成為保障整個(gè)核電廠排水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件之一，達(dá)到核電廠的安全目標(biāo)。

另一方面，內(nèi)置換料水箱在設(shè)計(jì)上為帶有鋼覆面的混凝土結(jié)構(gòu)水池，需要設(shè)置專門的泄漏監(jiān)測及收集系統(tǒng)來監(jiān)控內(nèi)置換料水箱鋼敷面是否泄漏；事故工況下反應(yīng)堆廠房內(nèi)的水源存在泄漏的可能，并最終進(jìn)入安全殼底層，因此在底層設(shè)置液位監(jiān)測儀表監(jiān)測水淹高度，為運(yùn)行人員了解安全殼底層水淹情況，判斷水淹源提供支持是非常有必要的。而目前的地坑尚未考慮這方面的工藝設(shè)計(jì)。

為了有效監(jiān)控，本文介紹的泄露監(jiān)測方法在疏水坑內(nèi)設(shè)置專門的泄漏監(jiān)測儀表，用于監(jiān)測主管道及主蒸汽管道的泄漏情況；在安全殼底層以及內(nèi)置換料水箱鋼敷面下設(shè)置專門的泄漏監(jiān)測地坑并設(shè)置監(jiān)測液位計(jì)，用于監(jiān)測內(nèi)置換料水箱的泄漏情況；在安全殼底層設(shè)置液位計(jì)，用于監(jiān)測事故工況下安全殼底層液位。

二、核電廠放射性廢液地漏收集設(shè)計(jì)中存在的問題

(一)不設(shè)置收集立管。在目前現(xiàn)有的核電廠放射性廢液地漏收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]中，出于布置和施工的簡易上，一般不設(shè)置收集立管匯總收集放射性廢液。

圖1 目前核電廠地漏收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖(1地漏及其連接管；2收集地坑)

在設(shè)計(jì)上，存在上層一個(gè)地漏的連接管道直接排入到下層地漏上，或存在上層多個(gè)地漏連接管道同時(shí)排入下層同一個(gè)地漏上，而不通過封閉的管路疏排。這樣的布置非常容易造成疏水不暢，從而使上層的放射性廢液在下層地面的滯留。

同時(shí)，由于上層的地漏跨層不采用設(shè)置收集立管的方式，可能導(dǎo)致每個(gè)樓層均需要設(shè)置地漏用于接收上層地漏連接管道中的放射性廢液。不僅導(dǎo)致地漏的重復(fù)設(shè)置，也造成了因?yàn)椴贾迷蚨鴮?dǎo)致的開放口增加的問題，從而使得倒流或污染上層房間的可能性加大。

(二)房間空氣的污染。由于核電廠區(qū)別于其他民用住宅設(shè)施，不同的樓層、不同的房間的功能區(qū)域或輻射分區(qū)可能不同，放射性廢液在地面滯留后蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體是最常見的大氣污染源。在地漏收集放射性廢液過程中，由于地漏的重復(fù)設(shè)置，導(dǎo)致地漏相同的房間和樓層進(jìn)行串氣的可能性增大，可能引來被事故漏液污染的空氣，導(dǎo)致空氣串通而污染原本房間干凈的空氣。核電廠的運(yùn)行人員在運(yùn)行過程中可能受到因?yàn)檎舭l(fā)而導(dǎo)致的氣體污染的威脅，不利于核電廠安全目標(biāo)。

三、放射性廢液地漏收集優(yōu)化方案

由于核電廠的特殊性，在核電廠內(nèi)設(shè)置可靠的放射性廢液地漏收集系統(tǒng)顯得尤為重要，它成為了保證核電廠安全目標(biāo)，建立并保持對(duì)放射性危害的有效防御的重要措施。

針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)中存在的缺陷，對(duì)地漏收集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于放射性介質(zhì)和環(huán)境會(huì)對(duì)管道材料產(chǎn)生變性、腐蝕等影響，因此在放射性廢液收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮選用的材料及管件的連接方式。核電廠內(nèi)的輻射會(huì)導(dǎo)致塑料管材高分子斷鏈、材料碎裂，因此不應(yīng)選用塑料管材。由于不銹鋼管材的輻照性能較好，因此放射性區(qū)域一般選擇不銹鋼管材[4]。同時(shí)放射性廢液一般含有腐蝕性介質(zhì)，因此排水管材和管件需要選用防腐蝕的管材，如不銹鋼管材(S30403或S31603)。

(一)設(shè)置收集立管匯總收集放射性廢液。收集立管采用大直徑的不銹鋼管道，收集后直接排入廠房最底層的收集地坑或與地坑相連的地溝中。收集立管頂端通過管帽封閉，避免夾帶房間內(nèi)的空氣進(jìn)入收集立管中，進(jìn)而污染其他房間空氣。防止了原有設(shè)計(jì)中空氣串通的問題。

上層地漏連接管不直接排入下層地漏上，而連接到收集立管上，防止放射性廢液在不同樓層地面的滯留。地漏的連接管道采用DN50-80的不銹鋼管，以防止發(fā)生腐蝕。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，以華龍一號(hào)的核電廠為例，地漏及連接管中的連接管設(shè)計(jì)坡度不小于5mm/m(5‰)，對(duì)于小直徑管道，以1cm/m(1%)為宜，確保管道中的放射性廢液盡快流入收集立管中而不滯留；所屬的收集立管最多可連接5個(gè)同一樓層上的地漏及其連接管道，使放射性廢液在收集立管中流動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)水塞流，引起較大的管道壓力波動(dòng)。

(二)設(shè)計(jì)收集地溝。與收集立管所連接的收集地溝設(shè)計(jì)寬度不小于150mm，設(shè)計(jì)深度不小于100mm，坡度不小于5mm/m(5‰)，設(shè)計(jì)保證放射性廢液能盡快流入收集地坑中，收集立管下端與收集地坑的最高液面距離不小于100mm，以免出現(xiàn)排水立管超壓導(dǎo)致管內(nèi)放射性空氣通過地漏帶入房間內(nèi)，導(dǎo)致夾帶空氣污染房間空氣。

同時(shí)為了防止放射性由高放射性區(qū)域向低放射性區(qū)域擴(kuò)散，設(shè)置地溝沿途房間應(yīng)遵循由放射性水平低的區(qū)域流向放射性水平高的區(qū)域，并防止倒流，采用的倒流措施需要得到輻射安全專業(yè)的認(rèn)可[4]，避免將放射性廢液地溝設(shè)置至非控制區(qū)域(即白區(qū))。

(三)設(shè)計(jì)收集地坑。放射性廢液的收集地坑應(yīng)設(shè)置不銹鋼覆面及不銹鋼蓋板。其中，設(shè)置不銹鋼覆面的目的是為了防止收集到地坑內(nèi)的放射性廢液滲入混凝土中，便于今后退役；同時(shí)設(shè)置不銹鋼蓋板減少放射性廢液蒸發(fā)，并起到防止操作人員不慎跌落的作用。

圖2 放射性廢液地漏收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖(1收集立管；2管帽；3地漏及其連接管；4最高液面距離；5收集地溝；6收集地坑；7不銹鋼覆面及蓋板)

四、地坑泄漏監(jiān)測設(shè)計(jì)優(yōu)化

一般來說，目前核電廠的反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)將換料水箱設(shè)置在安全殼內(nèi)底層。換料水箱位于安全殼內(nèi)能減少外部災(zāi)害對(duì)換料水箱安全性的影響，提高事故后應(yīng)急水源的可靠性，進(jìn)而提高電廠的安全性。

非內(nèi)置的換料水箱檢漏方式是運(yùn)行人員定期對(duì)換料水箱進(jìn)行巡檢，但華龍一號(hào)換料水箱設(shè)置在安全殼內(nèi)底層，運(yùn)行人員在核電站運(yùn)行期間無法進(jìn)入，因此需要設(shè)置專門的泄漏監(jiān)測及收集系統(tǒng)來監(jiān)控內(nèi)置換料水箱。當(dāng)內(nèi)置換料水箱鋼覆面意外泄漏時(shí)，該系統(tǒng)可以用于提醒運(yùn)行人員采取必要的措施并將泄漏水收集排出，防止因換料水箱內(nèi)水裝量減少、泄漏水滯留并腐蝕設(shè)備和結(jié)構(gòu)而影響電廠安全。

放射性廢液收集設(shè)計(jì)優(yōu)化上在內(nèi)置換料水箱鋼襯里外側(cè)主焊縫處設(shè)置有若干個(gè)泄漏監(jiān)測管或泄漏收集槽；同時(shí)，設(shè)置了泄漏收集總管將泄漏監(jiān)測管或泄漏收集槽收集到的泄漏水匯總收集后，流入泄漏監(jiān)測地坑中。將兩個(gè)泄漏監(jiān)測地坑設(shè)置在安全殼底層與排水環(huán)溝相連接的位置。地坑內(nèi)設(shè)置有液位計(jì)，用于監(jiān)測地坑內(nèi)是否有泄漏水流入地坑。液位變送器設(shè)置液位報(bào)警，當(dāng)泄漏水流入地坑中達(dá)到一定液位后會(huì)觸發(fā)液位報(bào)警，提醒運(yùn)行人員內(nèi)置換料水箱鋼敷面可能出現(xiàn)泄漏。

由于泄漏監(jiān)測地坑與安全殼底層排水環(huán)溝相連接，當(dāng)?shù)乜又幸何贿_(dá)到一定高度后可以通過環(huán)溝自流進(jìn)入同樣與環(huán)溝相連接的安全殼底層疏水坑，防止泄漏水溢出泄漏監(jiān)測地坑后，在地面上滯留而威脅其他機(jī)械及電器設(shè)備的使用。安全殼底層疏水坑內(nèi)設(shè)置有地坑泵，可以將泄漏水外排至廢液處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。圖3為內(nèi)置換料水箱泄漏監(jiān)測的流程簡圖。

圖3 地坑泄漏監(jiān)測的流程簡圖(1內(nèi)置換料水箱；2泄漏收集總管；3液位變送器；4地坑①；5環(huán)溝；6疏水地坑②；7地坑泵；8-11泄漏監(jiān)測管或收集槽)

同時(shí)因?yàn)樾孤侗O(jiān)測對(duì)地坑內(nèi)的液位儀表的精度提出了更高的要求，因此在儀表選擇上也進(jìn)行了優(yōu)化，一般來說，地坑內(nèi)兩臺(tái)液位開關(guān)以及一臺(tái)液位變送器，用于監(jiān)測液位變化并聯(lián)鎖控制地坑中地坑泵的啟停，當(dāng)液位達(dá)到限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警?，F(xiàn)重新進(jìn)行儀表的選型，最終在每個(gè)地坑內(nèi)設(shè)置了兩臺(tái)更高精度要求的液位變送器?，F(xiàn)有的兩臺(tái)液位儀表不僅執(zhí)行原有三臺(tái)儀表的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)泄露監(jiān)測的要求。此外，兩臺(tái)液位儀表均為抗震設(shè)計(jì)，在地震后既可保持設(shè)備不受到損壞又能保持功能的正常運(yùn)作。表1提供了設(shè)計(jì)優(yōu)化前后液位儀表的變化對(duì)比。

表1 設(shè)計(jì)前后地坑內(nèi)液位儀表設(shè)計(jì)變化

五、設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)

能夠從布置方案上避免疏水不及時(shí)而導(dǎo)致在地面的滯留，從而避免妨礙運(yùn)行人員通行，為運(yùn)行人員提供便利；減少了運(yùn)行人員受滯留地面的放射性廢液所帶來的輻射污染，也減少了其他樓層的房間內(nèi)運(yùn)行人員因空氣串流而受到的環(huán)境氣體污染。另一方面，采用密封管道的方式接收放射性廢液，減少了設(shè)計(jì)中的“開放口”，避免了放射性廢液夾帶的放射性廢氣通過地漏污染其他房間空氣，避免了放射性廢氣的進(jìn)一步擴(kuò)散，防止對(duì)運(yùn)行人員產(chǎn)生危害。保障了核電廠廢液收集系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

通過合理的地溝設(shè)置，能夠有效避免放射性廢液由高放射性區(qū)域向低放射性區(qū)域擴(kuò)散，保證了本放射性廢液地漏收集系統(tǒng)的輻射安全性，使得放射性廢液能夠通過布置的方式，有效地收集到底層地坑中，從而被收集處理。

在底層地面設(shè)計(jì)帶不銹鋼覆面及不銹鋼蓋板的地坑，能夠防止放射性廢液滲入混凝土中，也可以避免運(yùn)行人員不慎掉入。

地坑增設(shè)了泄露監(jiān)測的設(shè)計(jì)，能夠監(jiān)測事故工況下安全殼底層水淹情況；設(shè)計(jì)優(yōu)化后，地坑可以在事故工況下監(jiān)測安全殼底層的液位。根據(jù)所測得的液位，運(yùn)行人員可以對(duì)水淹情況有基本的判斷，有利于運(yùn)行人員采取措施緩解事故所造成的危害。

對(duì)地坑內(nèi)的液位儀表進(jìn)行優(yōu)化，通過對(duì)比優(yōu)化前后的液位儀表，提高液位儀表的精度要求，減少儀表的使用量。同時(shí)，儀表均為抗震設(shè)計(jì)，能夠在地震后保持設(shè)備不受到損壞又能保持功能的正常運(yùn)作。提高了核電廠的安全設(shè)計(jì)水平。

六、結(jié)語

本文提出了核電廠放射性廢液收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要包括地漏設(shè)計(jì)和地坑功能設(shè)計(jì)；通過合理的地漏規(guī)劃設(shè)計(jì)，針對(duì)地漏所處的功能區(qū)域或輻射分區(qū)的不同，在設(shè)計(jì)中通過設(shè)置收集立管，將放射性廢液匯總后直接排入底層地坑或與地坑連接的地溝中；同時(shí)通過在地坑內(nèi)增設(shè)測量儀表，優(yōu)化液位測量液位計(jì)的儀表精度，給地坑承擔(dān)泄露監(jiān)測提供設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與過去的核電廠排水系統(tǒng)中地面收集設(shè)計(jì)原則相比存在諸多優(yōu)點(diǎn)，為今后新建核電廠的放射性廢液收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供思路，提高了核電廠的安全設(shè)計(jì)水平。